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Mehr als eine Rechenmaschine - E-Learning im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht
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Mehr als eine Rechenmaschine - E-Learning im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht

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Kapitel des L3T Lehrbuchs (http://l3t.eu)

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  • 1. Steffen  Schaal,  Chrisan  Spannagel  und  Markus  VogelMehr als eine RechenmaschineComputer im mathematisch-naturwissenschaftlichen UnterrichtIm   mathemasch-­‐naturwissenschaIlichen   Unterricht   kann   der   Computer   verschiedene   Funkonen   alsWerkzeug   übernehmen.   Er   bietet   beispielsweise   die   Möglichkeit,   komplexe   Berechnungen   durchzuführen,abstrakte  Sachverhalte  zu  veranschaulichen  und  mathemasch-­‐naturwissenschaIliche  Kontexte  zu  erfor-­‐schen.  Dabei  ist  der  Computer  in  der  Regel  nicht  nur  HilfsmiFel,  sondern  auch  Lerninhalt.  Seine  Nutzungmuss   ebenso   erlernt   werden,   wie   die   mathemaschen   oder   naturwissenschaIlichen   Fachinhalte.   Unteranderem   muss   aus   diesem   Grund   der   Computereinsatz   didaksch-­‐methodisch   begründet   und   geplantsein,  um  Gefahren  und  Probleme  der  Computernutzung  im  Unterricht  zu  vermeiden.Quelle:  Jorge  FranganilloURL:  hFp://www.flickr.com/photos/franganillo/3676227162/  [2010-­‐12-­‐12] #mathemak #spezial #fachgegenstand Version  vom  1.  Februar  2011 Für  dieses  Kapitel  wird  noch  ein  Pate  gesucht, Jetzt Pate werden! mehr  Informaonen  unter:  hFp://l3t.eu/patenschaI
  • 2. 2  —  Lehrbuch  für  Lernen  und  Lehren  mit  Technologien  (L3T) werbung und einen Lebenslauf zu schreiben, und im1. Einleitung Mathematikunterricht wird die Nutzung eines Tabel- lenkalkulationssystems zur Auswertung von Daten In  diesem  Kapitel  wird  im  Wesentlichen  der  Computer erlernt. Letztlich wird in computerunterstützten ! als   technologisches   Werkzeug   im   Unterricht   be-­‐ trachtet.   Die   Überlegungen,   die   in   diesem   AbschniF Lehr- und Lernsituationen das Erlernen der Compu- beschrieben   werden,   gelten   aber   auch   für   andere ternutzung integraler Bestandteil: Die Verwendung Technologieformen,   wie   beispielsweise   leistungs-­‐ des Computers wird anhand fachlicher Probleme mo- fähige  Smartphones. tiviert, und fachliche Inhalte werden durch Technolo- gieeinsatz verständlich vermittelt bzw. erarbeitet.Der Computer kann – nicht nur im mathematisch-na- 2. Funk.onen  des  Computersturwissenschaftlichen Unterricht – verschiedeneRollen in Lehr- und Lernsituationen einnehmen Betrachtet man den Computer als Werkzeug, so(Spannagel, 2007). Zum einen kann er als Hilfsmittel lassen sich verschiedene Nutzungskategorien fest-eingesetzt werden mit dem Ziel, bestimmte Inhalte machen (vgl. Köhler, 2004; Weitzel, 2004; Spannagel,oder Kompetenzen zu vermitteln. In diesem Fall ist 2007). Diese Kategorien sind in Abbildung 1 darge-er Medium, mit dessen Hilfe Inhalte dargestellt stellt. Sie sind nicht trennscharf; so können Wikis bei-werden, oder Werkzeug, das zur Herstellung digitaler spielsweise der Informationssuche dienen (Recher-Produkte dient. Ähnlich wie bei jedem anderen Me- chewerkzeug) oder der textbasierten Zusammenarbeitdium und Werkzeug muss die Lehrperson ent- (Kollaborationswerkzeug).scheiden, in welchen Unterrichtsphasen, bei welchen Computer  als  RechenwerkzeugInhalten, mit welchen Lernzielen und für welche Ler-nenden der Computer geeignet ist. Er „konkurriert“ Im Mathematikunterricht spielt Tabellenkalkulationin diesem Fall mit anderen Medien (wie Büchern und eine wesentliche Rolle. TabellenkalkulationssoftwareFilmen) und Werkzeugen (wie beispielsweise Papier, kann Lernende von einfachen, oftmals wiederkeh-Bleistift und Geodreieck). Zum anderen kann er renden Berechnungen befreien und so kognitive Res-selbst zum Lerninhalt werden, nämlich dann, wenn sourcen für das tiefere Verständnis von Lerninhaltendie Nutzung von Software selbst Lernziel ist. So zählt frei räumen: Routineaufgaben werden vom Computeres zu den allgemein bildenden Aufgaben der Schule, gelöst, während sich die Lernenden anspruchsvol-informationstechnische