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Natur der Naturwissenschaften

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by

Kai Niebert

on 3 July 2014

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Transcript of Natur der Naturwissenschaften

Naturwissenschaftliches
Arbeiten

Vorstellungen |  Ansätze |  Kompetenzen
Ansätze aus der Gestalttheorie (Ende 19. Jhd. bis Mitte 20. Jhd.)
- erste Wahrnehmung entscheidet Über Begünstigung oder Hemmung des Lernprozesses- gute Wahrnehmbarkeit ist daher wichtig (Prägnanz)
- Erforschung der Prägnanz-Faktoren führte zu W. Melzers Gesezten des Sehens

R. Arnheim (1977): Die visuelle Wahrnehmung ist mit der Aufnahme des Geschehens im Gedächtnis sowie mit den Lernprozessen signifikant verbunden.

H. Schmidtkunz (1989): Gesetze des Sehens können auf chemische Experimente übertragen werden.
Kompetenzstufen beim Experimentieren.
Suche im Hypothesen-Suchraum
Was macht ein Naturwissenschaftler?
Wie gestalte ich ein Experiment?
Der einfachste Versuch, den man selbst durchführt, ist besser als der schönste Versuch, den man nur sieht“ (Michael Faraday 1791 – 1861)
Aufgabe:
Aufgabe
Betrachten Sie den Versuchsaufbau der Gruppe rechts neben Ihnen und bewerten Sie diesen.

Welche Kriterien sind Ihnen bei der Bewertung wichtig?
Arbeitsrichtung unserer Kultur entsprechend Reaktionsfluss von links nach rechts
Figur-Grund-Kontrast
Apparatur muss sich klar vom Hintergrund abheben
Gesetz der Einfachheit
nur notwendige Gerate verwenden
möglichst wenig Details
Gesetz der Nähe
nur Geräte mit gleicher Funktion nah zusammenstellen
Geräte, die nicht zur Apparatur gehören, wegstellen
Alles in Ordnung?
Gewohnte und in sich geschlossene Figur
Apparatur durch Stative einrahmen (Rechteck)

