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Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Physikalische Lerninhalte in der Grundschule
Wie werden Schülerinnen und Schüler für den Natur- und Technikunterricht der 5. Jahrgangsstufe vorbereitet?
IfG Institut für GrundschulforschungErziehungswissenschaftliche Fakultät der FAU Erlangen-Nürnberg
Ute Franz
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Physikalische Lerninhalte in der GrundschuleWie werden Schülerinnen und Schüler für den Natur- und Technikunterricht
der 5. Jahrgangsstufe vorbereitet?
1. Was soll in der Grundschule vermittelt werden?
2. Wie sollen physikalische Lerninhalte in der Grundschule vermittelt werden?
3. Empirische Studie zu Wissenserwerb und Interessenförderung im naturwissenschaftlichen Bereich des Sachunterrichts
4. Ausblick
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
1. Was soll in der Grundschule vermittelt werden?
Ziele
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Bildungsauftrag der Grundschule
vgl. Kößler 1988; Einsiedler 1997
1. Wissen und Verstehen erwerben
• deklaratives Wissen
• prozedurales Wissen
• Lernstrategien
2. Interessen entwickeln
• positive Einstellungen zu Lerngegenständen
• Lernmotivation
3. Wertorientierungen anbahnen
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Grundlage für zunehmend eigenverantwortliches Handeln
Orientierung an Erfahrungen der Kinder
Grundlage für weiterführendes Lernen
Orientierung an fachlich gesichertem Wissen
Gegenwart Zukunft
Kind-orientierung
Wissenschafts-orientierung
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Bildungspotential der naturwissenschaftlichen und technischen Perspektive
im Sachunterricht
vgl. Perspektivrahmen der Gesellschaft für Didaktik des Sachunterrichts (GDSU), 2002
Naturwissenschaftliche Perspektive:
• Kennen von Stoffeigenschaften und Stoffumwandlungen
• Untersuchung von Naturphänomenen im Hinblick auf physikalische Regelhaftigkeiten
• Naturwissenschaftliche Verfahren erarbeiten
Technische Perspektive:
• Erweiterung des lebenspraktischen technischen Könnens
• Verstehen grundlegender technischer Funktions- und Handlungszusammenhänge
• geschlechtsspezifische Einstellungen zur Technik thematisieren und Hemmnisse abbauen
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Neuer Lehrplan „Heimat- und Sachunterricht“ in Bayern (2000)
• wieder stärkere Wissenschaftsorientierung (Lebensweltorientierung)
• stärkere Betonung naturwissenschaftlicher Inhalte und Verfahrensweisen
• neue Anordnung der Themen
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Beispiel: „Elektrizität“ im bayerischen Lehrplan für Heimat- und Sachunterricht (2000)
Themen-bereiche:
Lernfeld 1: Köper- und Gesundheit
Lernfeld 2: Individuum und Gemein-schaft
Lernfeld 3: Zeit und Geschichte
Lernfeld 4: Heimat und Welt
Lernfeld 5: Arbeit und Freizeit
Lernfeld 6: Natur und Technik
Lernfeld 7: Tiere und Pflanzen
…
3.7.2
Magnetis-mus und
Elektrizität
3.7
Erkunden der
Umwelt
3.7.2 Magnetismus und Elektrizität
• Die magnetische Wirkung kennen
• Einen einfachen Stromkreis bauen und anwenden
• Die elektromagnetische Wirkung erproben
• Die verschiedenen Wirkungen des elektrischen Stromes untersuchen
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Beispiel: „Elektrizität“ im bayerischen Lehrplan für Heimat- und Sachunterricht (2000)
Themen-bereiche:
Lernfeld 1: Köper- und Gesundheit
