Vortrag Prof. Dr. Ralf Schumacher - Schulentwicklung in Bayern

Die Förderung schulischen Lernens mit kognitiv
aktivierenden Lernformen
Ralph Schumacher
MINT-Lernzentrum, ETH Zürich

• Hans baute ein Boot.
• Urs liess einen Drachen steigen.
• Lutz ass einen Apfel.
• Beat ging über das Dach.
• Jochen versteckte ein Ei.
• Dominik setzte das Segel.
• Peter schrieb ein Drama.
• Viktor drückte den Schalter.
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• Wer ass einen Apfel?
• Wer versteckte ein Ei?
• Wer liess einen Drachen steigen?
• Wer ging über das Dach?
• Wer drückte den Schalter?
• Wer setzte das Segel?
• Wer baute ein Boot?
• Wer schrieb das Drama?
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• Noah baute ein Boot.
• Benjamin Franklin liess einen Drachen steigen.
• Adam ass einen Apfel.
• Der Weihnachtsmann ging über das Dach.
• Der Osterhase versteckte ein Ei.
• Christoph Kolumbus setzte das Segel.
• William Shakespeare schrieb ein Drama.
• Thomas Edison drückte den Schalter.
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• Wer ass einen Apfel?
• Wer versteckte ein Ei?
• Wer liess einen Drachen steigen?
• Wer ging über das Dach?
• Wer drückte den Schalter?
• Wer setzte das Segel?
• Wer baute ein Boot?
• Wer schrieb das Drama?
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Was heisst es, ein naturwissenschaftliches Konzept
verstanden zu haben?
• Man kann es beschreiben und an Beispielen erläutern.
• Man kann es unter Bezug auf andere naturwissenschaftliche
Konzepte erklären.
• Man kann es auf oberflächlich unterschiedliche Fälle
übertragen.

Ein Beispiel: Die goldene Regel der Mechanik
• Benutzt man eine einfache Maschine wie den Hebel oder
die schiefe Ebene als Kraft sparende Maschine, dann
muss man am Weg zusetzen, was an Kraft eingespart wird.
• Benutzt man eine einfache Maschine hingegen als Weg
sparende Maschine, dann muss man an Kraft zusetzen,
was am Weg eingespart wird.

Erklärung unter Bezug auf naturwissenschaftliche
Konzepte
• Erklärung der goldenen Regel der Mechanik unter Bezug
auf den mechanischen Begriff der Arbeit:
• Die mechanische Arbeit W ist gleich dem Produkt aus
dem Betrag F der Kraft und dem Betrag s des Weges.
• W = F . s
• Das Produkt aus Kraft und Weg – also die Arbeit - bleibt
bei kraft- und wegsparenden Maschinen gleich.

Wissenstransfer: Anwendung des Wissens auf andere Fälle
• Beispiele: Flaschenzug, hydraulische Presse, Unter- bzw.
Übersetzungen bei Zahnrädern, Schraube

Intelligentes Wissen als Lernziel
• Flexibel einsetzbares Wissen, das den Transfer des
Gelernten auf neue Fälle ermöglicht
• Intelligente Wissensorganisation nach problemlösungsrelevanten
Kriterien (anstatt nach Oberflächenmerkmalen)
• Abstraktes Begriffswissen (z.B. physikalischer Kraftbegriff
anstelle der Alltagsvorstellung von Anstrengung)
• Vielfältige relevante Wissensbezüge z.B. zu technischen
Realisierungen naturwissenschaftlicher Prinzipien

Die Bedeutung des Begriffswissens
für den Wissenstransfer
• Beispiel: der Doppler-Effekt bei Schall und Licht
• Voraussetzung für den Wissenstransfer: Das Wissen,
dass es sich bei Schall und Licht um Wellen handelt.