Gesetz der glatt durchlaufenden Linie
Gleichartige Vorgänge werden in gleichartigen Geraten vermutet
Das kann ankommen…
Besser.
Gesetz der Einfachheit
nur notwendige Geräte verwenden
möglichst wenig Details
Das Gesetz des Figur-Grund-Kontrastes
Klare Abhebung vom Hintergrund
Hintergrund homogen und farblich unauffällig (z.B. Pappe, saubere Tafel etc.)
Die gewohnte und in sich geschlossene Figur
Neue Informationen werden an bestehende Muster im Gedächtnis geknüpft
Bekannte Formen: Rechteck, Quadrat, Kreis etc.
Konstruktion einer Geschlossenheit, auch wenn sie in der Realität nicht gegeben ist
Das Gesetz der Einfachheit
Einfache Dinge sind visuell besser wahrnehmbar
Komplexitat entsteht durch Vielzahl von Einzelheiten
Vielzahl von Einzelteilen potenziert die Komplexität
Das Gesetz der Gleichartigkeit
Gleichartigen Dingen werden gleiche Funktionen zugemutet, sie führen zu Objektzusammenschlüssen
differenzierte Wahrnehmbarkeit wird stark beeinträchtigt
Unterschiedliche Funktionen verbieten gleichartige Geräte
Das Gesetz der Nähe
Nahe beieinander liegende Teile werden zusammengehörig empfunden
Nur Geräte gleicher Funktion sollten nahe beieinander liegen
Die glatt durchlaufene Linie
Zu- und Ableitungen sollen gradlinig verlaufen
gleiche Höhe: „Drüber-weg“-Sehen über den Reaktionsverlauf.
Das Gesetz der Symmetrie
Symmetrische Anordnungen haben eine spürbare Prägnanz
Symmetrie hilft Aufmerksamkeit auf einen bestimmten Teil der Anordnung zu richten.
Das Gesetz der Dynamik von links nach rechts
Reaktionsverläufe von links nach rechts werden als normal und naturgegeben empfunden.
Keine Hypothesen
beim Experimentieren
1
Lernende führen Experimente aus, ohne Vermutungen über Ursache Wirkungs-Beziehungen zu haben; sie versuchen, einen Effekt zu erzielen. Folge ist ein unsystematisches Durchsuchen des Experimentier-Suchraums.
Primarstufe
Unsystematische Suche
nach Hypothesen
2
Es wird hypothesengeleitet experimentiert, jedoch werden nicht alle Hypothesen herangezogen, die für die Beantwortung einer Fragestellung beachtet werden müssten oder bei der Suche nach Hypothesen werden diese nicht logisch aufeinander bezogen.
Klasse 5
Systematische Suche
nach Hypothesen
3
Es werden multiple Hypothesen gebildet, die logisch aufeinander bezogen werden. Probleme bereitet jedoch die Hypothesenrevision.
Klasse 5
Systematische Suche
nach Hypothesen und
erfolgreiche
Hypothesenrevision
4
Wie Stufe 3, jedoch gelingt auch die Hypothesenrevision in Situationen, in denen alle bereits getesteten Hypothesen falsifiziert wurden.
Klasse 7
Suche im Experiment-Suchraum
Unsystematischer
Umgang mit Variablen
1
Lernende verändern die Ausprägungen einer oder mehrerer Variablen ohne System, so dass keine schlüssigen Aussagen über Ursache-Wirkung Beziehungen möglich sind. Oft werden alle Variablen ohne Strategie von einem Testansatz zum anderen verändert.
Primarstufe
Teilweise
systematischer
Umgang mit Variablen
2
Systematischeres Vorgehen als in Stufe 1. Variablen werden oft konfundiert (local chaining). Variable mit erwartetem Effekt wird konstant gehalten.
Klasse 5
Systematischer
Umgang mit Variablen
in bekannten Domänen
3
Testvariable wird verändert, andere Variablen konstant gehalten. Diese Vorgehensweise erlaubt es, eindeutige Aussagen über die Wirkweise einer bestimmten Variablen zu treffen und die Wirkung anderer Variablen auszuschließen.
Klasse 5
Systematischer
Umgang mit Variablen
in unbekannten
Domänen
4
Wie in Stufe 3 variieren Lernende lediglich die Ausprägung der Testvariable und halten die Ausprägungen der übrigen Variablen auch in Bereichen ohne Vorwissen konstant.
Klasse 6
Analyse der Daten
Daten werden
nicht auf
Hypothesen bezogen.
1
Beobachtete Effekte werden beschrieben, aber nicht Ursachen erklärt. Defizite beruhen auf einem mangelnden Verständnis der Ziele der Datenerhebung beim Experimentieren.
Primarstufe
Unlogische Analyse
der Daten
2
Lernende beziehen Daten auf Hypothesen, ziehen jedoch unlogische Schlüsse, z. B. durch Nichtbeachten deutlicher Kontraste zwischen Experiment und Kontrolle; Hypothesen werden gewechselt bzw. beibehalten, obwohl die Datenlage dieses nicht zulässt.