Lernfeld 2: Individuum und Gemein-schaft
Lernfeld 3: Zeit und Geschichte
Lernfeld 4: Heimat und Welt
Lernfeld 5: Arbeit und Freizeit
Lernfeld 6: Natur und Technik
Lernfeld 7: Tiere und Pflanzen
…
3.7
Erkunden der
Umwelt
3.7.3
Nutzung von Strom
3.7.2
Magnetis-mus und
Elektrizität
3.7.3 Verantwortungsbewusste Nutzung von Strom
• Bedeutung des Stromes für das Alltagsleben erfassen
• Strom sparen als Notwendigkeit begreifen
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Beispiel: „Elektrizität“ im bayerischen Lehrplan für Heimat- und Sachunterricht (2000)
Themen-bereiche:
Lernfeld 1: Köper- und Gesundheit
Lernfeld 2: Individuum und Gemein-schaft
Lernfeld 3: Zeit und Geschichte
Lernfeld 4: Heimat und Welt
Lernfeld 5: Arbeit und Freizeit
Lernfeld 6: Natur und Technik
Lernfeld 7: Tiere und Pflanzen
…
Teilaspekt von 3.7.2
3.7
Erkunden der
Umwelt
3.7.3
Nutzung von Strom
3.7.2
Magnetis-mus und
Elektrizität
Die Gefahren des elektrischen Stromes kennen
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Themen mit physikalischer bzw. technischer Perspektive im bayerischen Lehrplan für Heimat- und Sachunterricht (2000)
1. Jahrgangsstufe
1.2.3 Materialien Verschiedene Eigenschaften von Materialien über die Sinne wahrnehmen Nutzung von Materialeigenschaften (z.B. transparentes Material für Fensterscheibe)
1.3.3 Technisches Spielzeug
Mit mechanischem Spielzeug spielen und die Funktion erkennen Eine mechanische Funktion erkunden: Rolle, Hebel oder einfacher Antrieb Ein Modell bauen
1.6.2 Tag und Nacht
Mit Licht und Schatten Erfahrungen sammeln Die Raum-Lage-Beziehung zwischen Lichtquelle, Gegenstand und Schatten
bestimmen Versuche mit Schattenstab oder Sonnenuhr vornehmen
1.7.2 Erfahrungen mit der Luft
Mit Luft spielerisch umgehen Einfache Spielzeuge bauen; Fallschirm und Löwenzahn-Samen
1.7.3 Erfahrungen mit Wetter
Wettererscheinungen beobachten
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
2. Jahrgangsstufe
2.6.1 Uhr und Uhrzeit Relative Zeitmesser bauen und erproben; normierte Zeitmesser Uhrzeiten ablesen, Zeitpunkte und –dauern ermitteln
2.7.2 Erfahrungen mit Wasser
Schwimmen und Sinken erproben Zustandsformen unterscheiden; fest, flüssig, gasförmig Einfache Trennverfahren durchführen (absinken lassen, destillieren...)
2.7.3 Erfahrungen mit Temperaturen
Einfluss verschiedener Temperaturen auf Materialien und Stoffe untersuchen Das subjektive Empfinden von Temperaturen erkunden Thermometer bauen und Temperaturen messen (Ausdehnung bei
Temperaturzunahme)
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
3. Jahrgangsstufe
3.2.2 Sinnesleistungen (Auge oder Ohr, in Verbind. mit 3.2.3) Leistung und Aufbau des Auges (Linse, Blende etc.) Schutz vor Lichteinstrahlung (z.B. Filter) Leistung und Aufbau des Ohrs (Schall als Bewegung der Luft verstehen; Schallwandler);
hoch-tief, laut-leise Schutz vor Lärm
3.2.3 Optische oder akustische Phänomene ("Licht" oder "Schall" ist verbindl.) Ausbreitung des Lichts und Spiegelphänomene bewusst machen Die Ausbreitung des Schalls untersuchen Verstärken oder Bündeln des Schalls: Trichter, Lautsprecher, Hörrohr
3.3.1 Medien als Fenster zur Welt Computerprogramme, Internet, Suchmaschinen
3.4.3 Maschinen helfen bei der Arbeit Möglichkeiten der Arbeitserleichterung beim erkundeten Betrieb beobachten, z.B.
Transport, Lasten heben Entwurf, Bau (technischer Baukasten) und Erprobung einfacher Kräne, Seilwinden,
Fahrzeuge o.Ä.
