Problemlösendes Lernen im Physikunterricht

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Lerntheoretische Grundlagen
2.1. Verschiedene Aspekte des Wissenserwerbs
2.1.1. Motivation und Interesse beim aktiven Wissenserwerb
2.1.2. Selbstgesteuerter Wissenserwerb
2.1.3. Konstruktiver Wissenserwerb
2.1.4. Situativer Wissenserwerb
2.1.5. Wissenserwerb im sozialen Zusammenhang
2.2. Förderung des Wissenserwerbs
2.2.1. Systemvermittelnde Lernumgebungen
2.2.2. Problemorientierte Lernumgebungen
2.2.3. Adaptive Lernumgebungen
2.3. Vorwissen und Wissensstrukturen
2.3.1. Bereichsbezogenes Wissen
2.3.2. Strategisches Wissen
2.3.3. Metakognitives Wissen
2.4. Wissensstrukturen und Concept Maps
2.4.1. Methoden zur Erstellung von Wissensstrukturen
2.4.2. Concept Maps

3. Lernfördernde Funktionen von Beispielen und deren Bedeutung beim Problemlösen
3.1. Relevanz von Beispielen
3.2.Beispielarten
3.3. Beispiele und ihre Funktion
3.3.1. Motivationale Funktion
3.3.2. Beispiele als Materialien für exploratives Lernen
3.3.3. Beispiele als Illustration allgemeiner Prinzipien und Prozeduren
3.4. Optimierung von Beispielen

4.Problemlösendes Lernen
4.1.Definition einesProblems
4.2.Problemarten
4.3. Problemlösen und Lernprozesse
4.3.1. Die Grundlagen für erfolgreiches Problemlösen
4.4. Verbesserung des Problemlösens

5.Transferprozesse
5.1. Arten und Formen des Lerntransfers
5.2. Äußere Einflussnahme zur Verbesserung analogen Transfers
5.2.1. Modellbegründete Instruktion
5.2.2. Struktur-Abbildungs-Theorie
5.2.3. Ausgearbeitete Beispielaufgaben
5.2.4. Metakognitive Kontrolle

6. Didaktische Ansätze problemorientierten Lernens
6.1. Problembewusstsein und Motivation
6.2.ProblemorientierterUnterricht
6.3.DiePraxis des Klassengesprächs
6.4.SelbständigesProblemlösen der Schüler
6.5.Der Ansatz des Cognitive Apprenticeship
6.6.Kreativitätund dieFähigkeit Probleme zu stellen

7.FachdidaktischeAnsätzeproblemorientierten Lernens
7.1.DieRolle des Experiments im (problemorientierten) Physikunterricht
7.1.1. Verschiedene Experimentierformen und ihr Erfolg
7.1.2. Didaktische Leistungen des Computereinsatzes
7.2. Zum Einsatz von Schulbuch und Fachsprache im (problemorientierten) Physikunterricht

8.PlanungdesUnterrichts
8.1.Bestimmung und Präzisierung des(Basis-)Lehrstoffs
8.2.Darstellung desLehrstoffs als Aufgabenklasse
8.3.Von derAufgabenklassezu konkreten Aufgaben

9. Schlussbetrachtung

10. Literaturverzeichnis

Vorwort

Ziel dieser Arbeit war es, die aktuellen Thesen und pädagogischen sowie didaktischen Ansätze zum Thema ‚problemlösendes Lernen’ mit einem Bezug zum Fach Physik darzustellen und zu diskutieren. Somit bietet sie eine kompakte und anwendungsorientierte Übersicht aus der sich der Physiklehrer Inspirationen zur Unterrichtsgestaltung und für die Verbesserung der Problemlösefähigkeit seiner Schüler holen kann. Die Arbeit wurde jedoch so angelegt, dass sie auch für Lehrer anderer Fächer leicht zugänglich und hilfreich ist, nicht zuletzt deswegen, weil die im Text verwendeten Beispiele des Physikunterrichts einfach gehalten sind und den speziellen Aspekten der Physikdidaktik ein eigenes Kapitel gewidmet wurde. Dieses kann von Lehrern anderer Fächer einfach übersprungen werden, wenngleich insbesondere für die anderen naturwissenschaftlichen Fächer hier einige interessante Parallelen zu sehen sind.

Um die praxisbezogene Ausrichtung abzurunden, stellt das letzte Kapitel einige wichtige Hilfen zur Unterrichtsplanung zur Verfügung. Grundlage hierfür war das erfolgreiche und bewährte Verfahren PLANA, das hier aufgrund neuerer Erkenntnisse teils etwas überarbeitet wurde (Einarbeitung von Beispielen, Zielsetzung der Überprüfungsaufgaben).

Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Wolfgang K. Schulz, der diese Arbeit betreute und mir immer wieder mit seinem fachlichen Rat und hilfreichen Vorschlägen zur Seite stand. Weiterhin danken möchte ich Frau Elisabete Rebstein-Fernandez, Frau Almuth Haverkamp und Herrn Andreas Dreher, die die Arbeit Korrektur lasen, sowie meiner Frau Hanna für ihre Geduld und Unterstützung in den zahlreichen Stunden, die ich mit der Lektüre von Quellen, in Gedanken versunken oder mit der Schreibarbeit am Computer verbrachte. Der größte Dank schließlich geht an den Herrn – Er weiß, was Er für mich getan hat.

Radolfzell am Bodensee, Oktober 2006 Martin Bruch

1. Einleitung

Die Krise, in welcher der heutige naturwissenschaftliche Unterricht in Deutschland steckt, wurde bereits 1977 von Born und Euler provokativ auf den Punkt gebracht:

- Unsere Kinder lernen keine Physik, weil der Lehrer über ihre Köpfe hinweg doziert.
- Unsere Kinder wählen Physik ab, weil der Unterricht zu abstrakt und nicht interessant ist.
- Unsere Kinder werden morgen die Welt nicht verstehen, weil ihnen das physikalische Grundwissen fehlt.^[1]

In den Ergebnissen der internationalen Vergleichstudien TIMSS („Third International Mathematics and Science Study“, vgl. Baumert et al., 1997) und auch der PISA-Studie („Programme for International Student Assessment“, vgl. Baumert et al., 2001) zeigte sich, dass deutsche Schüler mit ihren Fähigkeiten aus dem mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich lediglich im Mittelfeld liegen. Zwar konnten sie Routineaufgaben relativ sicher ausführen, sobald aber ein größerer Transfer oder logische Schlussfolgerungen gefordert waren, fielen die Ergebnisse weit schlechter aus.

Diese anscheinend bei deutschen Schülern noch kaum vorhandene Fähigkeit, neuartige Aufgaben zu lösen, wird in der Pädagogik und Psychologie als Problemlösekompetenz bezeichnet. Die Tatsache, dass japanische Schüler in der Spitzengruppe lagen, erklärt Schümer (1998) eben gerade durch die starke Konzentration auf das Problemlösen im Unterricht an japanischen Schulen. In ihrer Auswertung der Videostudien von TIMSS schreibt sie: „Den Schülern werden Probleme d.h. anspruchsvolle Aufgaben gestellt, die einen Bezug zur Realität haben. Die Probleme werden anschaulich dargeboten, intensiv diskutiert […]. Auffallend häufig stehen Probleme im Mittelpunkt, die auf verschiedene Arten gelöst werden können oder mehrere Lösungen haben. Die Lösungswege sind oft wichtiger als die Lösungen selbst […] auch falsche Lösungswege oder Lösungen werden akzeptiert, diskutiert und als Lernmöglichkeiten genutzt.“^[2]

Ein Problem unterscheidet sich von einer gewöhnlichen Aufgabe dadurch, dass die Methode, die zum Ziel führt, dem Lerner noch unbekannt ist. Es steht also ein Hindernis im Weg, das überwunden werden muss, um zum Ziel zu kommen. Man unterscheidet in der Pädagogik zwischen klar definierten Problemen, bei denen sowohl der Ist-Zustand als auch der Soll-Zustand offensichtlich ist, und unklar definierten Problemen, bei denen der Soll-Zustand lediglich vage festgelegt ist.

Neben den intuitiven Taktiken wie z.B. „trial and error“ schlagen die meisten gängigen Lehrerhandbücher die folgende noch sehr allgemein gehaltene Technik vor, um ein Problem zu lösen.

Der ‚Ideal-Problemlöser’:

(1) Identifikation oder gezieltes Bewusstwerden des Problems
(2) Effiziente Definition des Problems: Festlegung der Zielsituation und Untersuchung der Ausgangssituation
(3) Untersuchung verschiedener Lösungsstrategien
(4) Anwendung der gewählten Strategie
(5) Überprüfung, ob die Strategie das Problem effektiv gelöst hat

