Die Balkenwaage als geistiges Werkzeug beim Verstehen des Konzepts des Dichte (Hardy et al. 2005)

In der psychologischen und pädagogischen Lehr- und Lernforschung wurden in den letzten drei Jahrzehnten Erkenntnisse gewonnen, aus denen sich wichtige Weichenstellungen für das schulische Lernen ergeben haben. Die Didaktik für die einzelnen Schulfächer wurde von dieser Entwicklung beeinflusst. Inzwischen wurde die so genannte Stoffdidaktik, die sich mit der Frage befasst, welche Inhalte eines wissenschaftlichen Fachgebietes zu welchem Zeitpunkt im Schulunterricht behandelt werden sollen, ergänzt durch die lernforschungsorientierte Didaktik, die sich insbesondere mit den Problemen der Schülerinnen und Schüler beim Erlernen der komplexen Inhalte befasst und empirisch ausgerichtet ist. Eine grosse Zahl von Untersuchungen zu Inhalten aus den Fächern Mathematik, Physik und Chemie liegt bereits vor. Im Folgenden wird eine Reihe von grundlegenden Befunden der Lernforschung - geordnet nach vier Schwerpunkten - dargestellt und es werden Massnahmen zur Verbesserung des schulischen Unterrichts angesprochen, die im MINT-Lernzentrum besondere Berücksichtigung finden sollen.

• Erfolgreiches Lernen zeigt sich im Aufbau von Begriffs-, Fakten- und Handlungswissen in einem Gebiet. Die richtige Integration dieser drei Wissensarten ist der Schlüssel zum Können. Während Handlungs- und Faktenwissen durch wiederholte Ausführung und Rückmeldung optimiert werden können, ist der Aufbau eines intelligenten Begriffsnetzwerkes ungleich komplexer und erfordert die aktive Umstrukturierung der Wissensorganisation (Stern, 2006).

Die Umstrukturierung des Begriffswissens: Die Klassifikation von Tieren nach der Art und Weise ihrer Fortpflanzung statt nach ihrem Lebensraum

• Beim Aufbau von Begriffswissen lassen sich Kinder zunächst vorwiegend von der Wahrnehmung leiten und klassifizieren Gegenstände häufig anhand von charakteristischen Oberflächenmerkmalen. Zum Beispiel klassifizieren sie Tiere anhand ihres Lebensraums, anstatt nach der Art und Weise ihrer Fortpflanzung, und rechnen daher auch Wale zu den Fischen. Die Umstrukturierung des Begriffswissens konzentriert sich deshalb darauf, Begriffe nicht länger durch solche Oberflächenmerkmale, sondern durch theoriegeleitete definitorische Merkmale zu bestimmen. Insbesondere im mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich sowie in den technischen Fächern liegen die Ursachen für Defizite vor allem in fehlendem oder falschem Begriffswissen. Beispielsweise werden naturwissenschaftliche Begriffe wie Kraft oder Trägheit häufig nicht hinreichend aus dem Alltagskontext gelöst (Chi, 2005).

• Automatisiertes Handlungswissen hilft bei der Vertiefung von Verstehensprozessen, weil diese freie geistige Kapazitäten voraussetzen. Wenn man zum Beispiel die binomischen Formeln nicht nur rekonstruieren kann, sondern sie auch auswendig weiß, kann dies beim Auflösen einer komplexen Gleichung hilfreich sein, weil man auf einen Blick erkennt, wo man etwas vereinfachen kann. Das Einüben von Lösungsstrategien führt zur Automatisierung und damit zur Freisetzung geistiger Kapazitäten. Allerdings sollte mit der Einübung von Lösungsstrategien (zum Erlangen von Ausführungssicherheit) erst begonnen wird, wenn ein grundlegendes Verständnis der beteiligten Konzepte auch tatsächlich gegeben ist (Siegler & Stern, 1998).  