Wie lässt sich der Erwerb intelligenten
Wissens fördern?
• Ziel: die Organisation des Wissens nach problemlösungsrelevanten
Kriterien
• Umgestaltung von Begriffswissen: von Oberflächenmerkmalen
zu abstrakten Merkmalen
• Umgang mit geistigen Werkzeugen (Graphen, Formeln, etc.)
• Herstellung von Wissensbezügen (z.B. zur Technik)
• Nutzung anschlussfähiger und nicht-anschlussfähiger
Schülervorstellungen (produktiver Umgang mit Fehlern)

Die Bedeutung des Wissens für das Lernen: Wie wird neue
Information in bestehendes Wissen integriert?
Um die Wissensvermittlung im Unterricht optimal gestalten zu können, müssen
Lehrpersonen Folgendes wissen:
• (1) Welche Anforderungen an das Vorwissen der Lernenden sind mit
bestimmten Lernzielen verbunden (Konzepte, Organisation der
Wissensbasis)?
• (2) Wie ist das Vorwissen der Lernenden tatsächlich beschaffen? Welche
Missverständnisse und Fehler sind zu erwarten, wenn sie mit diesem Wissen
bestimmte Aufgaben zu bewältigen versuchen?
• (3) Worin besteht das Lernziel? Wie sollte die Organisation der Wissensbasis
nach Erreichen des Lernziels beschaffen sein?

Die Balkenwaage als
Repräsentationswerkzeug
• Hardy, I., Schneider, M., Jonen, A., Stern, E., & Möller, K.
(2005). Fostering Diagrammatic Reasoning in Science
Education. Swiss Journal of Psychology, 64 (3), 207 –
217.
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• Versuchspersonen: 100 Drittklässler (Durchschnittsalter: 8
Jahre)
• Schwierigkeit der Schüler mit dem Konzept der Dichte
• Volumen und Masse werden von ihnen noch nicht als zwei
verschiedene Eigenschaften berücksichtigt
• Hypothese: Die Balkenwaage unterstützt als Repräsentationswerkzeug
den Wissenstransfer im Umgang mit linearen
Graphen, weil sie den Schülern hilft, verschiedene physikalische
Größen wie Masse und Volumen unabhängig voneinander
zu repräsentieren.
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(Geheimmaterial: Größe 2, Gewicht 400)
Wird das Geheimmaterial sinken oder schwimmen?
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Kognitiv aktivierende Lernformen unterstützen den
Aufbau intelligenten Wissens
(1) Einführung in neue Themen mit Phänomenen, die die
Schülerinnen und Schüler selber noch nicht erklären
können
(2) Anleitungen zur Bildung von Selbsterklärungen
(3) Metakognitive Fragen
(4) Anleitungen zum forschenden Lernen

Beispiel 1: Das umgedrehte Wasserglas
Lernziel: Die Schülerinnen und Schüler sollen
verstehen, dass die Luft auf die Körper, die sie
umgibt, einen Druck ausübt.
Beispiel 2: Die Verteilung des
Drucks auf einen Luftballon im
Wasser
Lernziel: Der Druck wirkt stets
senkrecht auf die Gefässwände, die
das Gas oder die Flüssigkeit umgeben.

Beispiel 3: Das Wechselwirkungsgesetz (actio
= reactio)
1. Schritt
2. Schritt

Wie wirkt sich die Konfrontation mit Phänomenen, die die
Schülerinnen und Schüler selber noch nicht erklären
können, auf die kognitive Aktivierung aus?
• Einsicht in eigene Wissenslücken bzw. Verständnisdefizite
• größeres Interesse am Lernstoff
• höhere Aufmerksamkeit
• bessere Lernmotivation

Anleitungen zur Bildung von Selbsterklärungen
Bei Selbsterklärungen handelt es sich um Erklärungen,
die man für sich selber entwickelt, um sich einen
Sachverhalt verständlich zu machen.
Wie erkläre ich
den Unterschied
zwischen Kraft
und Impuls?
Selbsterklärungen sind für die
Konstruktion von Wissen
sowie für die Integration
neuer Informationen in das
bereits vorhandene Vorwissen
von zentraler Bedeutung.