Grundbildung zu vermitteln. leren Aufgaben widmen können. Der ComputerHierzu zählen die Beherrschung von Standardanwen- übernimmt dabei die Funktion des (funktionsmächti-dungen wie Textverarbeitung, Tabellenkalkulation geren) Taschenrechners. So können beispielsweiseund Präsentationssoftware und die zielgerichtete Daten von naturwissenschaftlichen ExperimentenNutzung des Internets zu Recherchezwecken. einfach ausgewertet werden, ohne dass dabei Kenn- Die Rollen Hilfsmittel und Lerninhalt schließen größen wie Mittelwerte und Standardabweichungensich nicht aus, sie sind in der Regel sogar miteinander von den Lernenden selbst berechnet werden müssen.verbunden. Das Erlernen der Computernutzung In diese Kategorie gehören auch Computeralgebra-findet oft nicht (nur) in einem separaten Schulfach systeme, die den Lernenden algebraische Umfor-statt, sondern ist in die Fächer integriert und wird mungen abnehmen können. Der Einsatz des Com-dort mit traditionellen Lerninhalten verwoben. So puters als Rechenwerkzeug hängt von den gesetztenwird beispielsweise im Deutschunterricht ein Textver- Lernzielen ab: Wenn bestimmte Berechnungsroutinenarbeitungssystem eingesetzt, um damit eine Be- erlernt werden sollen, dann sollte man vom Einsatz Abbildung  1:  Funktionen  des  Computers  mit  exemplarischen  Aspekten
  • 3. Mehr  als  eine  Rechenmaschine.  Computer  im  mathemasch-­‐naturwissenschaIlichen  Unterricht—  3des Computers oder Taschenrechners absehen oder schirmexperimente (IBE) (Kirstein & Nordmeier,ihn allenfalls zur Überprüfung der Ergebnisse ein- 2007) die Möglichkeit, die Funktionsweise von Ge-setzen. Sollen sich die Lernenden hingegen Problem- räten zu erkunden, ohne Gefahr zu laufen, realeaufgaben widmen, dann kann der Computer zu einer Geräte zu beschädigen. Nach der ExplorationsphaseEntlastung von Routineaufgaben beitragen. am Computer können die Lernenden zur Bedienung der echten Geräte zugelassen werden. Je nach er-Computer  als  Explora.onswerkzeug wünschtem Lernziel können aber auch virtuelle Ex- perimente (siehe Kapitel #labor) die reale Durch- Links   zu   dem   im   Kapitel   beschriebenen   Beispielen führung ersetzen, wenn wenig Zeit oder finanzielle ! finden  Sie  in  der  L3T  Gruppe  bei  Mr.  Wong  unter  Ver-­‐ wendung  der  Hashtags  #l3t  #mathemak Ressourcen für naturwissenschaftliche Experimente zur Verfügung stehen. Grundsätzlich steht hier die kognitive Aktivierung im Vordergrund, das haptische Handhaben von Messgeräten führt nicht unbedingtLernende können die Berechnungskapazitäten des zu besseren Lernerfolgen.Computers nutzen, um Hypothesen schnell zu testen, Mobile Computertechnologien eröffnen die Mög-ohne jedes Mal selbst wieder alle Rechnungen durch- lichkeit zu ortsbezogenen Aktivitäten an außerschuli-zuführen. So können sie beispielsweise Zufallsexperi- schen Lernorten oder in der Natur. Der Einsatz vonmente mit dem Computer simulieren: Mit Hilfe einer Geoinformationssystemen (zum Beispiel unterTabellenkalkulation kann ein virtueller Würfel auf Nutzung von GPS) ermöglicht beispielsweise Lern-Knopfdruck beliebig oft geworfen werden, und das und Arbeitsformen zum eigenständigen und selbstge-Resultat kann sofort mit Hilfe von Diagrammen vi- steuerten Entdecken von Lebensräumen, bei denensualisiert werden. Ebenso dienen dynamische Geo- der Lernende entweder an interessanten Stellen rele-metrie-Systeme (DGS) der Exploration. Im Ge- vante Informationen abrufen kann oder mit derengensatz zu geometrischen Konstruktionen auf Papier Hilfe auch motivierende Lern-Spielformen realisiertoder auf der Tafel können Konstruktionen in einem werden können (Baker & White, 2003).D G S dynamisch verändert werden. Wird beispiels-weise der Thaleskreis konstruiert, so kann man miteinem DGS die Größe des Winkels am Kreisbogen Beispiel  zu  Unterrichtsmaterialien:explorativ untersuchen, indem man die entspre-chende Ecke des Dreiecks entlang des Kreisbogens ! ▸ hFp://www.dynamische-­‐ geometrie.de/index1.htm  bewegt, oder umgekehrt lässt sich der Thaleskreis- ▸ hFp://www.juergen-­‐roth.de/dynageo_roth.html  bogen als Spur eines variablen Punktes über einerStrecke finden, dessen Verbindungslinien zu An- Computer  als  Visualisierungswerkzeugfangs- und Endpunkt der betreffenden Strecke einen Mit Hilfe von