Forschendes Lernen und Wissenschaftsverständnis im 

kompetenzorientiertenNaturwissenschaftsunterricht

Manfred Bardy‐Durchhalter

1. Versuch

4. Aufgaben3. Kompetenz

2. Theorie&

Praxis

1. Versuch

• Wie viel Tropfen Wasser passen auf ein Cent‐Stück?

• In Zweiergruppen: Planung, Durchführung und Dokumentation dieses Versuchs

Versuchsanordnung

• Welche Geltungsbereiche und Einschränkungen gelten für die gewonnenen Ergebnisse?

• Welche Veränderungen in der Versuchsanordnung erscheinen sinnvoll?

• Welche Vorhersagen lassen sich treffen?

Eigenschaften von Euro‐Cent Münzen

Wert Durch‐messer Fläche Dicke Masse Rändel‐

ung Material Ferromag‐netisch

1 Cent 16,25 mm 207,39 mm2 1,67 mm 2,30 g glatt Stahl mit Kupfer‐ummante

lung(94,35 % Fe, 5,65 % Cu)

ja2 Cent 18,75 mm 276,12 mm2 1,67 mm 3,06 gglatt mit umlaufender Kerbe

5 Cent 21,25 mm 354,66 mm2 1,67 mm 3,92 g glatt

http://de.wikipedia.org/wiki/Eurom%C3%BCnzen

• Welche Elemente von naturwissenschaftlicher Forschung tauchen in der Dokumentation auf?

2. Theorie&

Praxis

Spekulieren, induktives und deduktives 

theoriegeleitetes Nachdenken.

Vermuten – Hypothesen bilden(Forschungsfrage entwickeln)

Ergebnisse voraussagenbezogen auf FF und /oder 

Hypothesen

Kritische Diskussion der Beobachtungen 

und/oder der Theorie

Beobachtung – Daten ‐‐‐Modelle

Resultate,die die Hypothesen nicht stützen

“Nullhyhothesen”

Design von Experimenten zur Prüfung der Validität (Gültigkeit / Belastbarkeit dieser Annahmen)

Weitere Voraussagen,Neue Experimente,

Weiterentwicklung der Theorie

Resultate,die die Hypothesen stützen

Validierung durch die Scientific Community (Peers)

Verändert nach Jessica Gurevitch et al. 2002, 3The scientific method. The cycle of speculation, hypothesis, and experimentation is cirular, as new questions constantly emerge from the answers scientists obtain.

Auf der Suche nach Erklärungen

Inquiry LearningProblemlösendes Lernen

Fragend‐Entdeckendes Lernen

exploratives Lernen

problemorientiertes Lernen

Forschend‐begründendes Lernen

Forschendes Lernen

Problemlösendes Lernen

Wissen Bewerten

Handeln

‐ Sachkompetenz‐wissenschafts‐theoretische Kompetenz

‐ Lern‐ und Denkkompetenz‐ Prozedurale Kompetenz

‐ Kommunikations‐Kompetenz

‐ Soziale Kompetenz

nach: Wolfgang Gräber, Peter Nentwig, Peter Nicolson (2002).  Scientific Literacy ‐ Von der Theorie zur Praxis  In: Gräber, W., et al.(Hrsg.), Scientific Literacy.  Der Beitrag der Naturwissenschaften zur Allgemeinen Bildung. (1. Aufl., S. 21‐43).  Opladen: Leske + Budrich.

ScientificLiteracy

Forschendes Lernen

‐ Ethische Kompetenz‐ demokratische Kompetenz‐ Patrizipations‐kompetenz

Wissenschafts‐verständnis

…. Kennzeichen einer Inquiry Lernumgebung

Stäudel, L. (2007). Die Spinnennetz‐Methode ‐ Analyse naturwissenschaftlicher Arbeitsformen im Unterricht Naturwissenschaftliches Arbeiten ‐ Unterricht und Material 5‐10. R. Duit, H. Gropengießer and L. Stäudl. Seelze, Friedrich Verlag: 9.

Rahmenkonzept wissenschaftsmethodischer Kompetenzen

nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.

Standards der Erkenntnisgewinnung

Wissenschaftliches Denken(Scientific reasoning)

Wissenschaftliche Untersuchungen (Scientific Inquiry)

Charakteristika der Naturwissenschaften(Nature of Science)

Wissenschaftliche Arbeitstechniken (Practical work)

Manuelle Fertigkeiten(Practical Skills)

Wissenschaftsverständnis(Epistemological views)

Kompetenzkonstrukte

Rahmenkonzept wissenschaftsmethodischer Kompetenzen

nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.

