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Zentrale Zusammenhänge der Biologie sichtbar
 machen – eine Learning Sciences Perspektive




         Beat A. Schwendimann, Ph.D.

             Universität Zürich
               4. März 2013
21. Jahrhundert als das Zeitalter der Biologie
Evolutionstheorie ist immer noch nicht voll akzeptiert




            Miller, J. D., Scott, E. C., & Okamoto, S. (2006). Public acceptance of evolution. Science, 313, 765-766
Meine Leitfrage


Wie können zentralen Konzepte
der Biologie besser zugänglich
gemacht und ein vernetztes
Verständnis gefördert werden?
Mein akademischer Weg
Learning Sciences
• Multi-disziplinäres
  Forschungsgebiet

• Umfassend von “Neuronen zu
  Gemeinschaften”

• Forschung in komplexen realen
  Umgebungen

• Theorie <--> Praxis
Knowledge Integration                                      (Linn 2004)




 Existierende alternative   Neue Konzepte   Konzepte unterscheiden     Konzepte verknüpfen
Konzepte sichtbar machen      hinzufügen        und sortieren
Inquiry-basierte Online Lernumgebung
                    Gene Pool Explorer




wise.berkeley.edu
Knowledge Integration Map
(KIM)
Vergleich zweier Behandlungsgruppen

Generierungs-Gruppe




Kritiker-Gruppe
Einsatz im Biologieunterricht
KIM Beispiel: Pre-Test
KIM Beispiel: Post-Test
Veränderungen in Wissensintegration
Erkenntnisse
• Beide Behandlungsgruppen zeigten vergleichbare Post-Test
  Leistungen

• KIM Kritik-Aktivität kann Wissensintegration effektiv unterstützen
  in nur der Hälfte der Zeit

                       • Koordiniertes Zusammenspiel
                         verschiedener Technologien ist
                         erforderlich um effektive Lernumgebungen
                         zu erstellen
                             • Neue Wissensdarstellungen können
                               Zusammenhänge sichtbar machen
                               und neue Verbindungen
                               unterstützen
Nächste Schritte
• Forschung: Aufbau einer Learning Science-Forschungsgruppe
  für Fachdidaktik Naturwissenschaften
    – Erforschung des Verständnisses biologischer Konzepte von Schülern
      und Lehrpersonen
    – Entwicklung innovativer Lernumgebungen für Biologie mittels neuer
      Lehr- und Lerntechnologien
    – Weiterentwicklung von effektiver Wissensdarstellungen für den
      Biologie-Unterricht
    – Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen und Lehrpersonen in der
      Schweiz und im Ausland
•   Lehre: Aufbau eines Programmes in
    Fachdidaktik Naturwissenschaften und Learning
    Sciences für LehrerInnen und Doktorierende
Vielen Dank

Webseite:   Schwendimann.org
Blog:       Proto-Knowledge.Blogspot.com
Fragen?

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Zentrale zusammenhänge der biologie sichtbar machen – eine learning sciences perspektive march 4 2013