Tabellenkalkulationsprogrammen oderrechten Winkel einschließen. Statistiksoftware können Daten aus naturwissen- Phänomene in der Natur sind nicht immer im Ori- schaftlichen Experimenten einfach aufgenommenginal „erlebbar“ und naturwissenschaftliche Versuche und beispielsweise durch Diagramme visualisiertsind zuweilen entweder zu kostspielig, aufwändig, zei- werden. Darüber hinaus bieten die Interaktivität undtintensiv, schlecht realisierbar oder schlicht zu ge- Dynamik computerbasierter Repräsentationen denfährlich, um sie im Unterricht real durchzuführen. Lernenden die Möglichkeit, Veränderungen zu sehenMit Hilfe von computergestützten Technologien und nachzuvollziehen, die sie sich aus eigener Kraftlassen sich beispielsweise durch Simulationen die rele- nicht ohne externe Hilfsmittel vorstellen könnenvanten Grundlagen für das Verständnis von Phäno- (Supplantation; Salomon, 1994). So können zum Bei-menen eigenständig erarbeiten, dokumentieren und spiel abstrakte Repräsentationen, wie Funktions-interpretieren. Mit Hilfe von Sensoren können graphen, dynamisch mit den repräsentierten Sachver-zudem Daten der „wirklichen Welt“ generiert und in halten als multiple externe Repräsentationen ver-einer virtuellen Welt verarbeitet, interpretiert und zu- knüpft werden (Ainsworth, 1999; Vogel, 2006).sammengefasst werden. So können Funktionsweisen Durch die externe Repräsentation dynamischer Be-des menschlichen Körpers, wie beispielsweise die ziehungen können die Lernenden direkt sehen, waselektrische Aktivität des Herzens, mit einfachen vorstellbar ist. Nimmt man diese Unterstützung suk-Schnittstellen erfasst, bearbeitet und mit geeigneten zessive zurück (engl. fading out), dann sollten diedigitalen Werkzeugen ausgewertet werden. Darüber Lernenden zunehmend in der Lage sein, sich die dy-hinaus bieten Simulationen, wie die Interaktiven Bild-
  • 4. 4  —  Lehrbuch  für  Lernen  und  Lehren  mit  Technologien  (L3T)namischen Beziehungen selbst vorstellen zu können. Duit, 2008; Müller et al, 2004). Aber auch die ko-Dynamische Animationen können somit den Aufbau gnitive Strukturierung eines Wissensbereichs ist fürdynamischer mentaler Modelle unterstützen. die Abrufbarkeit in Anwendungssituationen von ent- Naturwissenschaftliche Modellbildung entzieht scheidender Bedeutung (Beisser et al, 1994). Insich häufig der unmittelbaren Wahrnehmung, ebenso beiden Fällen können computergestützte Strukturie-wie das Verständnis von komplexen Zusammen- rungshilfen genutzt werden. Digitale-Mind Maps undhängen in natürlichen Systemen. Viele Merkmale von Concept Maps bilden Wissen ab und können bei derLebewesen erschließen sich nicht durch deren äußere kooperativen Wissensstrukturierung ohne WeiteresBetrachtung. Computergestützte Technologien lassen flexibel verändert werden. Die unmittelbare Ver-es zu, grundlegende naturwissenschaftliche Inhalte so knüpfung neuer Wissenseinheiten mit bestehendenaufzubereiten und darzustellen, dass ein Lernender Strukturen fördert die Anbindung an das thematischebei der Konstruktion von tragfähigem Wissen und Vorwissen (Chen & McGrath, 2003). Digitalementalen Modellen unterstützt werden kann. In ge- Concept Maps ermöglichen es einerseits, Begriffeeigneten interaktiven Bildern können beispielsweise und Relationen (im Vergleich zu traditionellen papier-weiterführende Informationen enthalten sein, die bei gestützten Verfahren) flexibel zu strukturieren und inBedarf abgerufen werden. Animationen unterstützen der Komplexität dem eigenen Expertisegrad anzu-den Lernenden auf dem Weg von der unmittelbaren passen. Andererseits kann konzeptuelles WissenWahrnehmung hin zum Modell und zeitlich bezie- durch die Verknüpfung mit vertiefenden Inhaltenhungsweise räumlich ausgedehnte Prozesse lassen (zum Beispiel weiteres Bild- und Textmaterial, Ani-sich leicht darstellen. Gegenüber traditionellen mationen, Hyperlinks, etc.) erweitert werden (conceptMedien, wie Buch oder Film, ist der entscheidende und content knowledge; Tergan et al, 2006). Für dieVorteil computergestützter Technologien, dass die Anwendbarkeit von naturwissenschaftlichem WissenVisualisierungen dynamisiert werden können und der reicht es meist jedoch nicht, Objekte hierarchisch ein-Lernende durch vielfältige Interaktionsmöglichkeiten zuordnen, sondern für verstehende