3.5.4 Bedeutung des Waldes Temperaturausgleichsfunktion von Waldgebieten (Speicherung von innerer Energie)
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
3. Jahrgangsstufe
3.6.2 Orientierung mit Kartenskizze ... Haupt- und Nebenhimmelsrichtungen anhand natürlicher oder technischer
Hilfsmittel bestimmen
3.7.1 Verbrennung Entzündungstemperatur...
3.7.2 Magnetismus und Elektrizität
3.7.3 Verantwortungsbewusste Nutzung von Strom Bedeutung des elektrischen Stroms für das Alltagsleben erfassen Strom sparen als Notwendigkeit begreifen
3.7.4 Technische Entwicklung im Wandel der Zeit Den Einfluss technischer Entwicklung auf das Zusammenleben in verschiedenen
Zeitabschnitten betrachten: Entweder Heiztechnik oder elektrischer Gebrauchsgegenstand
3.7.4 Technische Entwicklung im Wandel der Zeit Vergleich von Zeitaufwand – Kosten – Nutzen – Umweltverträglichkeit (Energie...)
3.8.1 Das Verkehrsmittel Fahrrad Umweltfreundlichkeit
3.8.3 Angemessenes Verhalten im Verkehr Schutz und Sicherheit: Schutzkleidung und Helm, Beleuchtungsanlagen am
Fahrrad
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
4. Jahrgangsstufe
4.5.1 Der natürliche Kreislauf des Wassers
Den Weg des Regenwassers beschreiben, Versuche zur Wasserdurchlässigkeit verschiedener Bodenarten
Messgeräte zur Wetterbeobachtung entwerfen, bauen und erproben Wolkenbildung und Niederschlag verstehen: Verdunsten, Verdampfen,
Kondensieren, Gefrieren
4.5.3 Wasserversorgung, Abwasseraufbereitung als Aufgaben der Gemeinde: Entweder Wasserversorgung: System der verbundenen Röhren
oder Abwasseraufbereitung: Reinigungsversuche
4.7.1 Ausgangsstoffe und –materialien Teilchenmodell zum „in Lösung gehen“ oder „Schmelzen“ Material/Werkstoffe verarbeiten (Energieaufwand...)
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
2. Wie sollen physikalische Lerninhalte in der Grundschule vermittelt werden?
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Unterrichtshinweise aus dem Fachprofil Heimat- und Sachunterricht (2000)
• Problemorientiertes Lernen
• Projektorientiertes Lernen
• Handlungsorientiertes Lernen
• Selbständiges bzw. selbstgesteuertes Lernen
• Forschend-entdeckendes Lernen
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Moderat konstruktivistisch orientierter Lernbegriff
• Lernen knüpft an den Vorerfahrungen und Vorwissen an
• Lernen ist eine aktive und individuelle Konstruktion von Wissen
Merkmale einer moderat konstruktivistisch orientierten Lernumgebung
vgl. Möller 1999
• Möglichkeiten zum selbständigen Lernen schaffen
• Zeit für individuelle Lernwege (auch Umwege und „Fehler“) lassen
• Aufgaben in (Alltags-)Situationen einbetten
• Lernsituation didaktisch strukturieren (offene und strukturierte Phasen)
• Kommunikation und Kooperation zwischen den Schülern zulassen
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Experimentieren in der Grundschule
Worauf man beim Experimentieren in der Grundschule achten sollte
vgl. u.a. Spreckelsen, 1992
• keine „Trivialisierung“!
• vom Staunen zum Erkennen kommen
• Einsatz von „Alltagsmaterialien“
• Anordnung in Phänomenkreisen
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Einsatzmöglichkeiten für Experimente in der Grundschule
• Lernen an Stationen (Erarbeitung, Vertiefung)
• Morgenkreis
• Freiarbeit
• Werkstatt-Unterricht
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
3. Empirische Studie zu Wissenserwerb und Interessenförderung im naturwissenschaftlichen
Bereich des Sachunterrichts
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Bedeutung von
Lehrer- und Wissenserwerb und
Unterrichtsvariablen Interessenentwicklung
im naturwissenschaftlichen Bereich des Sachunterrichts
für
Unterrichtssequenzen in dritten Klassen zu den Themen:
„Der einfache Stromkreis“ und „Die Verbrennung“
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Unabhängige Variablen
Lehrervariablen
• Aus- und Weiterbildung• Kompetenzgefühl• Interesse
Lehrerfragebogen
Unterrichtsvariablen
• Problemorientierung• Autonomieorientierung• Kindorientierung• Fachgem. Arbeitsweisen• ...