• Mikroskopieren, Zeichnen• chemische Nachweise/Physik. Messung• Sicherheitsaspekte im Labor

Standards der Erkenntnisgewinnung

Wissenschaftliche Arbeitstechniken (Practical work)

Manuelle Fertigkeiten(Practical Skills)

Kompetenzkonstrukte

Rahmenkonzept wissenschaftsmethodischer Kompetenzen

nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.

• Naturwissenschaftliche Fragen/Hypothesen formulieren• Untersuchungen planen und durchführen• Daten auswerten; Mathematisierung• Empirische Daten interpretieren• Beobachten, Experimentieren, Vergleichen & Ordnen, Bestimmen, Untersuchen, Beschreiben

• Modelle zur Erkenntnisgewinnung nutzen

Standards der Erkenntnisgewinnung

Wissenschaftliche Untersuchungen (Scientific Inquiry)

Wissenschaftliches Denken(Scientific reasoning)

Kompetenzkonstrukte

Rahmenkonzept wissenschaftsmethodischer Kompetenzen

nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.

• Grundzüge & Grenzen d. Naturwissenschaft• Beurteilen der Aussagekraft von Modellen• Naturwissenschaft und Gesellschaft

Standards der Erkenntnisgewinnung

Charakteristika der Naturwissenschaften(Nature of Science)

Wissenschaftsverständnis(Epistemological views)

Kompetenzkonstrukte

Radits - Basics of Biology-Teaching -Information, Wissen, Sprache

Welche Wissenschaft gilt es zu verstehen?

• Es gibt sehr unterschiedliche Angebote von naturwissenschaftlichem Wissen. Welche verwenden wir im Unterricht ?

• Wie vertrauenswürdig (wie wahr, richtig, verlässlich,...) ist naturwissenschaftliches Wissen?

• Wer produziert naturwissenschaftliches Wissen? Womit beschäftigen sich NaturwissenschaftlerInnenüberhaupt?

Welche Wissenschaft gilt es zu verstehen?

nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.

• Beobachten, Experimentieren, Vergleichen, Ordnen,

Die Schwierigkeit des „Schauens“

http://www.ariva.de/full_pic‐12_a81232http://www.onlinewahn.de/kipp‐j.gifhttp://www.oberlehrer.de/wp‐content/uploads/2009/12/optische_taeuschungen.jpg

Vergleichen in der Biologie

• Theoriegeleitetes, zweckgerichtetes Auswählen von Vergleichskriterien meist anatomischer und/ oder morphologischer Elemente

• Theoriegeleitetes Prüfen ob die ausgewählten Elemente gleich oder ungleich sind

• Theoriegeleitetes, zweckgerichtetes Auswählen von Vergleichskriterien (meist anatomischer und/ oder morphologischer Elemente)

• Theoriegeleitetes Prüfen ob die ausgewählten Elemente gleich oder ungleich sind

Gleich oder Ungleich ?

nach http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Beutelwolf_fg01.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8e/Skull_of_a_horse.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/02/Skull_of_a_dog.png

Mögliche Kriterien

• Verknöcherter Schädel• Größe• Grafik/Foto• Säugetiere• Tetrapoden• Paarhufer/Sohlengänger• Fleisch‐/Pflanzenfresser• Seitenansicht, Aufsicht • …

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Thylacinus.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/23/Canis_lupus.jpgnach http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Beutelwolf_fg01.jpg

Beutelwolf (Thylacinus

cynocephalus)

Wolf (Canis lupus)

Ordnen in der Biologie

nach Gropengießer, Kattmann, Krüger  (2010). Biologiedidaktik in Übersichten

• Gruppieren von Elementen, die im Vergleich eine gemeinsame Eigenschaft zugeschrieben werden

• Schaffung von Ordnungssystemen lehnt sich in der Biologie oft an evolutionären Vorgängen an

Karotte KukuruzSchneeglöckerl

Klatschmohn Rotklee Erbse Weizen

Hundsrose

alle Grafiken: Wikipedia, tw. verändert

naturnaher Garten

Gemüse

Feldfrüchte

Einkeimblättrige

Zweikeimblättrige

nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.

