Lernaufgaben im Mathematikunterricht Gliederung 1. Einstieg: Den Blick schärfen für das Lernpotential von Aufgaben 2. Sind nicht alle Aufgaben immer auch Lernaufgaben? 3. Modelle zur Analyse und Konstruktion von Aufgaben: Zieltypisierung 4. Kann mit offenen Aufgaben mehr und besser gelernt werden? 5. Wege zur Aufgabenkonstruktion: Schwierigkeitsparameter, Aufgabenvariation Prof. Dr. Regina Bruder Technische Universität Darmstadt Ausblick: Qualitätskriterien für Lern- und Testaufgaben Oldenburg, 23.09.2009 1. Den Blick schärfen für das Lernpotential von Aufgaben 1. Den Blick schärfen für das Lernpotential von Aufgaben Aufgabe 1: Aufgabenstellung: Vergleichen Sie die folgenden Aufgaben paarweise Miteinander. Worin unterscheiden sich die Aufgaben? Welche Gemeinsamkeiten besitzen die Aufgaben? Aufgabe 2: Am 15. Februar 1969 gelang es 34 Personen, sich gleichzeitig in einen VW-Käfer zu "setzen". a) Wie groß wurde das zusätzliche Gewicht für den Käfer? b) Wie viel Platz muss in einem VW-Käfer sein, damit man darin überhaupt so viele Menschen unterbringen kann? Wie könnte man vorgehen, um das Volumen eines durchschnittlich großen Menschen anzugeben? Überlege welche Genauigkeit dafür erforderlich ist. Aufgabe 3: 23. September 2009 | Fachbereich Mathematik | AG Didaktik | Prof. Dr. R. Bruder und C. Collet | 3 Didaktische Funktion einer Aufgabe und potentielle Lernziele Aufgaben können Funktionen auf mehreren Ebenen übernehmen: Aufgaben zur Erarbeitung oder Überprüfung intelligenten Wissens (Begriffe, Sätze, Verfahren/Strategien, Anwendungsfelder) Aufgaben zur Gewinnung oder Feststellung von Handlungskompetenzen (Erkennen, Beschreiben, Verknüpfen, Anwenden, Begründen) Aufgaben zur Entwicklung und Beschreibung von Metakompetenzen (Mathematikbild, Selbsteinschätzung, Interpretieren von Zusammenhängen) Aufgaben unterscheiden sich… nach äußerlichen Merkmalen (viel oder wenig Text, mit oder ohne Bildern…) nach inneren Merkmalen (Aufgabentypen: offen/geschlossen, Schwierigkeitsmerkmale wie Komplexität, Art der erforderlichen Schülertätigkeiten nach übergreifenden Merkmalen wie didaktische Einsatzmöglichkeiten der Aufgabe, mögliche Lösungsstrategien… Gliederung Zielstellung des Workshops: 1. Einstieg: Den Blick schärfen für das Lernpotential von Aufgaben 2. Sind nicht alle Aufgaben immer auch Lernaufgaben? 3. Modelle zur Analyse und Konstruktion von Aufgaben: Zieltypisierung - Kennen lernen von Modellen zur Analyse und Entwicklung von Lernaufgaben aus unterschiedlichen Blickwinkeln 4. Kann mit offenen Aufgaben mehr und besser gelernt werden? 5. Wege zur Aufgabenkonstruktion: Schwierigkeitsparameter, Aufgabenvariation Ausblick: Qualitätskriterien für Lern- und Testaufgaben 2. Sind nicht alle Aufgaben immer auch Lernaufgaben? Lernsituation versus Testsituation (Klassenarbeit): Was ist eigentlich eine Aufgabe? • alle Testaufgaben einer Klassenarbeit sollten sich auch als Lernaufgaben eignen (Chance zur Kommunikation im Unterricht) Eine Aufgabe ist eine Aufforderung zum Lernhandeln. und lässt sich beschreiben durch eine Anfangssituation, eine Endsituation und geeignete Transformationen von der Anfangsin die Endsituation • nicht alle Lernaufgaben eignen sich auch als Testaufgaben (Bsp.: offene Modellierungsaufgaben: Wie lange dauert ein Wasserwechsel im Schwimmbad? Warum ist nicht jede Lernaufgabe für den Unterricht auch als Testaufgabe geeignet ? Phasen mathematischen Modellierens als Rahmen schulischen Lernens von Mathematik Mathematisches Modell Mathematik Mathematische Ergebnisse 3 4 2 1 situiertes Strukturieren Lernsituation versus Testsituation (Klassenarbeit): • alle Testaufgaben einer Klassenarbeit sollten sich auch als Lernaufgaben eignen (Chance der Kommunikation im Unterricht) 2 Mathematisieren • nicht alle Lernaufgaben eignen sich auch als Testaufgaben 3 Verarbeiten – mit math. Werkzeugen umgehen (Bsp.: offene Modellierungsaufgaben: Wie lange dauert ein Wasserwechsel im Schwimmbad? Realität 4 Interpretieren 5 Validieren Realmodell 5 1 • MC-Formate eignen sich nur unter besonderen Bedingungen zur Diagnose und Förderung (Erkennen typischer Fehler und Fehlvorstellungen) Reale Ergebnisse Realsituation Im Herbstsemester 1989 wählten in Stockholm 13246 Lernende den wirtschaftlichen Vertiefungszweig und 12511 Lernende den technischen Zweig. Beispiele für MC-Aufgaben: (1) Insgesamt wählten 10388 Mädchen den wirtschaftlichen und technischen Zweig. (2) 5430 Jungen wählten den wirtschaftlichen Zweig. Wie viele Mädchen wählten den technischen Zweig? Ausreichend Information für eine Lösung erhält man a) in (1) aber nicht in (2) b) in (2) aber nicht in (1) c) in (1) zusammen mit (2) d) in (1) und (2) jede für sich alleine e) gar nicht durch beide Aussagen. Beispiel für eine Testaufgabe, die auch Lernaufgabe sein kann Jörg und seine Freundin Susi fahren zum Sommerschlussverkauf in die Stadt. Sie gehen in das Einkaufszentrum und schlendern durch die Geschäfte. a) Susi findet eine Hose, deren ursprünglicher Preis von 50 € auf 40 € gesenkt wurde. Wie groß ist die Ersparnis? 