Sobald das zu lösende Problem komplex wird, kommt wohl kaum ein Lerner um eine Taktik, die mehr oder weniger mit dem Ideal-Problemlöser übereinstimmt, herum. Entscheidend für den Erfolg ist dabei das bereits vorhandene Vorwissen (Thema des Abschnitts 2.3) und dessen Struktur (Abschnitt 2.4). Per Analogiebildung können bekannte Lösungsstrategien ähnlicher Probleme herangezogen werden und nach einiger Anpassung zum Ziel führen (siehe Kapitel 5 zu Transferprozessen). Solche Probleme mit bekanntem Lösungsweg sind nichts anderes als Beispiele, die, wenn sie in den Lernprozess einbezogen werden, helfen besonders gut anwendbares Wissen aufzubauen. Deswegen setzt sich das 3. Kapitel dieser Arbeit mit dem Themenkomplex des beispielbasierten Lernens auseinander. Direkt auf Probleme und problemlösendes Lernen wird in Kapitel 4 besonders eingegangen – dennoch durchzieht dieses Thema die gesamte Arbeit und sollte auch in diesem Zusammenhang gesehen werden. In Kapitel 6 wird dann die Didaktik des problemorientierten Unterrichts vorgestellt und schließlich werden im 7. Kapitel einige besondere Aspekte des Physikunterrichts und dessen Fachdidaktik beleuchtet. Kapitel 8 schließlich gibt eine kompakte Anleitung zur allgemeinen Planung von Unterricht. Zunächst sollen aber die lerntheoretischen Grundlagen (Kapitel 2) geklärt werden.

2. Lerntheoretische Grundlagen

Die Theorien zum Lernen als Wissenserwerb wurden in den letzten Jahren stark von den revolutionären Thesen des Konstruktivismus geprägt. Dieser nimmt an, dass Wissen keine objektive Wirklichkeit abbildet, sondern lediglich die subjektiven Wirklichkeitskonstruktionen des Individuums. Entsprechend werden kindliche Sichtweisen der Wirklichkeit auch als eine von vielen legitimen Konstruktionen angesehen. Wissen ist somit eine Beobachterkategorie und Lernen wird als kommunikativer Vorgang betrachtet, der durch das Anknüpfen an die Erfahrungswelt des Schülers zu neuen, revidierten Wirklichkeitskonstruktionen führt.

Trotz der radikalen Grundannahmen bringt die didaktische Umsetzung bisher wenig komplett neue Vorschläge. Dennoch hat die neuartige Sichtweise die Unterrichtspraxis bereichert und vor allem einige zuvor teils vernachlässigte Aspekte des Wissenserwerbs hervorgehoben.

2.1. Verschiedene Aspekte des Wissenserwerbs

Die folgenden (eigentlich auch untereinander abhängigen) fünf Merkmale kennzeichnen den Prozess des Wissenserwerbs und dienen zur Einordnung unterschiedlicher Ansätze zur Förderung des Lernens. Sie sollen in den nächsten Abschnitten im Einzelnen diskutiert werden^[3]:

- Die Aneignung von Wissen ist nur durch eineaktiveBeteiligung des Lernenden möglich. Diese notwendige Aktivität wird vor allem durch die Motivation und / oder das Interesse des Lerners am Lerngegenstand oder am Wissenserwerb selbst charakterisiert.
- Wissenserwerb funktioniert unter einer gewissenSelbststeuerungund Kontrolle des Schülers, die je nach Lernsituation und -umgebung ein unterschiedliches Ausmaß annehmen kann.
- Jeder Lern- oder Wissenserwerbsprozess istkonstruktiv. Das heißt, neues Wissen kann nur erworben und vor allem genutzt werden, wenn es in bereits vorhandene Wissensstrukturen integriert und auf Grund individueller Erfahrungen interpretiert wird.
- Wissenskonstruktion ist stets an einen spezifischen Kontext gebunden und somitsituativ. Sie kann also nicht ohne ihre kontextuellen Bezüge betrachtet werden.
- Wissen wird auch immer aussozialenAushandlungsprozessen heraus angeeignet. Somit haben Wissenserwerb in kooperativen Situationen sowie die soziokulturellen Einflüsse auf den Lernprozess eine große Bedeutung.

2.1.1. Motivation und Interesse beim aktiven Wissenserwerb

Wenn Lernen als aktiver Prozess betrachtet wird, ist Motivation eine notwendige Voraussetzung für den Wissenserwerb. Genau genommen benötigt es intrinsische Motivation, d.h. dass der Lerner eine Handlung um ihrer selbst willen ausführt im Gegensatz zur extrinsischen Motivation, bei der er sie wegen der Konsequenzen ausführt. Intrinsische Motivation beruht auf den Grundbedürfnissen des Individuums sich selbst zu bestimmen und Kompetenz zu erlangen.

Ein weiterer sehr wichtiger Faktor des aktiven Lernens ist das Interesse, das der Lernende mit sich bringt. Darunter werden die Vorlieben für bestimmte Tätigkeiten oder Lerngegenstände verstanden. Interesse wirkt sich sehr produktiv auf den Wissenserwerb aus, es erleichtert das Verstehen und Lernen und kann zu positiven emotionalen Erlebnissen wie z.B. dem Gefühl der Autonomie führen.

