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ENTERPRISE

1997 kam Elsbeth Stern als Wissenschaftliche Mitarbeiterin an das Institut, um das Forschungsprojekt ENTERPRISE (Enhancing KNowledge Transfer and Efficient Reasoning by Practicing Representation In Science Education) aufzubauen, das sich mit der Förderung von kognitiven Kompetenzen im naturkundlich-mathematischen Unterricht der Grundschule befasste. Das Projekt ging von der Hypothese aus, dass der Erwerb von kognitiven Kompetenzen kontextabhängig ist und dass die Schwierigkeiten von jüngeren Kindern bei der Bewältigung bestimmter kognitiver Anforderungen darauf zurückzuführen sind, dass sie noch nicht über das für den betreffenden Bereich benötigte konzeptuelle und prozedurale Wissen verfügen. Lernumgebungen für jüngere Kinder sollten auf den Typ von Wissenserwerb zugeschnitten sein, der in den höheren Schuljahren am wichtigsten ist und die höchsten Anforderungen stellt. Für alle schulischen Kontexte gilt, dass das dort erworbene Wissen auf Symbolsystemen wie Schrift, formaler mathematischer Sprache, Bildern und graphischen Veranschaulichungen basiert.

Symbole sind als Denkwerkzeuge zur Unterstützung der Bedeutungskonstruktion bei Konzepten, Ideen oder Plänen zu verstehen. Im ENTERPRISE-Projekt wurden Grundschulkinder im Rahmen von mathematisch-naturwissenschaftlichen Aufgabenstellungen in die Arbeit mit Denkwerkzeugen wie visuellen Repräsentationsformen, informellen Notizen oder sonstigen Symbolsystemen eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass bereits Drittklässler mit Hilfe von kognitiv strukturierenden Werkzeugen wie Balkenwaage oder Graphen in der Lage waren, ein tiefer gehendes und übertragbares Verständnis von naturwissenschaftlichen Konzepten zu erwerben. Susanne Körber und Anja Felbrich befassten sich in ihren Dissertationen vor allem mit den Auswirkungen, die die Nutzung von visuellen Repräsentationsformen wie dem Kartesischen Graphen auf das konzeptuelle Verständnis von Grundschulkindern hat. Ilonca Hardy und Elsbeth Stern untersuchten in einem Kooperationsprojekt mit Kornelia Möller vom Seminar für Didaktik des Sachunterrichts an der Universität Münster die Kurz- und Langzeitwirkungen von kognitiv unterstützendem Unterricht, etwa durch kognitiv strukturierende Lehreraussagen, auf das konzeptuelle Verständnis von Grundschülerinnen und –schülern im Themenbereich „Schwimmen und Sinken“. In mehreren Studien konnte nachgewiesen werden, dass die Nutzung von Denkwerkzeugen wie der Balkenwaage oder dem Kartesischen Graphen in komplexen Lernumgebungen im Sachunterricht der Grundschule zu einer langfristigen Verbesserung des konzeptuellen Verständnisses führte (Hardy, Jonen, Möller, & Stern, 2004; 2006; Hardy, Schneider, Jonen, Möller, & Stern, 2005).

Zwei 2006 abgeschlossene Dissertationen befassten sich mit dem Einfluss der Nutzung von kognitiven Werkzeugen auf den Erwerb von konzeptuellem Wissen. Michael Schneider untersuchte, wie spielerisches Üben mit dem Zahlenstrahl das Verhältnis von prozeduralem und kognitivem Wissen beeinflusst (Schneider, 2006). Henrik Saalbach erforschte in kulturübergreifenden Studien den Einfluss der Grammatik als kognitivem Werkzeug auf die Entwicklung von konzeptuellem Wissen (Saalbach & Imai, 2006; Saalbach & Imai, im Druck).