Selbsterklärungs-Effekt:
Zwischen dem Lernerfolg und der Anzahl der spontan
gebildeten Selbsterklärungen besteht ein positiver
Zusammenhang.
Je größer die Anzahl der Selbsterklärungen, desto
größer der Lernerfolg.
Dieser Effekt wird durch eine ganze Reihe von Untersuchungen
belegt (Chi et al. 1989, Pirolli & Recker 1994,
Nathan et al. 1994, etc.).

Wirksamkeit von Selbsterklärungs-Trainings
Studien von Berthold 2007, Chi 2000, Schworm & Renkl
2007, Siegler 2002
Experimentelle Studie von Chi et al. (1994) zur Förderung
des Textverstehens durch aufgeforderte Selbsterklärungen
Ziel der Studie: Es soll gezeigt werden, dass das Verstehen
von Texten durch aufgeforderte Selbsterklärungen gefördert
und vertieft werden kann.
Teilnehmer: 24 Schüler im achten Schuljahr
(Durchschnittsalter: 14 Jahre)

Versuchsgruppe: 14 Schüler wurden aufgefordert, beim
Lesen eines Textes über den menschlichen Blutkreislauf
nach jedem Satz eine Selbsterklärung zu bilden
Kontrollgruppe: 10 Schüler haben den Text zweimal
gelesen, wurden aber nicht aufgefordert, Selbsterklärungen
zu bilden
Kriterien: bei allen Schülern wurde das Wissen über den
menschlichen Blutkreislauf vor und nach dem Lesen des
Textes getestet

Ergebnisse: Die Schüler in der Versuchsgruppe hatten
einen signifikant größeren Wissenszuwachs vom Vor- zum
Nach-Test als die Schüler in der Kontrollgruppe.
Zudem förderten die Selbsterklärungen die Vertiefung des
Verständnisses. Dies zeigte sich daran, dass die Schüler
mit vielen Selbsterklärungen komplexere Fragen beantworten
konnten als die Schüler mit wenigen Selbsterklärungen.

Gründe für die positiven Wirkungen von Selbsterklärungen:
(1) Reflexion und Kontrolle der eigenen Lernfortschritte
(weniger Verstehensillusionen)
(2) gezielte Integration neuer Informationen in das bereits
bestehende Vorwissen
(3) Konstruktion bereichsspezifischer Prinzipien, die für das
Problemlösen wichtig sind
(4) gezielte Aktivierung korrekter und Unterdrückung
inkorrekter Lösungsstrategien

Einsatzbereiche von Selbsterklärungen
• Förderung des konzeptuellen Verstehens
• Produktiver Umgang mit Fehlern und Misskonzepten
• Herstellung von Wissensbezügen / Organisation des
Wissens
• Kontrastierungen

(1) Selbsterklärungen von Konzepten, Zusammenhängen
und Lösungswegen
Grundidee:
- gezielte Vergegenwärtigung zentraler Konzepte,
Zusammenhänge und Lösungswege
- Förderung des konzeptuellen Verstehens
Beispiel:
„Erklären Sie, warum das Wasser aus dem umgedrehten
Wasserglas, das mit der Postkarte abgedeckt ist, nicht
herauslaufen kann. Warum fällt die Postkarte nicht einfach
herunter?“

„Erklären Sie, wie es möglich ist, dass bei einer
hydraulischen Presse mit einem kleinen Pumpkolben bei
einem großen Presskolben eine große Kraft erzeugt
wird“.