Um Motivation und Interesse im Unterricht zu nutzen und zu fördern, gibt es einige praktische Ansätze in der Literatur. So empfiehlt Prenzel (1993) den sozialen Kontext so zu gestalten, dass es möglich ist, Kompetenz- und Autonomieerfahrungen der Schüler zu unterstützen. Dies lässt sich durch ein optimal angepasstes Anforderungsniveau (Csikszentmihalyi, 1985) positives Feedback (Deci, 1971) und informative Rückmeldungen (Ryan, 1982) bewerkstelligen. Vor allem sollen sich nach Bandura (1977) die Schüler sozial integriert fühlen und erreichbare Kompetenzerwartungen entwickeln. Weiterhin empfiehlt es sich auf bereits bestehende Interessen der Lerner einzugehen und neue Interessen zu wecken (Pressley et al. 1992). Nicht zuletzt die Lerninhalte selbst können unterschiedlich interessant sein, was aber durch Umgebungsfaktoren stark beeinflusst werden kann. Die Selbstbestimmung und Autonomie, die die Schüler während des Lernvorgangs erleben sollen, muss eine äußere Anleitung nicht ausschließen

In Anlehnung an Lepper und Malone (1987) schreiben Reinmann-Rothmeier und Mandel (1998) zusammenfassend: „Die Lernumgebung soll die Lernenden durch einen angemessenen Schwierigkeitsgrad herausfordern, sie soll Neugierde und Phantasie anregen sowie subjektive Kontrolle ermöglichen.^[4]“

2.1.2. Selbstgesteuerter Wissenserwerb

Bei selbstgesteuertem Lernen ergreift der Schüler selbständig ausgewählte Maßnahmen und überwacht auch den Lernprozess eigenständig. Ohne ein Minimum an solcher selbst überwachter Aktivität ist Lernen und Verstehen nicht möglich^[5]. Somit ist Selbststeuerung notwendige Voraussetzung eines jeglichen Wissenserwerbs. Gleichzeitig kann sie aber auch Ziel oder Methode sein, da nicht jeder Schüler von sich aus über die dazu nötigen Fertigkeiten verfügt. Hierbei ist natürlich eine gewisse Anleitung von Seiten des Lehrers nötig, um dem Schüler zu zeigen, wie er selbst sein Lernen steuern kann. Nimmt der Lehrer dann schrittweise seine Hilfe zurück und gibt dem Schüler entsprechende Aufgaben, so wächst dieser in seiner Fähigkeit zur Selbststeuerung^[6].

2.1.3. Konstruktiver Wissenserwerb

Im konstruktivistischen Ansatz bedeutet Wissenserwerb den Aufbau von Wissensstrukturen, deren Vernetzung und Verknüpfung mit bestehenden Konzepten und die Verbindung des Wissens in verschiedenen Situationen und Kontexten. Durch den hier gezeigten engen Zusammenhang von Vorwissen und Wissenserwerb wird deutlich, dass beim Vorhandensein fehlerhafter, unpassender oder mangelhaft vernetzter Wissensstrukturen Hindernisse beim Lernerfolg auftreten können. Das Vorwissen muss also neu angepasst werden.

Dies ist der zentrale Gedanke desConceptual Change, mit dem die Reorganisation von bereits vorhandenen Wissensstrukturen beschrieben wird^[7].

Um Lernen unter diesem Aspekt effektiv zu gestalten empfiehlt Vosniadou (1992) wissenschaftliche Konzepte möglichst anschaulich und deutlich darzustellen und zu erklären. Weiterhin soll den Lernenden die Möglichkeit geboten werden eigene Erfahrungen zu sammeln oder zu erweitern. Es wird in der so genannten Cognitive-Flexibility-Theorie auch angenommen, dass das Aufzeigen multipler Perspektiven zu einer Verbesserung der Vernetzung führt und komplexe Darstellungen eine unangemessen starke Vereinfachung verhindern können.

2.1.4. Situativer Wissenserwerb

Ein situativer Wissenserwerb liegt dann vor, wenn das Wissen in einem Kontext, der eine reale Anwendungsmöglichkeit darstellt, erworben wird. Je besser es dem Lehrer gelingt, das neue Wissen in einen anwendungsorientierten und möglichst alltagsnahen Kontext zu stellen, desto bedeutungsvoller wird es für den Schüler sein. Gleichzeitig wird sich auch die Fähigkeit, das Wissen richtig anzuwenden, verbessern. Wirklich authentische Kontexte sind allerdings meist komplex, insbesondere in der Physik, und laut Honebein et al. (1993) geht eine Reduktion der Komplexität auch immer mit einer Reduktion der Bedeutung einher. Deshalb schlägt er vor, die Authenzität in Projekten umzusetzen, bei denen die Schüler eigenständig Probleme lösen.

2.1.5. Wissenserwerb im sozialen Zusammenhang

Der soziale Aspekt des Wissenserwerbs spielt sich auf zwei Ebenen ab: Der Makroebene, bei der kulturelle Einflüsse und das Einfinden in eine Wissensgemeinschaft wichtig sind, und der Mikroebene, bei der es um kooperatives Lernen geht.