Die Nutzung von kognitiven Werkzeugen und ihr Einfluss auf die Interaktion von konzeptuellem und prozeduralem Wissen
Konzeptuelles Wissen sorgt, so die kognitiven Lerntheorien, für ein tieferes Verständnis der Grundprinzipien und Wechselbeziehungen, die die einzelnen Wissenselemente in einem Bereich verbinden. Prozedurales Wissen ermöglicht die effiziente und zielgerichtete Lösung von Routineaufgaben und ist auf kognitiver Ebene durch Produktionsregeln mit unterschiedlichem Automatisierungsgrad repräsentiert.

In der Literatur zu den Wechselbeziehungen von konzeptuellem und prozeduralem Wissen gibt es drei unterschiedliche Ansätze: concepts first-Ansätze, die von der Annahme ausgehen, dass konzeptuelles Wissen in der Regel zuerst erworben wird und dann einen Zuwachs an prozeduralem Wissen nach sich zieht; procedures first-Ansätze, die beim Wissenserwerb und bei der Kausalbeziehung eine genau umgekehrte Abfolge bzw. Richtung postulieren; und das Iterative Modell, nach dem die Abfolge des Wissenserwerbs erfahrungsabhängig und die Kausalbeziehung bi-direktional ist. In seiner Doktorarbeit versuchte Michael Schneider, getrennte Maße zu finden, mit denen sich konzeptuelles und prozedurales Wissen, das auf der Verhaltensebene untrennbar miteinander verwoben ist, unabhängig voneinander beobachten lässt.

In einer empirischen Versuchsreihe wurden im gut erforschten Bereich der Dezimalbrüche Voraussagen nach dem Iterativen Modell gegen Voraussagen nach dem concepts first- bzw. dem procedures first-Ansatz getestet. Hierzu wurden vier Maße für konzeptuelles Wissen (Einschätzung von Vorgehensweisen, Umsetzung in Kuchendiagramme, Größenvergleich und schriftliche Erklärungen) und vier Maße für prozedurales Wissen (Problemlösungskorrektheit, Problemlösungsdauer, Zugriffsasymmetrie, dual-task-Kosten) aus veröffentlichten Studien übernommen und angepasst.

In Studie 1 wurden die Wissensarten in Strukturgleichungsmodellen (SEM) als zwei latente Faktoren modelliert, die den acht manifesten Maßen zugrunde liegen, so dass die prädiktiven Relationen zwischen den Faktorpaaren über drei Messzeitpunkte hinweg in einem cross-lagged Panel-Design untersucht werden konnten. Die Stichprobe bestand aus 204 Fünft- und Sechsklässlern. Es zeigte sich, dass die acht Maße hohe konvergente Validitäten, jedoch geringe divergente Validitäten besitzen. Die sehr hohen Interkorrelationen der latenten Faktoren behinderten die Analyse der prädiktiven Relationen, die deswegen zwar Indizien, aber keine eindeutigen Belege für die Richtigkeit des Iterativen Modells lieferte.

In einer weiteren Studie mit 84 Fünftklässlern wurde untersucht, ob nicht trotzdem prozedurales und konzeptuelles Wissen durch ein überwiegend prozedural bzw. überwiegend konzeptuell ausgerichtetes Üben mit kognitiven Werkzeugen unabhängig voneinander gefördert werden kann. Getestet wurde in zwei Lernumgebungen mit dem "Fang-das-Monster-Spiel". In einem 2x3-Experimentaldesign mit zwei unabhängigen Treatment-Gruppen und drei Messpunkten zeigten sich keine Unterschiede zwischen den Gruppen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass der Zusammenhang zwischen konzeptuellem und prozeduralem Wissen viel enger ist, als aufgrund aller früheren Studien zu erwarten war, bei denen nur manifeste Maße benutzt wurden und die Anfälligkeit für Messfehler daher größer war. Insofern konnte das Iterative Modell weder bestätigt noch widerlegt werden. Zwar ist die Unterscheidung zwischen den beiden Wissensarten heuristisch nach wie vor nützlich, doch scheint kognitive Kompetenz in einem Inhaltsbereich wie Mathematik ein integriertes, gut ausgebildetes prozedurales wie kognitives Wissen vorauszusetzen.