Hinweis der Redaktion

  1. Verstaendlich zugaenglich
  2. -21. Jhd.: Zeitalter der Biologie -&gt; Das Spektrum reicht von Genterapien, Stammzellenforschung, und der Herstellung synthetischer Gewebe bis zur Produktion von Bio-Treibstoffen und gentechnisch veraenderter Lebensmittel. -&gt; Die moderne Biologie gewinnt zunehmend an Bedeutung fuer unser Leben. Grosse Herausforderung fuer Fachdidkaktik und Lehrpersonen 1.) Wie koennen alles- Schueler/Studenten solide Grundlage der Kern-Konzepte der Biologie vermitteln damit sie informierte persoenliche und politische Entscheidungen faellen koennen? [Literacy] 2.) Biologisches Wissen waechst rasant und wird laufend erweitert -&gt; Lernen kann nicht mit dem Ende der Schulzeit enden-&gt; Leute beziehen Wissen aus einer Vielzahl von Quellen: Von Dokumentarfilmen, Museumsbesuchen, Zeitungsartikeln, und dem Internet. Wie kann man die breite Bevoelkerung darauf vorbereiten ihr Wissen selbstaendig zu aktualisieren und beim lebenslangen Lernen unterstuetzen?  Kritisches Denken. 3.) Wie koennen wir die naechste Generation von Biologie-Forschern vorbereiten und ausbilden? [Proficiency] Biologie ist ein weitreichendes Fachgebiet: Von Molekularen Strukturen der Genetik bis zu globalen Netzwerken in der Oekologie. -Biologie in viele TEILGEBIETE aufgegliedert – jedes mit verschiedenen Methoden, Fragestellungen, und Terminologie. -&gt; Viele Schueler/Studierende verlassen die Schule mit einem fragmentierten Verstaendnis der Biologie. -&gt; Aber viele dieser Zusammenhaenge sind nicht klar ersichtlich. -&gt; ZWEI Anzaetze: -1) Fokussierung auf ZENTRALE KONZEPTE. -2) Zusammenhaenge (zwischen Konzepten und Teilgebieten) sichtbar machen _____________________ Personalisierte Medizin, Behandlungen fuer neurodegenerative Krankheiten, Nanotechnologien, Der Chief Science Advisor Anne Glover der Europaischen Union hat das 21. Jahrhundert als das Zeitalter der Biologie (inbesondere der Life Sciences) bezeichnet. (-20. Jhd: Zeitalter der Physik und Chemie -&gt; Technologische Fortschritte -19. Jhd: Zeitalter der Ingenieurswissenschaften)
  3. -Verbindendes Elemen:t: Evolutionstheorie. Zentral als Rahmentheorie fuer Biologie. -&gt; Zitat Evolutionsbiologe Dobzhansky: ” Biologie kann ohne die Evolutionslehre nicht verstanden werden ” . -Ansaetze aus der Evolutionsbiologie sind zunehmend von Bedeutung in anderen Gebieten: Evolutionary developmental biology, evolutionary psychology, evolutionary engineering, evolutionary anthropology, evolutionary economics, evolutionary computation, evolutionary ecology, evolutionary medicine, evolutionary microbiology, evolutionary philosophy, evolutionary analysis in law, paleontology, exobiology, climate change, and even evolutionary religious studies. -Evolutionstheorie vor 150 Jahren von Darwin und anderen Biologen entwickelt werden und seither erweitert und verfeinert. -&gt; Biologie seit langem Teil des Biologie-UNTERICHTS. Koennte nun annehmen dass die Evolutionslehre fest in der Bevoelkerung etabliert ist. -&gt; Aber erstaunlicherweise: Evolutionstheorie ist nicht weitlaeufig akzeptiert und verstanden. ---------- Evolution is central to biology -&gt; Important to scientists.
  4. 150 years after Darwin, Evolution is still not well accepted. In der Schweiz haben von runt 1000 Befragten nur 60% angegeben die Evolutionstheorie anzunehmen, waehrend 30% die Evolutionstheorie ablehnten. Studien haben angedeutet dass auch unter den Personen welche die Evolutionstheorie annehmen, nur wenige sie auch tatsaechlich verstehen.
  5. Meine Leitfrage die meine Forschung und Lehre seit ueber zehn Jahren fuehrt ist ….  Durch innovative Lern-Umgebungen und Wissensdarstellungen.