In der Makroebene wird berücksichtigt, dass der Lernende zusätzlich zu dem Erwerb von Faktenwissen und Fähigkeiten auch in eine Gemeinschaft von Gleichgesinnten hineinwächst und dabei deren Gewohnheiten und Überzeugungen, ihre Ausdrucksweise usw. mit erlernt. Zusätzlich zur Interaktion mit Mitlernenden und Fortgeschrittenen spielt dabei auch die Interaktion mit z.B. Eltern und Lehrern eine große Rolle. In diesem Sinne entspricht Lernen dem Übergang von der sozialen zur individuellen Ebene durch Internalisation. Das Schaffen von Bedeutung geschieht dabei im Dialog innerhalb der sozialen wie auch der individuellen Sphäre, wobei der Lernende gleichzeitig die Fachsprache lernt und dabei sozialisiert wird^[8].

Von kooperativem Lernen (Mikroebene) erhofft man sich positive Wirkungen durch das Aneignen sozialer Kompetenzen innerhalb der Kontakte, eine damit einhergehende Verbesserung der Beziehungen, was sich schließlich fördernd auf die Motivation und den Selbstwert des Lernenden auswirkt. Auch die kognitiven Prozesse könnten durch die gegenseitige Unterstützung, Interaktion und das Kennen lernen unterschiedlicher Sichtweisen verbessert werden. Leider gibt es jedoch zu kooperativen Lernprozessen noch recht wenig empirische Ergebnisse^[9].

Um kooperatives Lernen zu fördern, bedarf es einer Aufgabengestaltung, die Zusammenarbeit nicht nur ermöglicht, sondern sogar durch gegenseitige Abhängigkeit nötig macht. Ein gewisses Maß an Anregung und Anleitung von außen ist auch hier vorteilhaft, da dies die Qualität der Kooperation verbessert.

2.2. Förderung des Wissenserwerbs

Zusätzlich zu den zuvor aufgezeigten Techniken, gibt es einige gute Grundorientierungen, die dem Lehrer bei der Planung und Gestaltung des Unterrichts hilfreich sein können und in den nächsten Abschnitten^[10] deshalb kurz dargestellt werden sollen. Sie zielen auf die Gestaltung der so genannten Lernumgebung, einen Begriff der die Anwendung von Methoden, Techniken, Lernmaterialien und Medien sowie den gegebenen sozialen Kontext und die aktuelle Lernsituation umfasst.

Bei allen pädagogischen und didaktischen Modellen bleibt jedoch zu bedenken, dass der einflussreichste Faktor für den Erfolg des Unterrichts laut Hofstein und Lunetta (2004)^[11] die Lehrerpersönlichkeit ist. Jeder Lehrer hat seine eigenen Vorlieben und Fähigkeiten, sowie seine Vorstellung von Naturwissenschaft. Dies muss unbedingt berücksichtigt werden, da aufgezwungene Methoden oder Unterrichtsstile, sofern sie nicht der Meinung des Lehrers entsprechen, eher kontraproduktiv und schwer umzusetzen sind. Nur einen Unterrichtsstil, den der Lehrer vertreten kann, ist er auch imstande effektiv zu verwirklichen.

2.2.1. Systemvermittelnde Lernumgebungen

In diesem Ansatz werden Lerninhalte als abgeschlossene und fixierte Wissenssysteme betrachtet. Die spezifische Struktur des Fachwissens soll damit eine rationale und systematische Organisation des Lehrens ermöglichen. Zusätzlich zur fachlichen Systematik gibt es unterschiedliche übergeordnete Prinzipien, so z.B. von allgemeinen Ideen schrittweise zu Details überzugehen oder die noch heute in der Didaktik übliche Regel, vom Einfachen zum Komplexen zu gehen.

In der extremen Form wird hier der Lehrende als alleiniger Verantwortlicher für den Lernprozess angesehen. Es obliegt ihm, Lerninhalte geschickt zu unterteilen, dosieren und präsentieren, während der Schüler lediglich passiv die didaktisch aufbereiteten Inhalte aufnimmt. In neueren Arbeiten innerhalb dieses Ansatzes wird die Instruktion nicht mehr als direkte Steuerung des Lernens sondern lediglich als Erleichterung des Lernprozesses verstanden. Aus den Ergebnissen einer Analyse des Vorwissens^[12] (Anfangszustand), des erwünschten Endzustands sowie der dazwischen liegenden Übergänge, legt der Lehrer seine Instruktion fest, die er anschließend evaluiert.