Lernprozessestets aktiv-regulierend in den Darstellungsprozess sind gerade Beziehungen zwischen ihnen ent-eingreifen und seinen individuellen Lernprozess scheidend (Novak, 2010). Beide Mapping-Technikensteuern kann. erlauben zudem anhand ihrer Struktur einen schnellen Einblick in den gegenwärtigen Leistungs-Computer  als  Recherchewerkzeug stand der Lernenden sowie Rückschlüsse auf das Er-Seit den frühen 1990er-Jahren halten Computertech- reichen intendierter Lehr-/Lernziele (Schaal et al,nologien als riesige Informationsspeicher Einzug in 2010).die Gestaltung von Lehr- und Lernumgebungen. Die Computer  als  Produk.onswerkzeugeffiziente und kritische Nutzung dieser Wissensres-sourcen in formalen aber auch informellen Bildungs- Lernende können mit Hilfe von Technologie ihre Ar-prozessen will erlernt sein, insbesondere wenn auf beitsergebnisse dokumentieren und präsentieren. SoQuellen aus dem Internet zurückgegriffen wird oder bieten Präsentationsprogramme die Möglichkeit, Er-wenn individuelles und kollektives Wissen intera- gebnisse mathematisch-naturwissenschaftlicher Pro-gieren (Kimmerle et al, 2010). Aber auch lokale di- jekte auf Folien zusammenzustellen und den Mit-gitale Nachschlagewerke bieten gegenüber traditio- schülern vorzustellen. Naturwissenschaftliche Beob-nellen Lexika in Buchform vielfältige Vorteile. Insbe- achtungen und Experimente können zudem aufsondere im naturwissenschaftlichen Unterricht Video aufgezeichnet und anschließend im Internetkönnen die Lernenden im Internet oder in digitalen auf einer Videoplattform (zum Beispiel Youtube) öf-Enzyklopädien nach Medien wie Texten, Bildern und fentlich gemacht werden. Aufwändig durchzufüh-Filmen zu bestimmten Themen suchen und die ge- rende Beobachtungen (zum Beispiel Verhalten vonfundenen Informationen zusammentragen, zusam- Tieren) und Experimente können so einmalig aufge-menfassen und bewerten (siehe Kapitel #literatur). nommen werden, und die Videos lassen sich auch in anderen Klassen immer wieder einsetzen, wenn dieComputer  als  Strukturierungswerkzeug Bedingungen die Durchführung des Versuchs nichtBei der Planung und Gestaltung von Lehr- und Lern- zulassen.prozessen in den naturwissenschaftlichen Disziplinenist die Berücksichtigung vorhandener Vorstellungenund des inhaltsbezogenen Vorwissens der Lernendenmitentscheidend für den Lernerfolg (vgl. Duit, 2003;
  • 5. Mehr  als  eine  Rechenmaschine.  Computer  im  mathemasch-­‐naturwissenschaIlichen  Unterricht—  5Computer   als   Kommunika.ons-­‐   und   Kollabora.ons-­‐ „originale Objekt“ zurückgedrängt wird. Insbe-werkzeug sondere im Zusammenhang mit Fragen zur belebtenInsbesondere neuere Technologien des Web 2.0 er- und unbelebten Natur (z.B. Umweltbildung undmöglichen es, orts- und zeitungebunden zu kommu- Ökologie) ist darauf zu achten, dass die Unter-nizieren und zusammenzuarbeiten. Wikis beispiels- stützung des Erkenntnisprozesses durch die Mög-weise bieten einen Raum für Lernende, gemeinsam lichkeit des eigenständigen, sinnlichen Erlebens berei-bestimmte mathematisch-naturwissenschaftliche In- chert wird. Es ist mit der computergestützten Ab-halte zu bearbeiten. Ein Beispiel hierfür ist ein virtu- bildung (zumindest nach dem heutigen Stand derelles Herbarium, das heißt eine virtuelle Sammlung Technik) durch die Reduktion auf die sinnliche Wahr-von Pflanzen und ihren Eigenschaften. Lernende nehmung von Sehen und Hören ein Informations-können in der Natur Pflanzen mit ihren Handys foto- verlust verbunden. So lassen sich beispielsweisegrafieren, in das Wiki einstellen und dort be- weder der Geruch einer Pflanze noch das Erfühlenschreiben. Wenn unterschiedliche Gruppen ver- einer Schlangenhaut abbilden. Multimedia kann inschiedene Pflanzen einstellen, dann entsteht mit der diesen Fällen ergänzen und unterstützen, aber nichtZeit eine kollaborativ erstellte Sammlung von Pflan- ersetzen.zenbeschreibungen. In Kombination mit GPS-Datenkönnen die beschriebenen Standorte auch direkt be-sucht werden, und so wird die virtuelle mit der realen Grundlegend   für   die   erfolgreiche   TechnologienutzungUmwelt verbunden. Manche Wikis ermöglichen über ! im   mathemasch-­‐naturwissenschaIlichen   Unterricht sind   innerhalb   der   genannten   Beispiele   eine   Reihe   all-­‐das Einbinden von Bildern hinaus