Klasse 5
Logische Analyse der
Daten, Probleme bei
Daten, die den Erwar-
tungen widersprechen
3
Lernende erklären Daten auf logisch konsistente Weise in den meisten experimentellen Situationen. Schwierigkeiten bereitet jedoch der Umgang mit Daten, die den eigenen Erwartungen widersprechen und die häufig ignoriert oder fehlinterpretiert werden.
Klasse 5
Daten werden in
adäquater Weise zur
Überprüfung von
Hypothesen
herangezogen
4
Lernenden gelingt die Analyse von Daten selbst dann, wenn diese aufgrund inhaltlicher Erwartungen oder Bedingungen der Datenerhebung (z. B. kontinuierliche Variablen mit kleinen Unterschieden oder Messfehlern) schwierig zu interpretieren sind.
Klasse 7
Suche im Experiment-Suchraum
Unsystematischer
Umgang mit Variablen
1
Es wird ein Experiment gewählt, bei dem ein Kuchen aus Butter, Zucker und Auszugsmehl gebacken wird. Somit werden alle drei Variablen gegenüber dem Backansatz (Honig, Margarine, Vollkornmehl) verändert und es ist nicht möglich, eine Aussage über die Wirkung des Honigs zu treffen.
Primarstufe
Teilweise
systematischer
Umgang mit Variablen
2
Die Lernenden wühlen ein Experiment, bei dem ein Kuchen aus Honig, Butter und Auszugsmehl hergestellt wird. Somit wird die Testvariable (Honig) konstant gehalten und die anderen Variablen verändert.
Klasse 5
Systematischer
Umgang mit Variablen
in bekannten Domänen
3
Es wird das folgende Experiment gewählt: Statt Honig wird Zucker verwendet (Variation der Testvariable), die anderen Variablen (Margarine und Vollkornmehl) bleiben unverändert.
Klasse 5
Systematischer
Umgang mit Variablen
in unbekannten
Domänen
4
Lernende wählen in einer ihnen unbekannten Domäne (Z. B. Samenkeimung) ein schlüssiges Experiment zur Überprüfung der möglichen Kausalität einer Variablen.
Klasse 6
Operationalisierung:
Hammann, M. (2004): Kompetenzentwicklungsmodelle. MNU 57/4, S. 196-203
David Klahr
Markus
Hammann
Chambers, D.W. (1983). "Stereotypic Images of the Scientist: The Draw a Scientist Test". Science Education 67 (2): 255–265.
-Mann
-Weißer Kittel
- Bart, ungekämmmt
- Umgeben von Laborgeräten
- Nur seine Arbeit im Kopf
- Weiß nichts vom Rest der Welt
- Kompetent auf seinem Gebiet
Bilder von Wissenschaftlern
Er stellt gefährliche und überraschende Experimente an, verfolgt aber nicht unbedingt explizite Ziele.
Er testet und erklärt Phänomene nach Art
eines Arztes oder Lehrers.
Er stellt technische Artefakte her, prüft
und verbessert sie zum Wohle Aller.
Er brütet neue Ideen aus und testet sie,
indem er passende Experimente anstellt
und nachprüft eintreffen.
Diese verschiedenen Stereotype kann man in der untersuchten Altersklasse von 9-14-jährigen Schülern und Schülerinnen alle antreffen. Die jüngeren vertreten allerdings schwerpunkthaft den 2. Typus der hilfreichen Autorität.
Wissenschaftler und Ihre Motivation
Wissenschaftler denken IMMER logisch-methodisch und analytisch. Sie sind unvoreingenommen in allen Lebensbereichen.
In der Alltagswelt verhalten sich Wissenschaftler nicht besser als andere Menschen auch.
Wissenschaftler sind ehrenhaftere und objektivere Menschen als Nichtwissenschaftler.
Ryan, 1987
"There is really no thinking involved."
Hughes-McDonell (1996, 23)
(Schüler zu Experimenten in seinem Physikunterricht)
v
Experimente beantworten dann eine Frage, wenn der Experimentator die Frage – wenigstens teilweise – selbst formuliert hat.
Das Experiment als Frage an die Natur
Ohne die inhaltliche Einbindung in die Problemstellung schult das Experiment höchstens die manuelle Geschicklichkeit im Umgang mit Apparaten und die Fähigkeit, Arbeitsanweisungen sequentiell abzuarbeiten.
Hand on - minds of?
4
(Kochrezeptartig abgearbeitete) Experimente regen weder das Interesse an noch wird das Verständnis tragfähig gefördert.
Rezept oder Problem?
Wie sieht ein Naturwissenschaftler aus?
Erstellen Sie einen mithilfe der zur Verfügung gestellten Materialien einen Ihrer Meinung nach adäquaten Versuchsaufbau.

Sie müssen nicht alle Materialien verwenden.
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