Aus heutiger Sicht ist dieser Ansatz in seiner extremen Form eher kritisch zu bewerten, da einige Prinzipien im Gegensatz zu den im Vorfeld ausgeführten zusammenhängenden Aspekten des Wissenserwerbs stehen. So sind z.B. die passive, nur aufnehmende Rolle des Schülers und die Annahme, dass Lernen losgelöst vom Kontext stattfinden und inhaltlich Zusammenhängendes getrennt vermittelt werden kann, mit den oben genannten Abhängigkeiten der Wissensaneignung nicht vereinbar.

Dennoch kann dieser Ansatz einen systematischen Überblick über einen neuen Themenkomplex ermöglichen und gerade bei anfänglichen Schwierigkeiten die nötige Leitung und Unterstützung bieten. Auch beim Fach Physik, das ohne die dahinter stehende Systematik wohl kaum zu verstehen ist, sind teilweise systemvermittelnde Methoden nötig. Besonders bei Lernenden mit weit reichendem Vorwissen (wie es z.B. oft an der Universität der Fall ist) oder sogar Praxiserfahrung genügt meistens ein systemorientiertes Vorgehen, um weiterführende Kenntnisse zu vermitteln – was dann meist auch schneller und effektiver ist.

2.2.2. Problemorientierte Lernumgebungen

Dieser Ansatz ist weitgehend im Einklang mit den aktuellen Annahmen zum Wissenserwerb. Die Instruktion des Lehrers rückt in den Hintergrund und er stellt lediglich Probleme und Werkzeuge zu deren Bearbeitung sowie seine Beratung und Hilfestellung zur Verfügung, während die Schüler in den geeigneten, offenen und problemorientierten Lernumgebungen aktiv werden. Sie sollen selbständig arbeiten, entdecken und verstehen. Dabei erarbeiten sie sich im Unterschied zum systemvermittelnden Ansatz flexibel anwendbares Wissen, die Fähigkeit Probleme zu lösen und allgemeine kognitive Strategien. Der Schüler ist hierbei selbst für den Lernverlauf und dessen Erfolg verantwortlich. Da der Lernprozess selbst unter Umständen wichtiger ist als das sichtbare Ergebnis und dieses aufgrund der Eigenverantwortlichkeit und der unterschiedlichen Voraussetzungen der Lernenden recht unterschiedlich ausfallen kann, ist die Möglichkeit der Erfolgskontrolle leider noch weitgehend ungelöst.

Die zugrunde liegende Idee des entdeckenden Lernens, die bereits auf Bruner (1966) zurückgeht, ermöglicht den Schülern die selbständige Auseinandersetzung mit (möglichst realen) Problemen. Dabei sammeln sie (z.B. in selbst durchgeführten Experimenten) eigene Erfahrungen und erarbeiten sich damit Einsichten in komplexe Themen, Konzepte und Prinzipien. Weiterhin wird durch diese Methode Neugier geweckt und somit die intrinsische Motivation gefördert. Nach Bruner (1981) ist das Entdecken eine notwendige Bedingung für das Erlernen von Problemlösestrategien.

Neben Problemstellungen und Experimenten bietet sich für diese Methode auch der Einsatz von Computern an. Simulationen, die Experimente teilweise ersetzen können, ermöglichen den Schülern eigenständig Hypothesen aufzustellen und diese im authentischen Handeln direkt zu überprüfen. So genannte Mikrowelten (interaktive Simulationen) stellen eine Erweiterung dar und bieten sich besonders für das Fach Physik, aber auch Mathematik und Biologie an.

Abgesehen von dem Problem der Erfolgskontrolle ergeben sich noch andere Schwierigkeiten bei der Umsetzung dieses Ansatzes. Vor allem ist entdeckendes Lernen enorm zeitaufwändig und erweist sich daher besonders bei größeren Themenkomplexen als schwer praktizierbar. Es ist anzumerken, dass die erwünschte Entwicklung einer allgemeinen Problemlösefähigkeit, die den Zeitaufwand wieder gut macht, noch nicht eindeutig empirisch gesichert ist, jedoch in Fachkreisen sowie auch in dieser Arbeit angenommen wird. Es existieren einige Studien, die zumindest die Verbesserung einer fachgebundenen Problemlösekompetenz belegen^[13].

Insbesondere bei extremen Modellen, die größtenteils oder ganz auf die Hilfestellung von Seiten des Lehrenden verzichten sind die Schüler oft überfordert. Hier zeigt sich, dass ein gutes Gleichgewicht zwischen der Selbständigkeit des Schülers und der (möglichst individuellen) Unterstützung des Lehrers nötig ist.

2.2.3. Adaptive Lernumgebungen

Adaptive Lernumgebungen versuchen genau die Schwächen des problemorientierten Ansatzes auszugleichen, indem sowohl viel Freiraum als auch individuelle Unterstützung geboten werden. ‚Adaptiv’ meint dabei, dass die Lernumgebung an die Bedürfnisse des einzelnen Lerners angepasst ist. Auch hier wird problemorientiert gearbeitet (mit all den oben genannten positiven Eigenschaften), jedoch mit einem höheren Maß an individueller Hilfestellung als dies bei den vorher genannten problemorientierten Lernumgebungen der Fall ist.