noch weitere me- gemeiner  Kriterien  (Girwidz  et  al,  2006):  diale Möglichkeiten (beispielsweise das MediaWiki ▸ Computerunterstütztes  Lernen  findet  in  Kontextenmit entsprechenden Erweiterungen). So können Ler- staF,   die   alltags-­‐   und   wirklichkeitsnah   sind   (an-­‐nende im Mathematikunterricht erstellte DGS-Kon- chored  instrucon,  situated  learning)struktionen in das Wiki einbinden, oder sie erstellen ▸ Computerunterstütztes   Lernen   bietet   Möglich-­‐ keiten  zur  akven  Arbeit  (Interakvität)Rechenübungen mit Überprüfungsfunktion für ihre ▸ Computerunterstütztes   Lernen   soll   kognive   Res-­‐Mitschüler/innen (zum Beispiel das Wiki des Regio- sourcen   erhöhen   und   diese   nicht   (darstellungsbe-­‐montanus-Gymnasiums in Haßfurt). Neben dem Er- dingt)  reduzieren  (usability,  cognive  load)stellen und Einstellen von Inhalten bieten viele Platt- ▸ Computerunterstütztes   Lernen   nutzt   die   Vorteileformen zudem die Möglichkeit zur Diskussion der gegenüber   klassischer   Medien   (Mulcodierung,Inhalte. Darüber hinaus können sich Schulklassen, Mulmodalität)  die in mehrere räumlich getrennte Gruppen aufgeteilt ▸ Computerunterstütztes   Lernen   findet,   wenn möglich,   Verbindungen   zu   Lernakvitäten   in   dersind, mit Informationstechnologie vernetzen und realen  Welt  austauschen. Ein Beispiel hierfür sind „remote acces-sible field trips“, in denen Schülergruppen von einemaußerschulischen Lernort direkt ins Klassenzimmer Die vielfältigen Möglichkeiten digitaler Unter-berichten (vergleiche EU-Projekt RAFT). richtsmittel führen bisweilen zu einem „multime- dialen Overload“ für minimale Inhalte, die aufComputer  als  Übungswerkzeug andere Weise deutlich effizienter vermittelt werdenEs gibt zahlreiche Lernsoftware, die insbesondere für könnten. In diesem Fall führt nicht der eigentlicheden Nachmittagsmarkt produziert wird. So können Lerninhalt, sondern seine Vermittlung zur kognitivenLernende mit entsprechenden Produkten arithme- Belastung – bildlich gesprochen wird der Verpackungtische Übungen durchführen (zum Beispiel das mehr Aufmerksamkeit geschenkt als dem Inhalt. DaRechnen im Zahlenraum bis 100 oder Bruch- aber die kognitive Belastungsfähigkeit zwar je nachrechnen). Individuum unterschiedlich stark ausgeprägt, aber Das Spektrum reicht dabei von einfacher Übungs- grundsätzlich beschränkt ist, kann so die Gefahr auf-software bis hin zu Edutainment-Produkten, die in treten, dass für den eigentlichen Lerninhalt keine ko-motivierenden Lernumgebungen anregende Pro- gnitiven Kapazitäten mehr zur Verfügung stehen.blemlöseaufgaben bereithalten. Der Gebrauch mächtiger technologischer Werkzeuge darf nicht zum Selbstläufer werden. Je weitreichender3. Gefahren  und  Probleme die technologischen Möglichkeiten sind, umso mehrComputerunterstütztes Lernen im mathematisch-na- Zeit muss die Lehrkraft für das Erlernen der entspre-turwissenschaftlichen Unterricht birgt die Gefahr, chenden Werkzeuge einplanen.dass bei einseitigem Einsatz die Anbindung an das
  • 6. 6  —  Lehrbuch  für  Lernen  und  Lehren  mit  Technologien  (L3T) Bei technologiegestützten Simulationen besteht bei leistungsschwächeren Lernenden ist diese Gefahrmitunter die Gefahr, dass der inhaltliche Hintergrund zu sehen, da die Informationsvielfalt ihre kognitiveden Lernenden verborgen bleibt, wenn diese davor Kapazität erwartungsgemäß schneller übersteigt.oder danach nicht die Gelegenheit haben zu erfor- Neben den kognitionsbezogenen Gefahren derschen, was genau der Computer in großer Geschwin- Computernutzung sind zudem noch organisato-digkeit und vollautomatisiert erledigt. Wenn beispiels- rische Probleme zu nennen. Soll im Unterricht mitweise die Lernenden die Grundstruktur eines techno- Computern gearbeitet werden, so muss die Klasse inlogiegestützten Zufallsexperiments, zum Beispiel für der Regel in den Computerraum der Schule wechseln.die Ermittlung der Gewinnchancen bei einem Dieser ist nicht jederzeit zugänglich und muss daherGlücksspiel, inhaltlich nicht erfasst haben, werden sie von der Lehrperson zuvor reserviert werden. Raum-die Ergebnisse einer entsprechenden computerge- wechsel sind immer auch mit einem Verlust von Un-stützten Simulation mit einer sehr großen Zahl von terrichtszeit verbunden, und technische