• Beobachten, Experimentieren, Vergleichen, Ordnen,

Beobachtung in der Biologie

Zeit 1Zeit 2Zeit 3

Zeit 4Zeit 5

Beobachtung in der Biologie

Zeit 1Zeit 2

Zeit 3

Zeit 4Zeit 5

Zeitpunkt Höhe Merkmal 

5 22,0 X

4 20,4 m

3 12,5 Z

2 7,0 A

1 4,1 b

Beobachtungsprotokoll

Beobachtung in der Biologie

• Keine Manipulation von Objekten bei Beobachtungen

• Beobachtungen erfolgen häufig indirekt (mit technischen Instrumenten)

• Wissenschaftliche Beobachtungen sind selektive theorie‐ und hypothesengerichtete Wahrnehmungen

Ergebnis einer Beobachtung:Eigenschaften, Merkmale können erfasst, häufig quantifiziert (gemessen, gezählt) werden und vor Theoriehintergrund interpretiert

nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.

• Beobachten, Experimentieren, Vergleichen, Ordnen,

Experimentieren in der Biologie

Experimentieren in der Biologie

• Manipulation der Objekte des Experiments durch kontrolliertes Verändern von (ideal) einem Parameter

• Ideale in der Biologie schwierig umzusetzen weil sie mit lebenden Systemen arbeitet

• Wiederholbarkeit wird deshalb über statistische Aussagen definiert (zB. 96% der Individuen einer Art verhalten sich so)

Ergebnis eines Experiments:a. Vergleich der Messergebnisse der Parametermanipulationb. unter Einbindung von theoretischen Elementen können 

Zusammenhänge (Ursache‐Wirkungsbeziehungen) zwischen den Parametern postuliert werden

3. Kompetenz

Der Kompetenzbegriff

„…die bei Individuen verfügbaren oder die durch sie erlernbaren kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmte Probleme zu lösen, sowie die damit verbundenen motivationalen, volitionalen und sozialen Bereitschaften und Fähigkeiten, um die Problemlösungen in variablen Situationen erfolgreich und verantwortungsvoll nutzen zu können.“ (Weinert)

(Weinert 2001. Leistungsmessungen in Schulen. Weinheim: Beltz, s. 28)

Kompetenzorientierter Nawiunterricht

B1-B5 / C1-C5 / P1-P5

InhaltsdimensionW

E

S

Handlungsdimension

N1N2

N3

Anforderungsdimension

Handlungsdimension

38

W

E

SKompetenzmodell NAWI 8 (Oktober 2011)

Wissen organisieren

Erkenntnisse gewinnen

Schlüsse ziehen

aneignen, darstellen,

kommunizieren

fragen, untersuchen,interpretieren

bewerten, entscheiden, handeln

Weitere OPERATOREN z. B.• Benennen• Beschreiben• …

W Wissen organisierenaneignen, darstellen,

kommunizieren

Weitere OPERATOREN z. B.• Beobachten, Messen• Hypothesen aufstellen• Untersuchungen planen, durchführen, protokollieren

• Ergebnis reflektieren

E Erkenntnisse gewinnenfragen, 

untersuchen, interpretieren

Weitere OPERATOREN z. B.• naturwissenschaftliche von            nicht‐naturwissenschaftlichen Argumenten unterscheiden

• Chancen und Risiken erkennen

S Schlüsse ziehenbewerten, 

entscheiden, handeln

4. Aufgaben

http://www.ipn.uni‐kiel.de/projekte/piko/; http://bik.ipn.uni‐kiel.de/typo3/index.php?id=3; http://www.chik.de/; http://www.sinus‐transfer.de/; http://www.parsel.uni‐kiel.de/cms/; http://ius.uni‐klu.ac.at/misc/profiles/articles/view/21

Lehr‐ / Lernforschung besagt …

• ... dass jede Schülerin /jeder Schüler ihr/sein Wissen individuell konstruiert 

• ... dass Wissen situiert (an Kontexte gebunden) ist, deshalb auch situiert erworben werden sollte 

• … Wissen in relevanten Situationen „funktionieren“ muss• ... dass situiertes Wissen besser angewendet und 

vernetzt werden kann. 

Vom Kompetenzmodell zur Aufgabe

Leitfragen zur Themenwahl (Kontext)

• Wird der Kontext von Schülerinnen und Schülern als relevant wahrgenommen?

• Mit welchem Vorwissen und welchen Fragen der Lerngruppe muss man rechnen?

• Lassen sich die im Lehrplan geforderten Fachinhalte am Kontext erarbeiten?

• Welches Basiskonzept lässt sich an dem Kontext besonders gut entwickeln?