Es wird empfohlen, möglichst realistische Probleme zu stellen, um damit gleichzeitig den Anwendungskontext des erworbenen Wissens aufzuzeigen. Durch die Darbietung unterschiedlicher Kontexte soll sowohl die Abstraktion und damit die Flexibilität des angeeigneten Wissens als auch die Qualität des Transfers verbessert werden.

Leider erweist sich dieser Ansatz in der Praxis als viel zu aufwändig, um tatsächlich exakt umgesetzt zu werden. Eine komplett individuelle Förderung ist kaum möglich – jedoch kann in gewissem Maße eine Abstufung innerhalb kooperativer Lernformen realisiert werden. Weiterhin ist auch in diesem Ansatz eine spezifische Strukturierung zumindest in der Vorbereitung des Lehrers nötig, damit er die benötigte Hilfestellung geben kann.

2.3. Vorwissen und Wissensstrukturen

Die „geistige Ausstattung“, die benötigt wird, um ein Problem zu lösen, soll hier als Wissen bezeichnet werden. Nach Chi (1984) werden drei verschiedene Arten von Wissen klassifiziert: bereichsbezogenes, strategisches und metakognitives Wissen. In den folgenden Abschnitten soll diese Differenzierung erläutert werden. Weiterhin spielt es insbesondere für die Anwendung auch eine bedeutende Rolle, wie das individuell vorhandene Wissen strukturiert und vernetzt ist. Dieser Tatsache soll in Abschnitt 2.4 Rechnung getragen werden.

2.3.1. Bereichsbezogenes Wissen

Mit bereichsbezogenem Wissen ist das Wissen über einen bestimmten Teil der Wirklichkeit wie z.B. Physik, Mathematik oder Geschichte aber im weiteren Sinn auch etwa das soziale Umfeld, Kultur oder Verwandtschaftsverhältnisse im

Freundeskreis gemeint. Dabei wird weiterhin zwischen deklarativem (wissen, dass…) und prozeduralem Wissen (wissen wie…) unterschieden. So handelt es sich z.B. um deklaratives Wissen, wenn einer Person die drei Newtonschen Axiome bekannt sind, oder die Tatsache, dass diese in der letzten Physikstunde eingeführt wurden. Der erste Fall betrifft die Untergruppe des semantischen Wissens, während der zweite Fall sich auf sogenanntes episodisches Wissen bezieht. Wenn die Person weiterhin durch Übung weiß, wie man mit den Newtonschen Axiomen mechanische Aufgaben lösen kann, so handelt es sich um prozedurales Wissen.

2.3.2. Strategisches Wissen

Anders als das prozedurale Wissen ist das strategische Wissen per Definition nicht auf einen bestimmten Wirklichkeitsbereich eingeschränkt. Eine abstrahierte, vom Kontext losgelöste, allgemeine Prozedur (Strategie) kann hierbei also in verschiedenen Situationen angewandt werden. Solches Wissen wird insbesondere dann benötigt, wenn eine bereits bekannte Problemlösung auf ein anderes Themengebiet übertragen werden muss. Von diesem Transferprozess handelt das 5.Kapitel.

2.3.3. Metakognitives Wissen

Das Wissen einer Person über das eigene Wissen wird als metakognitives Wissen bezeichnet. Auch dies kann wieder in deklaratives, prozedurales und strategisches Metawissen unterteilt werden, was an dieser Stelle aber nicht nötig ist. Allgemein gesagt handelt es sich bei metakognitivem Wissen also um die Fähigkeit zur Selbstreflexion, d.h. der Lerner ist als Manager seines eigenen

Wissens gefragt. Diese Fähigkeit scheint zum effektiven Problemlösen von extremer Bedeutung zu sein^[14]. Je genauer jemand über sein vorhandenes Wissen und dessen Qualität Bescheid weiß, umso schneller und besser kann er es anwenden und umso eher kann er auch die Validität seiner Entscheidungen auf dem Weg des Problemlösens richtig einschätzen und gegebenenfalls korrigieren. Wichtig ist also, dass der Lernende die Übersicht über sein Wissen behält. Dazu können die im folgenden Abschnitt vorgestellten Methoden hilfreich sein, um Schüler zum Nachdenken über das eigene Wissen anzuregen und dem Lehrer Hinweise für die entsprechende Gestaltung des Unterrichts zu geben.