Unterrichtstagebuch
Abhängige Variablen
Wissen•„Strom“•„Verbrennung“
Schülervariablen
Wissenstest
Interesse• „Strom“•„Verbrennung“
Interessenfragebogen
Forschungsdesign
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Stichprobe
Lehrerinnen:
n = 21
Schulen:
13 Grundschulen
(Stadt Nürnberg, Stadt Erlangen, Landkreis Fürth, Landkreis Erlangen-
Höchstadt)
Kinder:
n = 461
Mädchen = 224
Jungen = 237
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
September 2001
November 2001
Vor den
Unterrichts-sequenzen
„Strom“ und
„Verbrennung“
Hauptuntersuchung im Schuljahr 2001/2002
Untersuchungsplan für jeweils eine Klasse
Während der Unterrichtssequenz
„Strom“
Nach der Unterrichtssequenz
„Strom“
Während der Unterrichtssequenz
„Verbrennung“
Dezember 2001
Mai 2002
Nach der Unterrichtssequenz
„Verbrennung“
Lehrerfragebogen
Wissenstest „Strom + Verbrennung“
Interessenfragebogen„Strom + Verbrennung“
Unterrichtstagebuch
Unterrichtstagebuch
Wissenstest +Interessenfragebogen
„Strom “
Wissenstest + Interessenfragebogen
„Verbrennung“
Phase 1
Phase 2
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Unterrichtsfach
(nicht vertieft studiertes Fach)
44 SWS
Fachwissenschaft
Fachdidaktik
Studium für das Lehramt an Grundschulen in Bayern
Erziehungswissen-schaftliches Studium
32 SWS
Pädagogik/ Schulpädagogik
Psychologie
Politikwissenschaft oder Soziologie oder Landes- und
Volkskunde
Philosophie oder Theologie
Unterrichtsfach
(nicht vertieft studiertes Fach)
44 SWS
Fachwissenschaft
Fachdidaktik
Didaktik der Grundschule
44 SWS
1. Grundschulpädagogik
• Pädagogik der Grundschule
• Schriftspracherwerb
• Sachunterricht
2. Didaktikfächergruppe
• Deutsch
• Mathematik
• Kunst oder Sport oder Musik
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Aus- und Fortbildung
Kompetenzgefühl
-> Bitte beantworten Sie die folgenden Fragen, indem Sie auf der Skala von 1 bis 4 ankreuzen. 1 = überhaupt nicht 2 = wenig 3= ziemlich 4 = sehr
Privates Interesse
Berufliches Interesse
Als wie gut empfanden Sie Ihre bisherigen Fortbildungsaktivitäten in folgenden Bereichen?
Wie hoch schätzen Sie Ihre Kompetenz ein, spontane Fragen der Kinder zu folgenden Bereichen zu beantworten?
Wie sehr interessiert Sie privat folgendes?
Wie gerne setzen Sie sich mit folgenden Themen für die Unterrichtsvorbereitung inhaltlich auseinander?
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Ausbildung in Physik bzw. im physikalischen Lernbereich des Sachunterrichts
• Physik als Unterrichtsfach: 0 (21)
• Physik als Didaktikfach: 0 (21)
2,65
2,21
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Aus- und Fortbildung Kompetenzgefühl
Einschätzungen zur Aus- und Fortbildungssituation und zum Kompetenzgefühl
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Interesse an Physik/bzw. am physikalischen Lernbereich des Sachunterrichts
2,61
1,99
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Privates Interesse Berufliches Interesse
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Problem-orientierung
Kind-orientierung
-> Bitte kreuzen Sie das Kästchen dann an, wenn Sie die Aussage mit JA beantworten können
Autonomie-orientierung
Fachgemäße Arbeitsweisen führten die Kinder selbständig Experimente durch.
wählten die Kinder unter verschiedenen Aufgabenarten frei aus.
wurde von einer Problemfrage ausgegangen.
griff ich Ideen der Kinder auf.
habe ich mich über das Vorwissen der Kinder informiert.
In dieser Unterrichtseinheit...
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Was wurde unterrichtet?