ProblemeDurchläufen nicht interpretieren können. Der Com- können den Unterrichtsfluss behindern. Der Einsatzputer wird dann zur „black box“, deren Ergebnisse eines Computers sollte aber hingegen ähnlich flexibelman zwar vertraut, die aber nach unbekannten Ge- in das Unterrichtsgeschehen eingebaut werdensetzmäßigkeiten arbeitet. Es gilt jedoch die „Hoheit“ können wie die Nutzung des Taschenrechners. Diesüber den Lernstoff den Lernenden, nicht dem Com- wird vermutlich erst dann möglich sein, wenn jederputer, zu übergeben. Schüler und jede Schülerin ein leistungsfähiges, kos- Stehen computergestützte Visualisierungen je- tengünstiges Kleingerät im Klassenzimmer zur Ver-derzeit zur Verfügung, erübrigt sich für die Ler- fügung hat. Einen ersten Ansatz hierfür bilden Lap-nenden die eigene Generierung entsprechender men- topklassen beziehungsweise der Einsatz von mobilentaler Vorstellungen, sie verbleiben in der Rolle des Laptop-Wagen (zum Beispiel 12 Laptops und W-passiven Zuschauers. Auf diesem Hintergrund be- LAN, ähnlich dem klassischen „Videowagen“) undgründet sich das oben genannte fading out, bei dem ergänzend Computerinseln im Klassenzimmer oderdie externe Hilfe mit entsprechend aktivierenden in Bereichen, die den Lernenden zugänglich sind.Aufgaben zunehmend zurückgenommen wird, um 4. Fazitdie Lernenden zur eigenen mentalen Modellbildunganzuregen. Zudem müssen Visualisierungen wohl Die vorausgehenden Überlegungen machen deutlich,überlegt sein: Ungünstige computergestützte Darstel- dass technologische Hilfsmittel durch ihre dynami-lungen, die sich ausschließlich an inhaltlichen Ge- schen und interaktiven Möglichkeiten den mathema-sichtspunkten, aber nicht an Sehgewohnheiten der tisch-naturwissenschaftlichen Unterricht in nochalltäglichen Wahrnehmung richten, können bei Ler- nicht dagewesener Weise bereichern können.nenden mit wenig Vorwissen beziehungsweise gerin- Gleichwohl ist damit kein Automatismus hin zumgerem Abstraktionsvermögen zu unangemessenen Besseren, kein Heilversprechen per se verbunden. EsVorstellungen führen, die sehr stabil sind und sich verbleibt der Lehrkraft nach wie vor die Aufgabe, denhartnäckig halten können (z.B. graph-as-picture mis- Unterricht entsprechend der Medienmöglichkeitenconception; Clement, 1989). didaktisch-methodisch zu arrangieren. Aufgrund der Im Bereich der Informationsrecherche und -auf- Interdependenz von didaktischen, methodischen,bereitung besteht im schulischen Kontext immer die personalen und medialen UnterrichtsentscheidungenGefahr, dass sich vor allem Lernende mit geringer (Jank & Meyer, 1991) stellen sich damit an die Lehr-Netzerfahrung im Internet verirren. Mit Hilfe von kräfte neue Anforderungen an die Unterrichts-WebQuests (Bescherer, 2007) oder VideoClipQuests planung und -gestaltung, wenn sie dem Anspruch ge-(Blessing & Kortenkamp, 2008) kann eine Lehrkraft recht werden wollen, das Potenzial neuer Techno-die Pfade durch das Web vorstrukturieren und den logien hinsichtlich einer optimalen Gestaltung vonLernprozess durch geeignete Aufgabenstellungen Lernprozessen auszuschöpfen. Mit der bloßen An-unter Nutzung von Open-Source-Quellen stützen. wendung traditioneller Lehr- und LernarrangementsDiese Möglichkeit der Unterstützung hilft auch der wird dieser Anspruch schwerlich erfüllbar sein. Es istGefahr zu begegnen, dass die Lernenden zwar im die Offenheit und das Interesse für Neues, auf SeitenNetz Informationen sammeln, diese aber für die un- der Lehrkräfte wie auf Seiten der Lernenden, die ge-terrichtliche Aufbereitung unverstanden aneinander- wissermaßen als personelle Voraussetzungen diereihen, ohne den inneren Zusammenhang der zu- Chancen eines technologiegestützten mathematisch-grundeliegenden Thematik zu durchdringen. Gerade naturwissenschaftlichen Unterricht erst eröffnen. Die Beantwortung der Frage, wie Unterricht durch ge-
