Experimentieren im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht - Schüler lernen wissenschaftlich denken und arbeiten

Buchtitel

Impressum

Inhalt

Einleitung

Es herrscht Klärungsbedarf …

Was Sie in dieser Publikation erwartet …

Danksagung

1. Das Experiment in den Naturwissenschaften (Andreas Schulz, Markus Wirtz und Erich Starauschek)

1.1 Klärung grundlegender Merkmale von Experimenten an Anwendungsbeispielen

1.1.1 Forschungsgegenstand und Experimentierfeld 1: Die Photosynthese bei der Wasserpest

1.1.2 Forschungsgegenstand und Experimentierfeld 2: Borkenkäferbefall im Wald

1.2 Empirische Ansätze zur Analyse von Merkmals zusammenhängen: Beobachtung, Versuch und Experiment

1.2.1 Beobachtung ohne aktive Manipulation

1.2.2 Versuch ohne experimentelle Kontrolle

1.2.3 Experiment

1.3 Unterscheidbare Ziele beim Experimentieren

1.4 Fazit

2. Analyse kausaler Zusammenhänge als Ziel des Experimentierens (Andreas Schulz und Markus Wirtz)

2.1 Kausaler Zusammenhang

2.2 Wissenschaftliche Erklärungen

2.3 Wissenschaftliche Schlussfolgerungen als Argumentationsleistung im Rahmen des Experimentierens

2.3.1 Deduktion

2.3.2 Quantitative Induktion

2.3.3 Qualitative Induktion

2.3.4 Abduktion

2.4 Fazit

3. Modellbasierter Einsatz von Experimenten (Markus Wirtz und Andreas Schulz)

3.1 Wissenschaftliche Theorien und Hypothesen

3.2 Theorieorientierung als Kernmerkmal wissenschaftlichen Arbeitens

3.3 Modelle zum zielgerichtetem Einsatz von Experimenten

3.3.1 Scientific Discovery as Dual Search-Modell (SDDS-Modell)

3.3.2 Der Forschungszyklus nach Tashakkori und Teddlie (2000)

3.3.3 Der Zyklus des Experimentierens

3.4 Experimentieren als Teilprozess komplexer wissenschaftlicher Erkenntnisprozesse

4. Experimentelles Arbeiten in der Mathematik – ein Brückenschlag zur Naturwissenschaft mit Blick auf Peirce, Pólya und Medawar (Timo Leuders und Kathleen Philipp)

1. Mathematik als experimentelle Wissenschaft?

2. Typen von (mathematischen) Experimenten

3. (Mathematisches) Experimentieren als Zyklus kognitiver Prozesse

4. Fazit und Ausblick

5. Elemente aus der Geschichte der experimentellen Praxis in den Naturwissenschaften (17.–19. Jahrhundert) (Nicolas Robin)

Das Experimentieren der Moderne, klassischer Empirismus und frühneuzeitlicher Rationalismus

Beispiele: Robert Boyle, Lazzaro Spallanzani, Stephen Hales

Theoretische und methodische Ansätze aus dem 19. und 20. Jahrhundert

Schlussfolgerung

6. Das Experimentieren im Unterricht (Bärbel Barzel, Bernd Reinhoffer und Marcus Schrenk)

6.1 Begründungen und Ziele für das Experimentieren im Unterricht

6.2 Beobachten, Versuchen, Experimentieren im Unterricht – was ist was?

6.3 Die Unterrichtsorganisation beim Experimentieren

7. Befunde aus der empirischen Forschung zum Experimentieren im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht (Werner Rieß und Nicolas Robin)

7.1 Studien zu individuellen Lernvoraussetzungen und Verarbeitungsprozessen der Lernenden beim Experimentieren

7.2 Studien zu den fachlichen und fächerübergreifenden Zielkriterien des Experimentalunterrichts in den Naturwissenschaften

7.3 Studien zu Wirkungen von naturwissenschaftlichem Experimentalunterricht

Schlussfolgerungen

8. Ein (fachdidaktisches) Rahmenmodell zum Experimentieren im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht (Werner Rieß)

8.1 Aufgabenfelder für eine empirische fachdidaktische Unterrichtsforschung zum Thema Experimentieren im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht

8.2 Welche Gegenstände können und sollen von der fachdidaktischen empirischen Unterrichtsforschung im Hinblick auf das Thema „Experimentieren im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht“ untersucht werden?