  6. Das Studium meiner Leitfrage hat mich buchstaeblich um die Welt herum gefuehrt. -Diplom in Biologie an der ETH Zuerich. -&gt; Erkannte mein Interesse Zusammenhaenge in Biologie anderen zugaenglich zu machen. -Hoeheres Lehramt in Biologie. Biologie-Lehrer an mehreren Sekundarschulen der STUFE I + II im Kanton Zuerich und in der Erwachsenenbildung an der AKAD unterrichtet. -&gt; Mein Interesse weiter Verfolgt in Form eines Doktorats.  Als ich vor 8 Jahren in der Schweiz nach einem Doktoranden-Program fuer Fachdidaktik Naturwissenschaften suchte, gab es NICHTS in diese Richtung. Ich musste mich im AUSLAND umschauen. -FULBRIGHT Stipendium. Doktorarbeit in technologie-unterstuetzem Lernen im Biologie-Unterricht an der Universitaet Kalifornien Berkeley in Forschungsgruppe von Marcia Linn. 1) Marcia Linn: Pioniering. Eine der ersten welche Forschung in Technologie-unterstuetzem Lernen im Naturwissenschafts-Unterricht 2) SESAME Program: Pionier-Program in fachdidaktischer Forschung durch Verbindung zwischen Naturwissenschafts-Instituten und Erziehungswissenschaften 3) Gelegenheit Kurse fuer Fachdidaktik Naturwissenschaften zu entwickeln. -Post-Doc am Centre for Research in computer-supported learning &amp; cognition an der Universitaet von Sydney. Wie Technologie die gemeinsame Unterrichtsentwicklung von Lehrkraeften unterstuetzen kann (sowohl Primar und Sekundar sowie Universitaets-Lehrkraeften) -KREIS BEGINNT SICH ZU SCHLIESSEN: Heute darf ich nun hier vor Ihnen stehen an der Universitaet Zuerich
  7. -Mein Forschungsansatz gehoert in des grosse Gebiet der LEARNING SCIENCES -vor 20 Jahren gegruendet -&gt; Aus Erkenntniss heraus dass man Lern-Prozesse 1) nicht in Isolation und 2) nicht mit einzelnen Methoden verstehen kann. -Forschungsmethoden aus der Psychologie, Antropologie, Computer-Wissenschaften, Naturwissenschaftsdidaktik, und Linguistik. -Gemischte Methoden: Quantitativ und Qualitativ. Eigenheiten der Learning Sciences: Lernprozesse dort untersuchen wo sie natuerlicherweise stattfinden, in komplexen Umgebungen wie Klassenzimmer, Museen, und Online Lernumgebungen. Nicht nur beobachtend-beschreibend, sondern aktiv Einfluss nehmen durch die Entwicklung neuer Lernumgebungen  Koordinierte Zusammenarbeit mit Lehrpersonen, Naturwissenschaftern, und Technologie-Experten. Erkenntnisse der Learning Sciences Forschung: Erweiterung der Lern-Theorie sowie Relevant sein fuer Lehrpersonen ----------- Design-basierte Forschung The Learning Sciences started in the late 1980s with the foundation of the &quot;Journal of the Learning Sciences&quot; (JLS). The Learning Sciences (LS) are a multi-disciplinary field that aims to develop models of learning in real-world situations. LS combines constructs and methods from a variety of fields, such as cognitive science, computer science, educational psychology, anthropology, science education research, and linguistics. Findings from the Learning Sciences appeal to multiple audiences and aim to have an impact on education. Its goal is to understand learning “ in individuals, groups, organisations and other complex socio-technical systems, such as online networks and communities. Its structure and methods reflect the fact that the many influences on learning operate at different scale levels: “From neurons to neighborhoods”.
  8. Aus einer lerntheoretischer Sicht stellt sich die Frage: Warum ist die Evolutionstheorie scheinbar so schwierig zu verstehen? Die Antwort darauf ist komplex und ich kann im Rahmen dieses kurzen Vortrages nur einige wenige Punkte ansprechen. Dieses Bild illustriert zwei wichtige Punkte: 1) Der Schueler ist passiv. 2) Der Schueler wird als leeres Gefaess dargestellt dass von den Lehrpersonen mit Wissen gefuellt wird. -Wissen kann nicht einfach transferiert werden  Muss sich AKTIV erarbeitet werden. ___________ -Schuele betreten das Klassenzimmer nicht als “ Leere Gefaesse ” die passiv mit Wissen gefuellt werden. Wissen kann nicht einfach transferiert (sprichwoertlich “ eingetrichtert ” ) werden, sondern man muss eine Lernumgebung schaffen in der sich neues Wissen aktiv erarbeitet werden kann. Why is evolution counter-intuitive? -&gt; Where do intuitions come from? What is wrong with this picture of learning? -&gt; 1) Student is passive. 2) Piaget and Vygotsky showed that even young children are not “blank slates” but make sense of the world. Many of these early explanations become established as “intuitions”.