• Wie also kann verstehendes Lernen gefördert werden? Schwierige und abstrakte wissenschaftliche Begriffe müssen langfristig aufgebaut werden. Deshalb müssen Schülerinnen und Schüler über einen längeren Zeitraum immer wieder mit Aufgaben und Aufträgen konfrontiert werden, die zur Konstruktion von Begriffswissen beitragen. Aus diesem Grund sollte ein schulübergreifendes Spiralcurriculum zu zentralen Themengebieten des naturwissenschaftlichen Unterrichts  entwickelt werden. 

Intelligentes Wissen als Voraussetzung schulischer Leistungen

• Wie schnell und effizient man etwas Neues lernt, hängt in erster Linie vom Vorwissen ab – und nicht etwa vom Alter oder der Intelligenz. Intelligenzunterschiede, die zu einem nicht geringen Teil genetisch bestimmt sind, bestimmen allerdings Geschwindigkeit und Tiefe des Lernens. Aber es gilt: Nur wenn Intelligenz in den Aufbau einer gut organisierten Wissensbasis investiert wurde, lassen sich die Vorsprünge auch nutzen (Grabner, Neubauer & Stern, 2007).
  
• Aufgrund der überragenden Bedeutung des Vorwissens für den Lernerfolg insbesondere in komplexen und schwierigen Gebieten muss ein so genanntes Spiralcurriculum angestrebt werden. Dies bedeutet, dass die gleichen Inhaltsbereiche in den verschiedenen Jahrgangsstufen wiederholt auf verschiedenen Anspruchsniveaus behandelt werden. Die Effekte von guter Elementar- und Primarschulbildung sind stets bereichsspezifisch. Aus diesem Grund sollte der Erwerb einer breit angelegten Basis von anschlussfähigem und übertragbarem Wissen, das nach problemlösungsrelevanten Kriterien organisiert ist, im Mittelpunkt stehen (Stern, 2006).
  

• Geistige Repräsentationswerkzeuge wie Diagramme, Graphen und mathematische sowie chemische Formeln erleichtern es, Gemeinsamkeiten zwischen verschiedenen Phänomenen und Aufgabenstellungen zu erkennen. Die Einübung der flexiblen Darstellung von Wissen in solchen verschiedenen Symbolsystemen ist daher eine wichtige Voraussetzung für die Übertragung des Gelernten auf neue Fälle (Stern, Aprea, Ebner, 2003; Hardy et al., 2006; White, 1993; White & Frederiksen, 1998, 2005).
  
  
  

  Geistige Werkzeuge wie lineare Graphen erleichtern es, Gemeinsamkeiten zwischen verschiedenen Aufgabenstellungen zu erkennen.

• Eine weitere wichtige Lernvoraussetzung ist das Wissen der Lernenden darüber, wie ihr eigenes Lernen funktioniert. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Überzeugungen über das eigene Lernen und über die eigene Lernfähigkeit einen bedeutenden Einfluss auf die Lernleistungen haben. Wer also weiß, wie Lernprozesse tatsächlich ablaufen und welche geistigen Anforderungen mit ihnen verbunden sind, der wird auch besser in der Lage sein, Lerntrainings umzusetzen als jemand, der unrealistische Ansichten über das Lernen hat. Ein Beispiel für die Bedeutung solcher Überzeugungen für die Lernleistungen besteht in den Überzeugungen über die Veränderbarkeit der eigenen Lernfähigkeit: Wer glaubt, dass seine Lernfähigkeit von Geburt an festgelegt ist, der wird die Lösung von schwierigen Aufgaben weniger hartnäckig verfolgen und bei Problemen eher aufgeben als jemand, der sich sagt, dass seine Leistungen in erster Linie von seinem Arbeitseinsatz und Übungsaufwand abhängen (Duckworth & Seligman, 2005).