  • 7. Mehr  als  eine  Rechenmaschine.  Computer  im  mathemasch-­‐naturwissenschaIlichen  Unterricht—  7 In der Praxis : Technologie im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht Das  System  der  Blütenpflanzen  –  ein  koopera.v-­‐computer-­‐ Die  Analyse  des  atmosphärischen  CO2-­‐Gehalts  –  ein  compu-­‐ unterstütztes  Kompaktseminar tergestütztes  interdisziplinäres  Koopera.onsprojekt   Zur   Erarbeitung   der   Biodiversität   werden   die   Grundlagen   der Zunächst   recherchieren   die   Lernenden   Daten   und   Informa-­‐ Pflanzensystemak   im   Rahmen   der   Biologielehrer/innen-­‐ onen   zum   atmosphärischen   CO₂-­‐Gehalt   in   Internet-­‐Daten-­‐ Ausbildung  erarbeitet.  Dazu  nutzen  Lernergruppen  zunächst banken.   Der   Datensatz   kann   nach   dem   Download   direkt   in vorstrukturierte   digitale   Mind   Maps   mit   Verknüpfungen   zu ein   Tabellenkalkulaonsprogramm   eingelesen   werden,   so einschlägigen  Quellen  im  Internet  und  erweitern  die  Vorlage dass  die  relevanten  Informaonen  dort  gespeichert  zur  Ver-­‐ im   Lernprozess   durch   EigenschaIen   und   Merkmale   der   be-­‐ fügung   stehen.   Im   Sinne   der   exploraven   Datenanalyse handelten   Pflanzenfamilien.   Auf   diese   Weise   entstehen   aus werden   die   Daten   in   einem   Punktdiagramm   visualisiert,   so den   einzelnen   Experten/innen-­‐Gruppenergebnissen   kollabo-­‐ dass   die   Lernenden   nach   einer   groben   Daten-­‐Durchsicht   im rav   erstellte,   vollständige   Übersichts-­‐Maps   über   das   System TabellenblaF  (globale  Zunahme,  lokale  Wechsel  von  Zu-­‐  und der   Blütenpflanzen.   In   einem   nächsten   SchriF   erfassen   die Abnahmen)  aufgrund  von  graphischen  Merkmalen  ihre  Cha-­‐ jeweiligen   Experten/innen-­‐Gruppen   in   einem   Lebensraum rakterisierungen   verfeinern   können:   globaler   Trend   als   li-­‐ relevante   Pflanzen,   markieren   den   Standort   auf   Google-­‐ neare   Zunahme,   periodische   Schwankungen   entsprechend Maps   beziehungsweise   Google   Earth   (SiFe,   2009)   oder   per der   Jahreszeiten   als   lokaler   Trend.   Die   auf   computergene-­‐ GPS-­‐Koordinaten   und   bereiten   für   die   anderen   Lerner-­‐ rierten   Visualisierungen   gestützten   Vermutungen   werden Gruppen  einen  digitalen  Lerngang  vor.  Nun  gehen  die  Lerner-­‐ nun   rechnerisch   überprüI:   Der   globale   Datenanseg   lässt gruppen   alle   vorbereiteten   Standorte   ab   und   fotografieren sich   mithilfe   der   Tabellenkalkulaon   über   eine   gleitende die   jeweiligen   Pflanzen,   idealerweise   in   Verbindung   mit   den MiFelwertkurve   (Aneinanderreihung   der   Monat   für   Monat GPS-­‐Koordinaten.  Als  Produkt  des  Arbeits-­‐  und  Lernprozesses berechneten   JahresmiFelwerte)   berechnen.   Auch   die   Ein-­‐ wird   von   den   Lerner-­‐Gruppen   ein   digitales   Herbarium   er-­‐ passung   einer   Sinusfunkon   für   die   periodischen   Schwan-­‐ stellt,   welches   entweder   öffentlich   gemacht   werden   oder kungen   gelingt   nur   mit   Rechnerhilfe.   Aufgrund   ihrer lokal  als  persönliche  Lern-­‐  und  Arbeitsdokumentaon  dienen Datenanpassung   erstellen   die   Lernenden   vorsichge   Pro-­‐ kann. gnosen   über   den   weiteren   CO2-­‐Anseg   und   präseneren ihren   Arbeitsprozess   der   Datenanalyse   sowie   das   Ergebnis ihrer   Schlussfolgerungen   in   einer   computergestützten   Prä-­‐ sentaon.    eignete Technologien angemessen und zielgerichtetunterstützt werden kann, ist somit eine bleibendeHerausforderung für die Lehrkräfte, für die Lehrer-bildung und nicht zuletzt für die fachdidaktische For- Reflexionsaufgaben:schung. ? ▸ Reflekeren   Sie   die   Nutzung   des   Computers   im mathemasch-­‐naturwissenschaIlichen   Unterricht ihrer   eigenen   Schulzeit.   Welche   Funkonen   hat Der  Computer  übernimmt  im  mathemasch-­‐naturwis-­‐ der   Computer   dabei   erfüllt?   War   der   Einsatz   des ! senschaIlichen   Unterricht   die   Funkon   eines   Werk-­‐ zeugs   (zum   Beispiel   die   eines   Visualisierungs-­‐,   Explo-­‐ Computers  jeweils  methodisch  gerechpergt?   ▸ Suchen  Sie  Animaonen  oder  Simulaonen  zu  ma-­‐ raons-­‐   oder   Kommunikaonswerkzeugs),   dessen themasch-­‐naturwissenschaIlichen   Inhalten   im Einsatz   didaksch   und   methodisch   durchdacht   sein Internet.   Würden   Sie   diese   Lernobjekte   im   Unter-­‐ muss.   Die   Lehrperson   muss   zudem   berücksichgen, richt   einsetzen?   (Begründung!)   Beurteilen   Sie dass  das  Erlernen  der  Computernutzung  zusätzlich  ko-­‐ zudem  die  Gestaltung  der  Lernobjekte.   gnive  Ressourcen  beansprucht.