• Welche Kompetenzen können anhand des Kontextes erarbeitet werden?

http://www.chik.de/Leitfaden/lehrerleitfaden.pdf

Vom Kompetenzmodell zur Aufgabe

Schritte zur Unterrichtsplanung

• Materialrecherche und –entwicklung• Einstiegsimpuls soll Neugier wecken• Eigene Arbeitsphasen (Methodenvielfalt)• Vertiefungs‐ und Vernetzungsphase• Überlegungen zur Lernerfolgskontrolle

• Durchführung und Evaluation

http://www.chik.de/Leitfaden/lehrerleitfaden.pdf

Gute Aufgaben im Unterricht

… sind sinnvoll und interessant.… greifen lebensweltliche Kontexte auf.… passen zu den Lernvoraussetzungen: Die Schülerinnen 

und Schüler fühlen sich herausgefordert.  Sie können etwas lernen und sie erleben ihre Kompetenzen

… berücksichtigen Schülervorstellungen und setzen sie in Beziehung zu fachlichen Vorstellungen und wissenschaftlichen Theorien.

Gropengießer, Höttecke, Nielsen, Stäudel (Hrsg.) 2006. Mit Aufgaben lernen. Unterricht und Material 5‐10; Friedrich Verlag. S4

Gute Aufgaben im Unterricht

… verknüpfen das Erarbeitete mit anderen Wissens‐und Anwendungsgebieten.

… fordern naturwissenschaftliches Denken und Arbeiten.… fordern die Fähigkeit, selbstständig, beharrlich und 

einfallsreich Probleme zu lösen.… unterstützen die Kooperation und Kommunikation der 

Schülerinnen und Schüler untereinander.

Gropengießer, Höttecke, Nielsen, Stäudel (Hrsg.) 2006. Mit Aufgaben lernen. Unterricht und Material 5‐10; Friedrich Verlag. S4

Merkmale des problemorientierten LernensProblemlösendes Lernen Fragend‐Entwickelnder 

Unterricht

Einstieg in die Lernaktivität Eröffnung eines Fragen‐ und Problemfeldes durch die Problemkonstellation

Wiederholung, Haus‐aufgabenkontrolle, Informierender Einstieg, Erfragen von Vorkenntnissen

Steuerung durch Lehrkraft Tritt stark in den Hintergrund Steht im Vordergrund

Art der Instruktion durch die Lehrkraft

Indirekt: Begleitung des Entdeckungsprozesses;zeitweises Anleiten, Darbieten und Erklären

Direkt: Kontinuierliches Anleiten, Darbieten, Erklären

Wissenserwerbes der Lernenden

Wissen vom Lernenden aktiv generiert und konstruiert

Wissen wird instruktionalvermittelt

Erwerb von Strategien des Problemlösens

Ja Nein

Lernverhalten Aktiv, selbstständig, explorativ

Passiv, rezipierend

Nach: Sandra Hof (2010): Wissenschaftsmethodischer Kompetenzerwerb durch Forschendes Lernen. Entwicklung und Evalutaion einer Interventionsstudie. Kassel University Press. Seite 33

Rollen werden neu verteilt

Schülerinnen und Schüler als Bezugspunkte suchen ihre eigenen Fragen und können ihr eigenes Interesse einbringen.

Von der Wissensquelle zum WissensmanagerAustausch zwischen Gruppen ist wesentlich, 

einerseits innerhalb von kleinen Forschungs‐gruppen, andererseits über die Ergebnisse zwischen den Forschungsgruppen.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/22/Max_und_Moritz.JPG/220px‐Max_und_Moritz.JPGhttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e9/L%C3%A4mpel.jpg/220px‐L%C3%A4mpel.jpg

Aufgabendiskussion

• Wählen Sie in Kleingruppen eine Aufgabe aus• Lesen Sie ihre Aufgabe und sammeln Sie Punkte die in ihrer Gruppe diskutiert werden.

http://www.parsel.uni‐kiel.de/cms/fileadmin/parsel/Partner_Websites/kiel_berlin/soap_schueler.dochttp://ius.uni‐klu.ac.at/misc/profiles/files/materials/de/Fotosynthese%20AECC.pdfhttp://www.ipn.uni‐kiel.de/projekte/piko/pikobriefe032010.pdf

• Diskutieren Sie vorkommende Elemente des forschenden Lernens

• Woher stammt das Fachwissen?• Welche Rolle nimmt die Lehrperson ein?• Wie arbeiten die SchülerInnen?

• Was hat das mit meinem Unterricht zu tun?