Der Einfluss von grammatikalischen Sprachwerkzeugen auf die konzeptuellen Strukturen
Menschen strukturieren ihre komplexe Umwelt von Anfang an, indem sie Stimuli unter Anwendung verschiedener Kriterien nach Ähnlichkeit zusammenfassen. Bei konkreten Objekten ist die Form ein besonders auffälliges Merkmal, das sich zur Kategorisierung anbietet. Weit verbreitet ist auch eine Klassifizierung von Objekten nach thematischen Zusammenhängen auf der Basis von räumlicher oder zeitlicher Gleichzeitigkeit oder funktionalen oder kausalen Beziehungen (z.B. Möhre/Kaninchen, Schere/Papier, Kuh/Milch). Bereits bei jüngeren Kindern ist außerdem eine konzeptuelle Strukturierung nach nicht offenkundigen taxonomischen Beziehungen zu beobachten. Taxonomische Kategorien werden differenziert nach Spezifizierungsebenen (z.B. Tier, Hund, Collie), die über Klasseninklusion (z.B. ein Collie ist ein Hund, ein Hund ist ein Tier, ein Collie ist ein Tier) miteinander verbunden werden. Um herauszufinden, ob Objekte nach ihrer Form oder nach ihrer thematischen bzw. taxonomischen Beziehung zusammengefasst werden, wurden drei Arten von Aufgaben benutzt:

  1. Nicht-lexikalische Klassifikationsaufgaben, bei denen die Teilnehmer den Gegenstand auswählen sollten, der dem Standardobjekt am meisten glich;
  2. Wortlernaufgaben, bei denen die Teilnehmer eine neu gelernte Bezeichnung für den Standard auf andere Objekte übertragen sollten ("Das hier heißt FEB. Was heißt auch noch FEB?");
  3. Eigenschaftsinduktionsaufgaben, bei denen die Teilnehmer auf eine neue, nicht sichtbare Eigenschaft des Standardobjekts hingewiesen wurden (z.B. "Schaut her, hier ist IDOFORM drin.") und dann das Item auswählen sollten, das diese Eigenschaft am ehesten ebenfalls aufwies.

     

Nach der weithin akzeptierten Hypothese der sprachlichen Relativität kann die Grammatik der Muttersprache bei Kindern wie bei Erwachsenen einen Einfluss auf die konzeptuelle Struktur haben. Sprachübergreifende Untersuchungen haben gezeigt, dass bestimmte Elemente der Grammatik die kognitive Entwicklung vor allem dadurch beeinflussen können, dass sie die Aufmerksamkeit der Kinder in eine andere als die übliche Richtung lenken und sie so zu bestimmten Kategorisierungs- und Konzeptualisierungsprozessen anregen. In mehreren Studien wurde nachgewiesen, dass der Einfluss von grammatischen Strukturen wie der Zähl/Masse-Syntax oder dem grammatischen Geschlecht besonders stark ist. Die grammatische Struktur, mit der sich Henrik Saalbach in seiner Forschung befasste, war das chinesische System der Numeralklassifikatoren, mit denen Substantive zu sprachlichen Kategorien zusammengefasst werden, so wie es im Deutschen mit Hilfe des grammatischen Geschlechts geschieht. Im Unterschied zu den Genussystemen gibt es im Chinesischen jedoch mehr als 20 Klassifikatorkategorien, die aktiv benutzt werden und sich an semantischen Merkmalen wie Form, Funktion oder Belebtheit festmachen. So wird zum Beispiel "tiao", ein weit verbreiteter chinesischer Klassifikator für lange, biegsame Dinge, mit vielen Dingen aus unterschiedlichen taxonomischen Kategorien – Fische, Hunde, Flüsse, Straßen, Hosen und mehr – benutzt und geht selbst über die Grenze von belebt/unbelebt hinweg.