  • 8. 8  —  Lehrbuch  für  Lernen  und  Lehren  mit  Technologien  (L3T) ▸ Kimmerle, J.; Cress, U. & Held, C. (2010). The interplayLiteratur between individual and collective knowledge: Technologies for▸ Ainsworth, S. (1999). The functions of multiple representa- organisational learning and knowledge building. Knowledge tions. Computers & Education, 33, 131–152. Management Research & Practice, 8, 33-44.▸ Baker, T. & White, S. (2003). The Effects of G.I.S. on Students ▸ Kirstein, J. & Nordmeier, V. (2007). Multimedia representation Attitudes, Self-efficacy, and Achievement in Middle School of experiments in physics. European Journal of Physics, 28(3), Science Classrooms. Journal of Geography, 102(6), 243-254. 115-126.▸ Beisser, K.; Jonassen, D. & Grabowski, B. (1994). Using and se- ▸ Kittel, A. (2009). Klicken - Ziehen - Staunen - Ergründen: Dy- lecting graphic techniques to acquire structural knowledge. Per- namische Geometrie-Systeme im Unterricht. Braunschweig: formance Improvement Quarterly, 7(4), 20-38. Westermann.▸ Bescherer. C. (2007). WebQuests und Mathematikdidaktik. ▸ Köhler, K. (2004). Welche Medien werden im Biologieunter- Computer + Unterricht, 67, 18-19. richt genutzt? In: U. Spörhase-Eichmann & W. Ruppert (Hrsg.),▸ Blessing, A. & Kortenkamp, U. (2008). VideoClipQuests as a Biologiedidaktik. Berlin: Cornelsen-Scriptor, 160-182. new Setup for Learning. In: Kinshuk, G.S. Demetrios, J. M. ▸ Müller, R.; Wodzinski, R. & Hopf, M. (2004). Schülervorstel- Spector, P. Isaías & D. Ifenthaler (Hrsg.), Proceedings of the lungen in der Physik. Köln: Aulis. IADIS International Conference on Cognition and Explo- ▸ Novak, J. (2010). Learning, Creating and Using Knowledge. ratory Learning in Digital Age (CELDA 2008), Freiburg, 2008, New York: Routledge. 343-346). ▸ Salomon, G. (1994). Interaction of media, cognition, and▸ Chen, P. & McGrath, D. (2003). Knowledge Construction and learning. Hillsdale: Lawrence Erlbaum Ass.. Knowledge Representation in High School Students’ Design of ▸ Schaal, S.; Bogner, F. & Girwidz, R. (2010). Concept Mapping Hypermedia Documents. Journal of Educational Multimedia Assessmet of Media Assisted Learning in Interdisciplinary and Hypermedia, 12 (1), 33-61. Science Education. Research in Science Education, 40(3), 339-▸ Clement, J. (1989). The concept of variation and misconcep- 352. tions in cartesian graphing. Focus on Learning Problems in ▸ Sitte, C. (2009). Einfache GEObrowseranwendungen und neue Mathematics, 11(2), 77-87. methodische Kombinationen. Geographie und Schule, 179(31),▸ DeJong, T. & Njoo, M. (1992). Learning and Instruction with 40-45. Computer Simulations: Learning Processed Involved. In: E. ▸ Spannagel, C. (2007). Benutzungsprozesse beim Lernen und DeCorte, M. Linn, H Mandl & L. Verschaffel (Hrsg.), Com- Lehren mit Computern. Hildesheim/Berlin: Franzbecker. puter-Based Learning Environments and Problem Solving. ▸ Tergan, S.-O.; Keller, T. & Burkhard, R. (2006). Integrating Berlin/Heidelberg: Springer, 411-429. knowledge and information. Digital concept maps as a bridging▸ Duit, R. (2003). Students and Teachers Conceptions and technology. Information Visualization, 5. Science Education. Kiel: IPN. ▸ Vogel, M. (2006). Mathematisieren funktionaler Zusammen-▸ Duit, R. (2008). Zur Rolle von Schülervorstellungen im Unter- hänge mit multimediabasierter Supplantation. richt. Geographie Heute, 29(265), 2-6. Hildesheim/Berlin: Franzbecker.▸ Girwidz, R.; Rubitzko, T.; Schaal, S. & Bogner, F.X. (2006). ▸ Weitzel, H. (2004). Medien aus Bits & Bytes. Unterricht Bio- Theoretical Concepts for Using Multimedia in Science Edu- logie, 292(28), 4-10. cation. Science Education International, 17(2), 77-93.▸ Jank, W. & Meyer, H. (1991). Didaktische Modelle. Frankfurt am Main: Cornelsen-Scriptor.

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