  9. Genfer Psychologe Jean Piaget (und viele andere Forscher seither) gezeigt, dass Lernende nicht “ leere Gefaesse ” sind sondern reichhaltige Sammlungen alternativer Konzepte (manche nennen sie “ Miskonzepte ” ) mitbringen. -Aus Alltageserfahrungen.  Oft im Widerspruch zu naturwissenschaftlichen Konzepten. -In meiner Forschung, ein Lern-Modell namens “ Wissens-Integration ” verwendet. -1) Existierende alternative Konzepte sichtbar machen -2) Neue Konzepte hinzufuegen – durch die Lehrperson, andere Schueler, Lehrbuecher, oder Lerntechnologien. -&gt; Mischung alter und neuer Konzepte. Fokus of KRITISCHEM DENKPROZESSEN. -3) Aktivitaeten welche Schueler dabei unterstuetzen verschiedene Ideen kritisch gegeneinander abzuwaegen und auszusortieren. -4) Konzepte miteinander verknuepfen _______________________ -ZEIT im naturwissenschaftlichen Unterricht ist begrenzt + Wissen in der Biologie erweitert sich laufend  Schueler darauf vorbereiten ihr naturwissenschaftliches Wissen lebenslang selbstaendig zu aktualisieren: Durch verschiedene Quellen: Zeitungsartikel, Dokumentarfilme, Internet, Museums-Besuche, etc.  Wichtigkeit Konzepte KRITISCH beurteilen zu koennen. Fokus of KI auf KRITKISCHEM DENKEN. Lernmodell aus der Conceptual Change Sichtweise: Knowledge Integration. -Auf Alltagserfahrungen und Misskonzepten aufbauen. Intuitions (p-prims) -&gt; Alternative Ideen  Co-existence of alternative (often contradicting) ideas Knowledge Integration:
  10. Knowledge Integration laesst sich am Besten anhand eines konkreten Beispiels erlaeutern  Alltages-Phaenomen erklaert durch naturwissenschaftliche Konzepte. 1) Um existierende Konzepte sichtbar zu machen, beginnt die Lern-Aktivitaet mit einer Alltagsefahrung -&gt; Einem Stueck Kuchen. Ein Geburtstagsfest mit internationaler Gaesten. Alle essen vom selben Kaesekuchen. Einige fuehlen sich nachher unwohl. 2) In den naechsten 20 Sekunden, versetzen Sie sich in die Rolle eines Sekunderschuelers und ueberlegen Sie sich auf welche verschiedenen Arten ein Schueler dieses Phaenomen erklaeren koennte. 3) Ich bin sicher dass wir eine ganze Reihe verschiedener Erklaerungen zusammentragen koennten. Einige von Ihnen haben wahrscheinlich auch an Laktose Intoleranz gedacht. 4) Lactose-Toleranz als Beispiel fuer Humanevolution. Ich habe diese Fallstudie entwickelt um aufzuzeigen wie eine Mutation vor rund 5000 Jahren dazu gefuehrt hat dass heute rund 80% der Europaer die Faehigkeit haben im Erwachsenenalter Milch verdauen zu koennen -&gt; Milch-orientierte Ernaehrung (im Unterschied zu China: 0%). 5) Naechster Schritt: Hinzufuegen wissenschaftlicher Konzepte, wie Natuerliche Selektion, und Genpool.
  11. -WISE: Technologie-unterstuetze Lernumgebung entwickelt: Lern-Plattform “WISE”. Marcia Linn. Ueber 100,000 Schueler und 20,000 Lehrkraeften -&gt; In ueber einem Dutzend Sprachen verfuegbar und weltweit im Einsatz: ABER bislang nicht in der SCHWEIZ. -Lernmodule fuer Evolutionsbiologie: In enger ZUSAMMENARBEIT mit Biologie-Lehrpersonen, Biologen, und Technologie-experten entwickelt. Aufbauend auf Alltagserfahrungen durch Fallbeispiel “ Laktose Toleranz ” . Modul “ Gene Pool Explorer ” fuer Verbindungen zwischen Mutatation auf der Mikro-Ebene und Selektionsvorgaengen auf der Makro-Ebene. --Waehrend 5-6 Stunden Schueler paarweise im eigenen Lern-Tempo durchgearbeitet. -Verschieden Elemente: Texte ,Bilder, Animationen, Videos, Simulationen -&gt; Einen Aspekt besonders hervorheben: Neue Form von Wissensdarstellung fuer Evolutionsbiologie -&gt; KIM _________________ Beispiel fuer Zusammenarbeit: -ZUSAMMENARBEIT MIT Biologie-LEHRPERSONEN, NATURWISSENSCHAFTLERN, und TECHNOLGIE-EXPERTEN -VERKNUEPFUNG von Naturwissenschaftskonzepten und ALLTAGSERFAHRUNGEN  Lactose-Intoleranz als Beispiel fuer Humanevolution. TECHNOLOGIE INQUIRY-BASIERTES LERNEN Evolution des Menschen als Fallbeispiel: Laktoseintoleranz 3rd iteration of this project. Design-based. Week-long High school project. 100 9th/10th graders in one bay area school. Real-life case study: Human lactose intolerance Genetic view of evolution (population genetics) Visualization: Use ideas to make predictions