Die zentrale Frage war, ob die Konzeptbildung der Kinder durch das Klassifikatorensystem in irgendeiner Form beeinflusst wird. Aufgrund des semantischen Charakters der Klassifikatorkategorien (das heißt, der Tatsache, dass Form ein wichtiges semantisches Merkmal ist) wurde die Hypothese aufgestellt, dass chinesische Kinder und Erwachsene stärker als Sprecher von Nicht-Klassifikatorsprachen dazu neigen, Objekte nach ihrer Form und nicht nach ihren taxonomischen oder thematischen Beziehungen zusammenzufassen.

Deutschsprachige und chinesischsprachige Teilnehmer aus drei Altersgruppen (Dreijährige, Fünfjährige und Erwachsene) wurden mit einem match-to-standard-Verallgemeinerungsparadigma in den drei Formaten nicht-lexikalische Klassifikation, Wortlernen und Deduktion von Eigenschaften getestet. Bei allen Aufgabentypen bekamen sie ein Bild des Standardobjekts (z.B. eine Banane) gezeigt und wurden aufgefordert, eines von drei Items - ein taxonomisches Item aus derselben übergeordneten Kategorie (Traube), ein Form/Klassifikator-Item (Feder) und ein thematisches Item (Affe) - auszuwählen. Alle Objekte wurden als farbige Zeichnungen präsentiert.

Unterschiede zwischen deutschen und chinesischen Teilnehmern wurden nur bei der nicht-lexikalischen Klassifikation gefunden. Da die Form bei den chinesischen Klassifikatorkategorien ein wichtiges semantisches Merkmal ist, achteten die chinesischsprachigen Teilnehmer, und vor allem die Kinder, stärker als die deutschsprachigen Teilnehmer auf Ähnlichkeiten der Form. Bei der Deduktion von Eigenschaften gingen die meisten Versuchspersonen von taxonomischen Beziehungen aus. Beim Wortlernen entschieden chinesische wie deutsche Kinder nach der Form, alle Erwachsenen hingegen nach taxonomischen Beziehungen.

Alles in allem zeigen diese Untersuchungen, dass Kinder beim Lernen extrem flexibel und anpassungsfähig sind und vielfältige Umweltmerkmale als Hilfsmittel nutzen, um die Komplexität der Welt zu strukturieren. Zu diesen Umweltmerkmalen gehören auch die grammatikalischen Sprachwerkzeuge, die vor allem in Situationen herangezogen werden, in denen es keine die Aufmerksamkeit stärker beanspruchenden Merkmale gibt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass für die Lernumgebungen jüngerer Kinder ein bewusster sprachlicher Input wichtig ist. Lange bevor die Kinder die richtigen Grammatikregeln bei der Sprachproduktion aktiv nutzen können, nutzen sie sie beim Umgang mit komplexen neuen Informationen implizit, um brauchbare konzeptuelle Strukturen zu bilden.

Weitere Aktivitäten der ENTERPRISE-Gruppe und Fortführung an der ETH Zürich
Seit 2004 hat sich Elsbeth Stern zunehmend mit der Frage beschäftigt, ob die Neurowissenschaften richtungweisend für die Bildungsreform sein können (Stern, 2005a). Auf der einen Seite war es ihr Anliegen, unrealistischen Erwartungen in Bezug auf die Konsequenzen der Neurowissenschaften für Schule und Unterricht entgegenzutreten und die Wichtigkeit der traditionellen empirischen Lehr-Lern-Forschung zu betonen. Auf der anderen Seite erkannte sie an, dass die Zusammenarbeit zwischen Neurowissenschaften und Lehr-Lern-Forschung einzigartige Möglichkeiten bietet, um Einblick in die Interaktion von Geist und Gehirn im kulturellen Kontext zu gewinnen. Im Jahre 2005 leiteten und koordinierten Elsbeth Stern und Michael Schneider das vom Bundesministerium für Bildung und Wissenschaft finanzierte Forschungsprogramm NIL (Neurowissenschaften, Instruktion, Lernen). Inzwischen fördert NIL sechs Forschungsprojekte, in denen Neurowissenschaftler und Lehr-Lern-Forscher Fragen der Funktionsweise des Gehirns bei schulbezogenen Aktivitäten untersuchen.