(2) Selbsterklärungen zur gezielten Integration neuer
Informationen in das Vorwissen
Grundidee: Aktivierung des Vorwissens zur besseren
Anbindung der neuen Informationen
„Gase wie z.B. Luft sind komprimierbar. Nennen Sie eine
technische Anwendung, bei der dies eine Rolle spielt.
Erklären Sie, warum die Komprimierbarkeit von Gasen für
diese technische Anwendung besonders wichtig ist.“

(2) Selbsterklärungen zur gezielten Integration neuer
Informationen in das Vorwissen
„Flüssigkeiten wie z.B. Wasser sind nicht komprimierbar.
Nennen Sie eine technische Anwendung, bei der dies eine
Rolle spielt. Erklären Sie, warum die Nicht-Komprimierbarkeit
von Flüssigkeiten für diese technische Anwendung
besonders wichtig ist.“

(3) Selbsterklärungen von nahe liegenden Fehlern und
Misskonzepten
Grundidee:
Falsche Konzepte und Lösungsstrategien werden bewusst als
inkorrekt vergegenwärtigt. Man repräsentiert einen Fehler als
Fehler.
Muster:
„Jemand glaubt, dass X und Y der Fall ist. Das ist nicht richtig.
Erklären Sie, warum dies falsch ist.“

Beispiel: Erstes Newtonsches Axiom
Ein Körper verharrt im Zustand der
Ruhe oder der gleichförmig geradlinigen
Bewegung, sofern er nicht durch
einwirkende Kräfte zur Änderung
seines Zustandes gezwungen wird.
Alltagsvorstellungen:
(1) Ruhe und Bewegung werden als
wesensmäßig verschieden angesehen.
(2) Zum Aufrechterhalten einer
Bewegung bedarf es immer
einer Kraft.

Produktiver Umgang mit Fehlern und Misskonzepten
• Jede Unterrichtseinheit enthält eine Liste von gängigen
Alltagsvorstellungen und Misskonzepten, die die
Schülerinnen und Schüler in Bezug auf das Unterrichtsthema
haben könnten.
• Nutzung:
-Thematisierung im Unterricht
-Behandlung im Rahmen von Selbsterklärungs-
Aufträgen

(4) Selbsterklärungen mit Kontrastierungen
Grundidee: Durch die Kontrastierung werden die wichtigsten
Merkmale eines Konzepts / Zusammenhangs noch einmal
besonders herausgehoben und vergegenwärtigt.
„Erklären Sie, warum eine Kreisbewegung mit konstanter
Winkelgeschwindigkeit nicht eine gleichförmige, sondern
eine beschleunigte Bewegung ist.“

(4) Selbsterklärungen mit Kontrastierungen
Bei einem Newtonschen
Pendel werden die Metallkugeln
durch Kugeln aus
Knetmasse ersetzt.
Anschliessend werden die
vier hängenden Kugeln mit
einer Kugel angestossen.
Erklären Sie, warum es sich
dabei nicht um einen
elastischen Stoss handelt.
Newtonsches Pendel

(5) Selbsterklärungen mit Perspektivübernahme
Grundidee: gezielte Vergegenwärtigung der zentralen
Konzepte und Zusammenhänge beim Überlegen, wie man
jemandem etwas erklärt.
Wie würden Sie jemandem,
der Ihr physikalisches Wissen
nicht besitzt, erklären, warum
sich der Luftballon in der PET-
Flasche nicht aufblasen lässt,
solange der Finger das Loch in
Der Flasche verschliesst? Welcher
Punkt ist für das Verständnis
besonders wichtig?