  12. VISUALISIERUNG 2. Element: Neuartige Wissensdarstellungsform, eine Form von Konzept Mapping Form (Begriffskarten) -Vorgegebene Sammlung von zentralen Konzepten: Zeigt welche Konzepte Experten fuer wichtig erachten. -Aussortieren in Genotyp/ Phenotyp -Vernetzung Making connections between genotype and phenotype visible to help students distinguish them. Students need to make decisions (negotiation in dyad): -Where to place it? -Which ones to connect? Which connections are important? -&gt; Experts don ’t make all 55 possible connections, they make informed decisions.
  13. Schuelern Gelegenheit geben um KRITIK zu ueben  Kritiker-Gruppe: Hat KIM mit gaengingen Misskonzeption erhalten: Diese zu identifizieren und zu korrigieren. Schueler haben oft nur WENIGE GELEGENHEITEN um Kritik zu ueben. -----------------. Both ‘generation’ and ‘critique’ are generative forms of activities. – Compared to studying a pre-made concept map: Knowledge Maps (Danserau)
  14. SCHUELER und LEHRPERSONEN -Mehrere Sekundarschulklassen. Enge Zusammenarbeit mit Lehrpersonen und Schuelern. -Zufaellig einer der beiden Behandlungsgruppen zugeteil: Generation group; n=41; critique group; n=52 Ergebnisse dieser Studie: PRAESENTIEREN an internationalen Learning Science-Konferenz im Juni in den USA. _____________________ 67% were White, 16% were Hispanic or Latino, 10% were Asian, and 3% were Black.
  15. Beispiel dafuer dass die Schuelerin kein “ leeres Gefaess ” ist -&gt; Hat bereits einige Konzepte und Verbindungen.
  16. -Mehr Verbindungen generell -Mehr Verbindungen zwischen den beiden Bereichen -Zentrale Konzepte Mutation und Natuerliche Selektion staerker integriert und an Bedeutung gewonnen.
  17. Teil der Pre/Post-tests waren 8 TEXT-AUFGABEN, welche die Schueler nach bekannten Misverstaendnissen in der Evolutionsbiology befragt haben. Bei TEXT-AUFGABEN gab es eine deutliche Verschiebung nach komplexeren Antworten welche mehrere Konzepte miteinander verbinden. ------------ Eight two-tiered assessment items that consisted of multiple-choice items followed by short essay items that asked students to explain their choice. The alternative options of the multiple choice items were based on known alternative ideas, for example: The idea of “need” to explain evolutionary change; Mutations occur to help an individual organism adapt to new situation; Evolution happens to individuals; and Acquired adaptations are inheritable. The items used real-life examples and a variety of contexts, for example human, animal, or plant evolution. Several items were based on biology content inventories Three short essay items Two KIM critique tasks + One KIM generation task
  18. Enge Zusammenarbeit zwischen Fachdidaktik-Forschern, Lehrpersonen, Technologie-Experten und Naturwissenschaftler Humanevolution eignet sich als Fallbeispiel für Biologieunterricht
  19. Wissen ist der wichtigste Rohstoff der SCHWEIZ. Es ist meine Ziel die Biologie-Ausbildung in der Schweiz zu unterstuetzen.  Biologie als interdisziplinaeres Bindeglied: Bio-CHEMIE, Bio-PHYSIK, Bio-INFORMATIK, etc. Innovative Lernumgebungen: Biologisches Wissen (Produkt) und Biologiesche Forschung als dynamischer Prozess zugaenglich machen. -&gt; Fuer Sekundarschulen + Universitaeten _______________________ Biologische Forschung nutzt eine Vielzahl moderner Technologien. Um Schuelern und Studenten moderne Biologie zugaenglich zu machen benoetigen sie direkte Erfahrungen mit diesen Technologien. Frage: Wie kann man Verknüpfungen von Konzepten in verschiedenen Themen unterstützen (Cummulative Learning)  Faecheruebergreifender Unterricht Biologie als PRODUKT und PROZESS verstaendlich machen. Besonderheiten biologischen Wissens für Schüler und Lehrer zugänglich machen &quot;Vom Akademischen Wissen zur Unterrichtskompetenz Konkrete Details zu meinen naechsten Schritten.