2006 nahm Elsbeth Stern einen Ruf als Professorin für Lehr- und Lernforschung im Bereich der Lehrerausbildung für die Sekundarstufe (Master-Studiengang) an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich an, und die Forschungsgruppe wechselte zur ETH. Trotz dieser Verlagerung der Lehr-Lern-Forschung auf den Unterricht in der Sekundarstufe wurde die theoretische Ausrichtung des ENTERPRISE-Projekts beibehalten. Schwerpunkt der Arbeit ist jetzt, zu erforschen, wie beim Lernen im naturwissenschaftlichen Bereich die Verknüpfung neuer Informationen mit bereits vorhandenem Wissen durch den Gebrauch von kognitiven Werkzeugen optimiert werden kann. In Fortführung der Forschung zur Interaktion zwischen Intelligenz und Wissen (Grabner et al., 2006) wird ein besonderer Schwerpunkt außerdem auf der Frage liegen, wie individuelle kognitive Ressourcen das Lernen in den Natur- und Ingenieurwissenschaften beeinflussen.

Weiterführende Literatur

Grabner, R., Neubauer, A., & Stern, E. (2006). Superior Performance and Neural Efficiency. Brain Research Bulletin, 69, 422-439.

Hardy, I., Jonen, A., Möller, K. & Stern, E. (2006). Effects of Instructional Support Within Constructivist Learning Environments for Elementary School Students’ Understanding of “Floating and Sinking.” Journal of Educational Psychology, 98(2), 307-326.

Hardy, I., Schneider, M., Jonen, A., Möller, K., & Stern, E. (2005). Fostering Diagrammatic Reasoning in Science Education. Swiss Journal of Psychology, 64(3), 207-217.

Hardy, I., Jonen, A., Möller, K., & Stern, E. (2004). Die Integration von Repräsentationsformen in den Sachunterricht der Grundschule. In J. Doll & M. Prenzel (Hrsg.), Bildungsqualität von Schule: Lehrerprofessionalisierung, Unterrichtsentwicklung und Schülerförderung als Strategien der Qualitätsverbesserung (S. 267-283). Münster: Waxmann.

Saalbach, H., & Imai, M. (in press). The scope of linguistic influence: Does a classifier system alter object concepts? Journal of Experimental Psychology: General.

Saalbach, H., & Imai, M. (2006). Categorization, Label Extension, and Inductive Reasoning in Chinese and German Preschoolers: Influence of a Classifier System and Universal Cognitive Constraints. Proceedings of the 27th Annual Conference of the Cognitive Science Society.

Saalbach, H., & Stern, E. (2004). Differences between Chinese morpho-syllabic and German alphabetic readers in the Stroop interference effect. Psychonomic Bulletin & Review, 11, 709-715
Schneider, M. (2006). Konzeptuelles und prozedurales Wissen als latente Variablen: Ihre Interaktion beim Lernen mit Dezimalbrüchen. Unpublished PhD thesis, Technische Universität Berlin, Berlin.

Stern, E. (2005a). Pedagogy meets Neuroscience. Science, 310, 745.

Stern, E. (2005b). Brain goes to school. Trends in Cognitive Science, 9, 563-565

ENTERPRISE-Team

Elsbeth Stern
Ilonca Hardy

Promotionsstipendiaten:
Anja Felbrich
Michael Schneider

Kooperationspartner:
Prof. Dr. Kornelia Möller, Universität Münster
Dr. Susanne Koerber, Universität München
Dipl.-Psych. Henrik Saalbach, University of Beijing