• Wie können also Lernvoraussetzungen der Schülerinnen und Schüler von Lehrpersonen besser genutzt werden? Da Unterricht umso lernwirksamer ist, je besser die von der Lehrperson initiierten Aktivitäten auf das Vorwissen der Lernenden abgestimmt sind, müssen Lehrpersonen bei der Diagnose von Schülerwissen unterstützt werden. Schülerinnen und Schüler gezielt auf den zu lernenden Inhalt abgestimmte Lernjournale führen zu lassen, hat sich – wie viele Untersuchungen belegen - als eine Methode bewährt, die Lehrenden und Lernenden hilft, ihre Diskrepanzen besser zu verstehen und ihr Wissen aufeinander abzustimmen.  

• Die effiziente und nachhaltige Vermittlung von Begriffswissen erfordert die Einbettung in grössere Erklärungszusammenhänge und wird unterstützt durch eine Anbindung an die Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler. Abstrakte wissenschaftliche Begriffe können von Lernenden nur dann auf sinnvolle Weise übernommen werden, wenn deren Erklärungswert verstanden wird. Mit Fragen, die sich auf die Erfahrungswelt der Lernenden beziehen, für die diese aber noch keine befriedigende Antwort haben, lässt sich die Lernbereitschaft nachweislich verbessern.
  
  Werden Lernende zum Beispiel mit der Frage konfrontiert, warum ein Schiff aus Stahl im Wasser schwimmt, während ein kleines Stück Stahl untergeht, können Konzepte wie Dichte und Auftrieb besser verortet werden, als wenn sie als Definitionswissen vorgegeben werden. Dass es unterschiedliche Arten von zwischenmolekularen Kräften gibt, können Lernende einsehen, wenn sie daran erinnert werden, dass einmal erhitzter Zucker auch nach der Abkühlung nicht mehr seine ursprünglichen Farb- und Formeigenschaften zurück gewinnt, während dies bei anderen Stoffen durchaus der Fall ist. Die Notwendigkeit, Begriffswissen in dem Erfahrungskontext der Lernenden zu verankern darf aber nicht – wie es häufig im Schulunterricht geschieht – mit einem Zugeständnis an die Schülerinteressen verwechselt werden. Themen und Fragestellungen nur deshalb auszuwählen, weil sie der Alltagswelt und den Interessen der Schüler entsprechen, und nicht weil sie auf einen wissenschaftlichen Begriff ausgerichtet sind, ist kontraproduktiv. Es wird ein Strohfeuer an Motivation erzeugt, das schnell erlischt, wenn erkannt wird dass die gestellten Fragen entweder nicht beantwortet werden können, weil die Wissenschaft noch keine Erklärung hat, oder weil die Erklärung Begriffswissen voraussetzt, das für die Lernenden noch zu anspruchsvoll ist. (Hardy et al., 2006).
  
  Bei der Verankerung im Erfahrungskontext der Lernenden geht es also nicht darum, den pragmatischen Wert des Wissens zu verdeutlichen („Was bringt mir das?“), sondern einen intellektuellen Anreiz zu schaffen, das vorliegende Wissen so zu erweitern und zu verändern, dass vertraute Phänomene erklärt werden können. Fragen nach der Funktionsweise von einfachen technischen Geräten, die den Lernenden vertraut sind, eignen sich im Allgemeinen gut als Einstieg in einen Unterricht, der auf den Erwerb abstrakter wissenschaftlicher Begriffe abzielt. Die Lernwirksamkeit des naturwissenschaftlichen Unterrichts kann also erhöht werden, wenn Lehrpersonen über ein Repertoire an Beispielfragen verfügen, die direkt auf abstraktes wissenschaftliches Begriffswissen abzielen. Ist das Begriffswissen erst einmal etabliert, kann es auch für das Verständnis komplexerer technischer Zusammenhänge herangezogen werden (Chi, 2006).
  
  
  

  Das Ausführen von Experimenten durch die Schülerinnen und Schüler muss durch geeignete Instruktionen angeleitet werden, um lernwirksam zu werden.