2.4. Wissensstrukturen und Concept Maps

„Weder der Lehrer, der Lernschwierigkeiten seiner Schüler abhelfen will, noch der das Problemlöseverhalten erforschende Didaktiker dürfen […] davon ausgehen, dass Novizen in den von Experten als sachgerecht erachteten Bahnen denken; vielmehr können sie auch unter Anwendung falscher Regeln zu richtigen Antworten kommen und umgekehrt.“^[15]

Aufgrund dieser mittlerweile gut belegten Tatsache, scheint eine Analyse der subjektiven Wissensstrukturen und deren Vergleich mit objektiven oder idealen Wissensstrukturen für die Planung von Physikunterricht sowie speziell des problemorientierten Unterrichts von großer Bedeutung zu sein. Es hat sich gezeigt, dass die subjektiven Wissensstrukturen von Schülern ihr Lösungsverhalten wesentlich stärker bestimmen als lehrstoffbasierte Schemata. Gleichzeitig sind somit Übungs- und Vertiefungsaufgaben zwar weiterhin für die Erfassung von Lernschwierigkeiten und Problemlösemustern hilfreich – dennoch sagt die korrekte Aufgabenlösung nichts über das Verständnis des Schülers aus.

Deshalb sollte ein guter Lehrer Methoden zur Diagnose der Wissensstruktur kennen, um den aktuellen Wissensstand des Schülers zu ermitteln, und auch über häufig vorliegende Fehlkonzepte und Lernschwierigkeiten bescheid wissen, um an entsprechenden Stellen besonders sorgfältig vorgehen zu können. Weiterhin können diagnostische Verfahren Rückmeldung über den Wissensstand der Schüler an den Lehrer geben, oder zur Lernerfolgskontrolle eingesetzt werden. Die Begriffsnetze motivieren die Schüler über ihr Wissen zu reden und helfen dem Lehrer bei der Unterrichtsplanung.

[...]

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^[1] Born, G. und Euler, M. Der Physiklehrer in der Bundesrepublik Deutschland – Eine empirische Untersuchung. Bonn: Deutsche Physikalische Gesellschaft 1977.

^[2] Schümer, G. „Mathmatikunterricht in Japan: Ein Überblick über den Unterricht in öffentlichen Grund- und Mittelschulen und privaten Ergänzungsschulen.“Unterrichtswissenschaft26(3) (1998): 196-228.

^[3] Für die folgenden Abschnitte vgl. Reinmann-Rothmeier, G., Mandl, H. „Wissensvermittlung: Ansätze zur Förderung des Wissenserwerbs.“ In F. Klix, H. Spada (Hrsg.). Enzyklopädie der Psychologie: Band 6: Wissen. Göttingen/Bern/Toronto/Seattle: Hogrefe 1998: 459-474.

^[4] Reinmann-Rothmeier, G. und Mandl, H. (1998): 462.

^[5] Das Konzept der Selbststeuerung ist eng verwandt mit dem Konzept des metakognitiven Wissens und der damit verbundenen Methode der metakognitiven Kontrolle die in 2.3.3 und 5.2.4 eingeführt werden.

^[6] Vgl. Simons, P.R.J. „Lernen selbständig zu lernen – ein Rahmenmodell“. In H. Mandel, H.F. Friedrich (Hrsg.)Lern- und Denkstrategien: Analyse und Intervention. Göttingen/Toronto/Zürich: Hogrefe: 1992.

^[7] Das Modell des Conceptual Change und dessen Bedeutung für den Physikunterricht wird in 2.4 erläutert.

^[8] Vgl. Tesch, M. Das Experiment im Physikunterricht: Didaktische Konzepte und Ergebnisse einer Videostudie. Berlin: Logos 2005: 57-58.

^[9] Vgl. Reinmann-Rothmeier und Mandl(1998): 472.

^[10] für die folgenden Ausführungen vgl. Reinmann-Rothmeier und Mandl (1998): 474-489.

^[11] Vgl. Hofstein, A., Lunetta, V.N. “The Laboratory in Science Education: Foundations for the Twenty-First Century.”Science Education88(1) 2004: 28-54.

^[12] Zur Analyse des Vorwissens vgl. 2.3.1.

^[13] Vgl. hierzu z.B. Seels Ausführungen zum Experiment von Lüer (1973) in Seel, N. Psychologie des Lernens. München/Basel: Reinhardt 2000: 331; Perels, F. Ist Selbstregulation zur Förderung von Problemlösen hilfreich?Frankfurt a.M.: Europäischer Verlag der Wissenschaften 2003 oder Arbinger, R. Psychologie des Problemlösens. Darmstadt: Wissenschaftliche Buchgesellschaft 1997: 147.

^[14] Vgl. hierfür z.B. Perels (2003) oder Hesse, F.W. „Training-induced changes in problem solving.“Zeitschrift für Psychologie190 (4) (1982): 405-422.

^[15] Willer, J. Didaktik des Physikunterrichts.Frankfurt a.M.: Harri Deutsch 2003: 291.