Anleitungen zur Bildung von Selbsterklärungen
(5) Selbsterklärungen mit Perspektivübernahme
„Wie würden Sie jemandem, der Ihr physikalisches Wissen
nicht besitzt, erklären, warum die Wasserstrahlen bei der
unten gezeigten Figur stets senkrecht zur Gefässoberfläche
austreten?“

Metakognitive Fragen
Anleitung zur Reflexion über die eigenen Lernprozesse:
1) Kontrolle der eigenen Lernfortschritte
2) selbständiges Aufdecken von Verstehensillusionen
3) gezielte Gestaltung der eigenen Wissensorganisation

„Ich habe noch nicht
verstanden, warum die
Zentrifugalkraft eine
„Scheinkraft“ sein soll.“

Experimentelle Studie von Mevarech & Kramarski (2003)
Ziel der Studie:
(1) Untersuchung der Wirkungen eines metakognitiven
Trainings und des Lernens mit ausgearbeiteten Beispielen
auf das mathematische Denken und die mathematischen
Leistungen (Algebra)
(2) Untersuchung der langfristigen Wirkungen beider Trainings
auf die Mathematikleistungen

Teilnehmer: 122 Schüler im achten Schuljahr (Durchschnittsalter:
14 Jahre)
Versuchsgruppe: metakognitives Training (IMPROVE)
(Verständnis-, Verknüpfungs-, Strategie- u. Reflexionsfragen)
Kontrollgruppe: Lernen mit ausgearbeiteten Beispielen
In beiden Gruppen arbeiteten die Schüler in Kleingruppen
von je vier Personen zusammen.
Tests: Vortest, unmittelbarer Nachtest, sowie ein Nachtest
ein Jahr später; Kriterien: sprachliche Erklärungen, mathematische
Repräsentationen und Mathematikleistungen

Ergebnisse: Die Schüler aus der Versuchsgruppe zeigten in
beiden Nachtests deutlich größere Lernfortschritte als die
Schüler aus der Kontrollgruppe.
Die Unterschiede in den Lernfortschritten zeigten sich sowohl
bei den Mathematikleistungen als auch bei der Fähigkeit, die
eigenen Überlegungen mündlich und schriftlich zu erklären.
Studie von Mevarech & Fridkin (2006): Vergleichbare Effekte
eines metakognitiven Trainings auch bei Studierenden

Metakognitive Fragen:
• Verständnis (positiv): „Welche zentralen Inhalte haben Sie
richtig gut verstanden? Erklären Sie die betreffenden Begriffe
und Zusammenhänge.“
• Verständnis (negativ): „Welche zentralen Inhalte haben Sie
noch nicht verstanden? Und welche Möglichkeiten gibt es, die
Ihnen helfen könnten, diese Punkte besser zu verstehen? /
Was könnten Sie tun, um diese Verständnisschwierigkeiten
zu beseitigen?“
• Vertiefung: „Welche Inhalte haben Sie besonders
interessiert, und worüber möchten Sie noch mehr erfahren?“

Instruktionen zur Anleitung forschenden Lernens
(I) Die Entwicklung einer Fragestellung:
Der erste Schritt besteht darin, eine sinnvolle und interessante
Fragestellung zu finden, die sich anhand eines Experiments
beantworten lässt.
Dabei müssen die folgenden Punkte beachtet werden:
-sinnvoll / theoriegeleitet
-nicht trivial / gute Gründe für verschiedene Erwartungen
-konkret

• Fragestellung:
• Was treibt den Rotor in der Lichtmühle an – und in
welche Richtung dreht sich daher das Flügelrad?

• (II) Die Herleitung von Hypothesen:
• Der zweite Schritt besteht darin, ausgehend von der Fragestellung
und den verschiedenen Positionen unterschiedliche
Hypothesen zu entwickeln, die anschließend im dritten
Schritt durch ein geeignetes Experiment überprüft werden
können.
• Beim Herleiten der Hypothesen müssen die folgenden
Punkte beachtet werden:
-gehaltvoll und konkret
-klarer Zusammenhang zur Theorie
-konkurrierende Hypothesen, die durch ein Experiment
geprüft werden können

• Hypothese: Photonendruck / Impuls der Lichtquanten,
Drehung in Richtung der schwarzen Seiten
• Gegenhypothese: Thermischer Effekt, Drehung in Richtung
der glänzenden Seiten