9. Verhaltensexperimente mit lebenden Tieren im Unterricht – Einfluss auf Experimentierkompetenz und motivationale Variablen – Teilprojekt 1 (Eberhard Hummel und Christoph Randler)

Zusammenfassung

9.1 Einleitung

9.2 Theoretische Grundlagen

9.2.1 Bedeutung der intrinsischen Motivation nach Deci und Ryan (1985; 1993)

9.3 Forschungsfragen

9.4 Forschungsdesign und Methode

9.4.1 Stichprobe

9.4.2 Versuchsdesign

9.4.3 Treatmentgestaltung und Umsetzung

9.4.4 Messinstrumente

9.5 Ergebnisse

9.5.1 Experimentierkompetenz: Vergleich der Treatmentgruppen mit der (Null-)Kontroll gruppe

9.5.2 Experimentierkompetenz: Vergleich der Lebendtiergruppe mit der Filmgruppe

9.5.3 Einfluss unterschiedlicher Intelligenzfaktoren auf die Ergebnisse in den Kompetenztests

9.5.4 Variablen intrinsischer Motivation

9.6 Diskussion der Ergebnisse

10. Förderung „experimenteller Problemlösefähigkeit“ im problemorientierten Ökologieunterricht der 6. Klassenstufe? – Teilprojekt 2 (Frank Rösch, Werner Rieß und Josef Nerb)

Zusammenfassung

10.1 Einleitung

10.2 Theoretischer Rahmen

10.2.1 Theorie und Stand der Forschung

10.2.2 Fragestellungen und Hypothesen

10.3 Empirischer Teil

10.3.1 Methodische Grundlagen

10.3.2 Ergebnisse

10.4 Diskussion

10.5 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen für die Schulpraxis und Ausblick

11. Fördert eigenständiges Experimentieren die Entwicklung wissenschaftsnaher Vorstellungen zum Pflanzenstoffwechsel? – Teilprojekt 3 (Tanja Steigert und Marcus Schrenk)

Zusammenfassung

11.1 Einleitung

11.2 Methodisches Vorgehen

11.2.1 Design und Stichprobe

11.2.2 Erhebungsinstrumente

11.2.3 Unterricht

11.3 Ergebnisse

11.4 Zusammenfassung und Diskussion

12. Wirkung von an Spielfilmen verankerten Unterrichtskonzeptionen für den Chemieunterricht auf die Motivation und den Lernerfolg – Teilprojekt 4 (Silia Fürniss und Jens Friedrich)

Zusammenfassung

12.1 Einleitung

12.1.1 Das Projekt

12.1.2 Forschungstheoretischer Hintergrund – Stand der Forschung

12.1.3 Hypothese

12.2 Methodisches Vorgehen

12.2.1 Erhebungsinstrumente

12.2.1.1 Motivationsmessung

12.2.1.2 Leistungsmessung

12.2.2 Die Unterrichtseinheit Dante’s Peak – Implementation an der Schule

12.2.3 Verankerung von Fachinhalten an Filmszenen

12.3 Ergebnisse

12.3.1 Ergebnisse ausgewählter Skalen der Motivationserfassung

12.3.2 Ausgewählte Ergebnisse der Leistungserfassung

12.3.3 Rückmeldungen aus Schülerinterviews

12.4 Diskussion

13. Schülervorstellungen im Chemieunterricht – Untersuchung der Wirkung einer direkten Konfrontation mit Schülervorstellungen auf den Lernprozess – Teilprojekt 5 (Daniela Fanta, Leena Bröll und Marco Oetken)

Zusammenfassung

13.1 Einleitung

13.2 Anbindung an den Forschungsstand

13.2.1 Umgang mit Schülervorstellungen im Chemieunterricht

13.2.2 Concept Maps als Instrument zur Wissensdiagnose

13.3 Fragestellung

13.4 Methodischer Teil

13.4.1 Unterrichtseinheiten der Experimental- und Kontrollgruppe

13.4.2 Instrumente zur Datenerhebung

13.4.3 Auswertungsmethoden für die eingesetzten Erhebungsinstrumente

13.5 Erste Tendenzen

13.5.1 Quantitative Ergebnisse der betrachteten psychometrischen Daten

13.5.2 Lernerfolg

13.5.3 Ergebnisse der Concept Maps

13.5.4 Schülerinterviews

13.6 Diskussion

14. Eigenständigkeit, Motivation und Lernerfolg im Physikunterricht – Ergebnisse einer Mehrebenenanalyse – Teilprojekt 6 (Angelika Wolf, Matthias Laukenmann und Markus Wirtz)

Zusammenfassung

14.1 Stand der Forschung und Forschungsfragen

14.2 Methodischer Teil

14.3 Ergebnisse

14.4 Zusammenfassung und Diskussion:

15. Experimentell zum Funktionalen Denken: Eine empirische Untersuchung zur Wirkung von Schülerexperimenten als Ausgangspunkt mathematischer Begriffsbildung – Teilprojekt 7 (Sandra Ganter und Bärbel Barzel)