• Naturwissenschaftliche Erkenntnisse basieren im Wesentlichen auf experimenteller Forschung, und deshalb spielen Experimente im Schulunterricht eine wichtige Rolle. Forschendes und entdeckendes Lernen ist auch vereinbar mit der Vorstellung von Lernen als der Konstruktion von verständnisorientiertem Wissen.
  Lernwirksamer Unterricht ist lehrergesteuert, aber schülerzentriert. Das heißt zum Beispiel, dass es für die Wissensvermittlung im Unterricht unter bestimmten Bedingungen weitaus effizienter sein kann, wenn ein Experiment von einer Lehrperson vorgeführt und erläutert wird, als wenn die Schülerinnen und Schüler selber das Experiment zeitaufwändig ausführen. Das Ausführen von Experimenten durch die Schülerinnen und Schüler führt nämlich im Allgemeinen nur dann zu aktiver Wissenskonstruktion, wenn sie durch klare und auf den jeweiligen Inhalt abgestimmte Instruktionen dazu angeleitet werden, über ihr Verständnis und ihre Lernfortschritte zu reflektieren (Berthold, Nückles & Renkl, 2007; Chi, Lewis, Reimann & Glaser, 1989; Koch, 2001, Mevarech & Kramarski, 1997, 2007, Mevarech & Fridkin, 2006, Schwonke et al., 2005; Schworm & Renkl, 2007).
  
  
  Natürlich soll nicht das gesamte forschende und handelnde Lernen aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht verbannt werden. Manche Erlebnisse und Aktivitäten sind für das Verständnis unabdingbar. Aber es muss gut durchdacht und begründet werden, für welche Experimente, Hands-on-Erfahrungen und Entdeckungen in einem Inhaltsbereich ein grösseres Kontingent an Unterrichtszeit zur Verfügung gestellt werden sollte und in welchen Fällen lehrergesteuerte Aktivitäten ausreichen. 
  
  Allerdings steht in der Schule nur ein Bruchteil der Zeit zur Verfügung wie in der realen Forschung, weshalb die Forschungsgeschichte nicht einfach in die Schule übertragen werden kann. Die Frage, welche Experimente und Demonstrationen die Schüler selbst durchführen sollten, und wo Demonstrationen und Erklärungen ausreichen, ist inzwischen ein Kernthema der empirischen Lehr- und Lernforschung. Tatsächlich häufen sich Ergebnisse, wonach die Bedeutung von entdeckendem Lernen und von Experimentieren im naturwissenschaftlichen Unterricht überschätzt wird. Das betrifft gerade auch ausserschulische Lernorte wie beispielsweise Schülerlabore, deren Lernwirksamkeit nicht selten hinter den Erwartungen zurückbleibt (Brandtl, Moller, & Kohse-Hoinghaus, 2008; Glowinski, 2007)
  

• Die Lehrpersonen regen die Schülerinnen und Schüler zu lernwirksamen Aktivitäten beim Umgang mit Aufgaben an. Dazu zählen neben Instruktionen zur Bildung von systematischen Vergleichen durch das Herstellen von Analogien und Beispielen vor allem Trainingsmethoden, die der Förderung selbständigen Lernens dienen, wie zum Beispiel das Führen von Lerntagebüchern, metakognitive Trainings und Anleitungen zur Bildung von Selbsterklärungen. Zudem haben Untersuchungen gezeigt, dass sich das Verständnis von Konzepten und Lösungsstrategien durch die aktive Auseinandersetzung mit Fehlern vertiefen lässt (Siegler, 2002).

• Wie können Lehrpersonen also bei der Optimierung ihres Unterrichts unterstützt werden? Lehrpersonen sollten für zentrale Themengebiete des schulischen Unterrichts auf ein gut geordnetes Repertoire an Einstiegsfragen, Aufträgen und Aufgaben zurückgreifen können, die sie in ihre Unterrichtspläne einordnen können.