Instruktionen zur Anleitung forschenden Lernens
• (III) Die Planung und Durchführung eines geeigneten
Experiments:
• Im dritten Arbeitsschritt wird ein Experiment konstruiert und
durchgeführt, das geeignet ist, eine Entscheidung zwischen
den konkurrierenden Hypothesen herbeizuführen. Bei diesem
Arbeitsschritt müssen vor allem die folgenden Punkte
beachtet werden:
-realisierbar
-Passung Experiment / Hypothesen
-Kontrolle der relevanten Faktoren

• Planung und Durchführung eines Experiments:
• Die Lichtmühle wird mit dem weissen Licht einer 500 W
Halogenlampe beleuchtet. Das Flügelrad beginnt sich zu
drehen – und zwar in Richtung der glänzenden Seiten.
• Führt man das Experiment hingegen bei tiefen
Temperaturen durch, indem man die Lichtmühle z.B. in
ein Gefäss mit kaltem Wasser stellt, findet eine
Umkehrung der Drehrichtung statt.

Instruktionen zur Anleitung forschenden Lernens
• (IV) Beobachtung:
• Im Anschluss an die Durchführung des Experiments muss
genau protokolliert werden, welche Phänomene sich als
Wirkungen des Experiments beobachten lassen. Dabei sollte
auf die folgenden Punkte geachtet werden:
-Sorgfalt beim Protokollieren
-Beobachtungen sind theoriegeleitet

• Beobachtung:
• Protokollierung des Zusammenhangs zwischen Temperatur
und Drehrichtung der Lichtmühle
warm
kalt

Instruktionen zur Anleitung forschenden Lernens
• (V) Interpretation:
• Im letzten Schritt werden die beobachteten Resultate interpretiert
und in ein theoretisches Modell integriert. Hierbei sind
die folgenden Punkte zu beachten:
Fall 1: Die Resultate stimmen mit der eigenen Hypothese
überein. (Erklärungswert?)
Fall 2: Die Resultate stimmen mit der eigenen Hypothese
nicht überein. (falsche Hypothese oder schlechte Durchführung
des Experiments?)

• Interpretation:
• Möglicherweise spielen beide Effekte eine Rolle: Der
thermische Effekt überwiegt vielleicht bei höheren
Temperaturen und der Photonendruck bei tieferen.
• Frage nach alternativen Erklärungen für die Umkehr der
Drehrichtung bei Abkühlung: stärkere Abkühlung der
schwarzen Seiten
• Fragen für weiterführende Experimente:
-Einfluss der Luftmenge in der Lichtmühle
-Einfluss verschiedener Lichtarten (UV-Licht oder
Infrarotstrahlung)

Die Förderung Forschenden Lernens in Kleingruppen
• I. Wahser & E. Sumfleth (2008). Training experimenteller
Arbeitsweisen zur Unterstützung kooperativer
Kleingruppenarbeit im Fach Chemie. Zeitschrift für Didaktik
der Naturwissenschaften
• M. Walpuski & E. Sumfleth (2007). Strukturierungshilfen und
Feedback zur Unterstützung experimenteller
Kleingruppenarbeit im Chemieunterricht. Zeitschrift für
Didaktik der Naturwissenschaften

Kognitiv aktivierende Lernformen als
zentrale Bestandteile jeder MINT-Unterrichtseinheit
• Übungen zum Umgang mit geistigen Werkzeugen (z.B.
Graphen)
• Aus der Sicht der Schülerinnen und Schüler nicht-erklärbare
Phänomene
• Anleitungen zur Bildung von Selbsterklärungen
• Metakognitive Fragen
• Anleitungen zum forschenden Lernen
• Inhaltlich abgestimmte Prä- und Post-Tests

Webseiten
• MINT-Lernzentrum:
www.educ.ethz.ch/mint/index
• Forschungsliteratur:
www.educ.ethz.ch/ll/sl/index
Username: Lernifv
Password: Lern.1!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!