Ausgewertete Unterrichtseinheiten: 126
Thema Häufigkeit Leistung von Strom (Licht, Wärme, Bewegung) 20 Bauen einer Beleuchtungsanlage 18 Funktionsweise eines Schalters 17 Leiter und Nichtleiter 17 Gefahren des Stroms 17 Teile einer Glühbirne 15 Aufbau eines Stromkreises 8 Stromsparen 4 Parallel- und Reihenschaltung 2 Die Batterie 1 Stromerzeugung 1 Stromarten 1
Thema Häufigkeit Leistung von Strom (Licht, Wärme, Bewegung) 20 Bauen einer Beleuchtungsanlage 18 Funktionsweise eines Schalters 17 Leiter und Nichtleiter 17 Gefahren des Stroms 17 Teile einer Glühbirne 15 Aufbau eines Stromkreises 8 Stromsparen 4 Parallel- und Reihenschaltung 2 Die Batterie 1 Stromerzeugung 1 Stromarten 1
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Wir bauen einen Leuchtturm
Wie können wir unsere Weihnachtskrippe beleuchten?
Wir bauen ein „Richtig-Falsch“-Spiel
Eine elektrische Beleuchtung für meine Laterne
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Wie wurde unterrichtet?
Ausgewählte Unterrichtsvariablen
46%
39%
17%
0
10
20
30
40
50
60
Problemorientierung Kindorientierung Autonomieorientierung
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Einsatz von Experimenten
17% 21%
53%
34%
0
10
20
30
40
50
60
Demonstration
Schülerversuch
Strom
Verbrennung
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Ausgewählte Ergebnisse
Schülerinnen und Schüler
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
9. Petra hat diesen Stromkreis genau nach Anleitung gebaut, aber das Lämpchen leuchtet trotzdem nicht.
Warum leuchtet das Lämpchen nicht? Welche Begründungen stimmen? Kreuze ja oder nein an!
Weil das Lämpchen zu klein ist. ja nein Weil das Lämpchen kaputt ist. ja nein Weil die Batterie leer ist. ja nein Weil die Drähte zu lang sind. ja nein Weil die Batterie und das Lämpchen auf einem Holztisch stehen. ja nein
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Wie viel wissen Schülerinnen und Schüler vor dem Unterricht zum Thema „Strom“?
KLASSE
Wis
se
n1,00
,50
0,00
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Wie viel wissen Schülerinnen und Schüler vor und nach dem Unterricht zum Thema „Strom“?
KLASSE
Wis
se
n1,0
,5
0,0
Prätest
Posttest
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
überhaupt nicht nicht so sehr ziemlich sehr!
SchulischesInteresse
PrivatesInteresse
Wie sehr interessieren dich diese HSK-Themen?
Wie gerne würdest du mit diesem Spielzeug spielen?
Wie gerne würdest du diese Bücher lesen?
Wie gerne würdest du das tun?
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Wie sehr interessieren sich Schülerinnen und Schüler vor dem Unterricht für das Thema „Strom“?
KLASSE
Sch
ulisch
es I
nte
re
sse
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Wie sehr interessieren sich Schülerinnen und Schüler vor und nach dem Unterricht für das Thema „Strom“?
KLASSE
Sch
ulisch
es I
nte
resse
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
Prätest
Posttest
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Zusammenfassung der Schülerergebnisse
Klassenunterschiede
Prätest Posttest
Wissen
Schulisches Interesse
**
****
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Betonung naturwissenschaftlicher Inhalte in
Sach-unterricht
Universität
• Forschung
• Lehre
Kooperation mit den Fachdidaktiken
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Schule
Grund-schule
Austausch zwischen den Schularten
• Inhalte
• Methoden
• Medien/Materialien
Austausch zwischen Lehrern und Schülern
• Vorwissen
• Interessen, Erfahrungen, Fragen
• „Methodenkompetenz“
Natur und
Technik
Lernvoraussetzungen erheben!
• Medien/Materialien
Ute Franz, IfG, Physikdidaktisches Kolloquium, 28.01.2003
Internetportal zum Sachunterricht:
www.sachunterricht-online.de
Kontakt:
Ute Franz
Institut für Grundschulforschung
Erziehungswissenschaftliche Fakultät der FAU
Regensburger Str. 160, 90478 Nürnberg
Tel.: 0911/5302-533; Mail: [email protected]