Zusammenfassung

15.1 Einleitung

15.1.1 Zur Klärung des Begriff s „Funktionales Denken“

15.1.2 Funktionales Denken im Mathematikunterricht – Status Quo und Ziele

15.2 Methodischer Teil

15.2.1 Forschungsfragen und Design

15.2.2 Auswahl der Stichprobe

15.2.3 Entwicklung der Intervention

15.2.4 Erhebungsmethoden

15.2.5 Qualitative Auswertungsmethoden

15.2.6 Quantitative Auswertungsmethoden

15.3 Ergebnisse

15.3.1 Deskriptive Analysen

15.3.2 Förderwirkungen der Intervention

15.3.3 Qualitative Analyse

15.4 Zusammenfassung und Diskussion

16. Innermathematisches Experimentieren – empiriegestützte Entwicklung eines Kompetenzmodells und Evaluation eines Förderkonzepts – Teilprojekt 8 (Kathleen Philipp und Timo Leuders)

Zusammenfassung

16.1 Einleitung

16.2 Methode der qualitativen Videostudie

16.2.1 Auswahl der Stichprobe

16.2.2 Auswahl der Aufgaben

16.2.3 Auswahl der Methoden

16.2.4 Auswertung

16.3 Ergebnisse der qualitativen Videostudie

16.4 Methode der Interventionsstudie

16.4.1 Die Intervention

16.4.2 Testinstrument

16.5 Ergebnisse der Interventionsstudie

16.6 Zusammenfassung und Diskussion

17. Beeinflusst der Sachunterricht der Primarstufe den physikalischen Wissenserwerb von Schülerinnen und Schülern? – Teilprojekt 9 (Pia Altenburger, Erich Starauschek und Markus Wirtz)

Zusammenfassung

17.1 Einleitung

17.1.1 Stand der Forschung

17.1.2 Fragestellung und Hypothesen

17.2 Methodischer Teil

17.2.1 Stichprobe

17.2.2 Untersuchungsdesign und Erhebungsinstrumente

17.2.3 Hierarchische Datenstruktur und Mehrebenen-Regressionanalyse

17.2.4 Umgang mit fehlenden Werten

17.3 Ergebnisse

17.4 Zusammenfassung und Diskussion

18. Sichtweisen von Lehrpersonen auf Lehrer-Schüler-Gespräche beim Experimentieren im naturwissenschaftlichen Sachunterricht – Teilprojekt 10 (Simone Halder und Bernd Reinhoffer)

Zusammenfassung

18.1 Der naturwissenschaftliche Erkenntnisprozess

18.1.1 Naturwissenschaftliches Lernen aus konstruktivistischer Sicht

18.1.2 Die Bedeutung der Lehrperson im naturwissenschaftlichen Unterricht

18.1.3 Die besondere Bedeutung von Gesprächen im naturwissenschaftlichen Unterricht

18.2 Fragestellung

18.3 Studiendesign

18.4 Samplingstrategie

18.5 Beschreibung des Samples

18.6 Instrumente der Datenerhebung

18.7 Datenaufb ereitung und Instrumente der Datenanalyse

18.8 Ergebnisse der Teilstudie

18.9 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse

19. Schüler planen Experimente und testen Hypothesen – Diagnose von Experimentierkompetenzen und mehrebenenanalytischer Klassenstufen- und Schulartenvergleich – Teilprojekt 11 (Andreas Schulz, Enrico Prinz und Markus Wirtz)

Zusammenhang

19.1 Theoretischer Hintergrund

19.2 Methodik

19.2.1 Itemgrundlage und Datenerhebung

19.2.2 Prüfung der Gültigkeit der Annahmen des dichotomen Raschmodells

19.3 Ergebnisse

19.3.1 Skalierung von Items und Antworten mit dem dichotomen Raschmodell

19.3.2 Analyse des Differential-Item-Functioning

19.3.3 Analyse der konvergenten und divergenten Validität

19.3.4 Mehrebenenanalytischer Vergleich von Klassenstufen und Schularten

19.4 Zusammenfassung und Diskussion

20. Integration der theoretischen und empirischen Befunde zum Experimentieren im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht (Werner Rieß, Markus Wirtz, Andreas Schulz und Bärbel Barzel)

20.1 Zusammenfassung der Inhalte der Einzelkapitel

20.2 Befunde aus Untersuchungen zur Ziel-Mittel-Relation (= Hauptaufgabe I)

20.3 Befunde aus Untersuchungen zu Schülermerkmalen und deren Einfluss auf den Lernerfolg (= Hauptaufgabe II)

20.4 Befunde aus Untersuchungen zum Wissen von Lehrer (und dessen Auswirkungen auf den Lernerfolg) (= Hauptaufgabe III)

20.5 Perspektiven für zukünftige Untersuchungen zum Experimentieren im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht

21. Sicherstellung forschungsmethodischer Qualität im Promotionskolleg exMNU (Markus Wirtz und Andreas Schulz)

21.1 Entwicklung und Förderung forschungsorientierter und forschungsmethodischer Kompetenzen

12.2 Besondere forschungsmethodische Standards in Projekten zur empirischen Bildungs- und Unterrichtsforschung

Literatur