5% 10% 20% 30% 40% b) Jörg kauft für Susi eine Sonnenbrille. Ihr Preis wurde um 40 % gesenkt und kostet jetzt nur noch 15 €. Wie teuer war sie ursprünglich? c) Jörg möchte eine Mütze kaufen, deren Preis um 30% reduziert ist. Wegen eines Farbfehlers kann er den Preis um zusätzliche 20% herunterhandeln. Wie viel Prozent gegenüber dem ursprünglichen Preis wird er an der Kasse insgesamt sparen? d) Susi liest auf einem Werbeplakat ihres Mobilfunkanbieters, dass die Kosten für SMS um ein Drittel gesenkt werden. Susi freut sich: „Jetzt kann ich für denselben Betrag ein Drittel mehr SMS als bislang verschicken!“ Jörg widerspricht: „Das sind sogar zwei Drittel mehr!“ Wer hat Recht? (Begründe deine Entscheidung) Beispiel Klasse 5 Lena stellt Martin ein Zahlenrätsel: „Denke dir eine Zahl. Addiere nun 1 und multipliziere das Ergebnis mit 5. Subtrahiere jetzt 4 von der letzten Zahl. Wenn du mir nun das Ergebnis sagst, sage ich dir, welche Zahl du dir gedacht hast!“ a) Martin denkt sich die Zahl 6. Welches Ergebnis bekommt er heraus? -----------------b) Nun denkt sich Martin eine neue Zahl. Sein Ergebnis lautet jetzt 76. Welche Zahl hat er sich gedacht? -----------------c) Beschreibe, wie Lena aus Martins Ergebnis immer seine gedachte Zahl erhält. 23. September 2009 | Fachbereich Mathematik | AG Didaktik | Prof. Dr. R. Bruder und C. Collet | 15. Gliederung 1. Einstieg: Den Blick schärfen für das Lernpotential von Aufgaben 3. Modelle zur Analyse und Konstruktion von Lernaufgaben: Zieltypisierung Welche Aufgabentypen sind grundsätzlich notwendig für nachhaltiges Lernen ? 2. Sind nicht alle Aufgaben immer auch Lernaufgaben? 3. Modelle zur Analyse und Konstruktion von Aufgaben: Zieltypisierung 4. Kann mit offenen Aufgaben mehr und besser gelernt werden? Aufgabenkonzept nach Zieltypen 5. Wege zur Aufgabenkonstruktion: Schwierigkeitsparameter, Aufgabenvariation Ausblick: Qualitätskriterien für Lern- und Testaufgaben Gege- TransforGesuchbenes mationen tes ----------------------------------------------------------------------X X X gelöste Aufgabe ( stimmt das?) X X einfache Bestimmungsaufgabe Aufgabentypisierung für nachhaltiges Lernen Gegebenes Transformationen Gesuchtes ----------------------------------------------------------------------- - X X einfache Umkehraufgabe X - X Beweisaufgabe, Spielstrategie X - - X schwere Bestimmungsaufgabe schwierige Umkehraufgabe - X - Aufforderung, eine Aufgabe zu erfinden (-) - (-) offene Problemsituation Aufgabentypisierung für nachhaltiges Lernen Gegebenes Transformationen Gesuchtes X - einfache Bestimmungsaufgabe (Ausführen) Informationen in einer vorgegebenen Weise sammeln bzw. verarbeiten, ein gegebenes Verfahren anwenden… X x gelöste Aufgabe, Beispiel, Muster; ein Verfahren vorführen Schritt für Schritt; Variationen: Gelöste Aufgabe gegeben - stimmt das? Aufgabentypisierung für nachhaltiges Lernen Gegebenes ----------------------------------------------------------------------X X Transfor- Gesuchmationen tes ----------------------------------------------------------------------X X X gelöste Aufgabe, Muster ( stimmt das?) X - X X X einfache Bestimmungsaufgabe einfache Umkehraufgabe X - X Beweisaufgabe, Argumentationsketten aufbauen, Spielstrategie bzw. Methode finden Rätsel aufklären – wie funktioniert das? Ursachen für Phänomene finden – Hypothesen bilden Ein Beispiel nach bestimmten Kriterien auswählen - X X einfache Umkehraufgabe (Verstehen, Reflexion ! ) Die Anfangssituation einer Verfahrensanwendung rekonstruieren. Schwieriger (--x): Die möglichen Kriterien rekonstruieren, nach denen Beispiele von Mitschülern ausgewählt wurden. Aufgabentypisierung für nachhaltiges Lernen Gegebenes Transfor- Gesuchmationen tes Aufgabentypisierung für nachhaltiges Lernen Gegebenes Transfor- Gesuchmationen tes ----------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------- X X - (-) schwere Bestimmungsaufgabe Etwas entwickeln und gestalten ohne explizit gegebene Vorbilder; Informationen vergleichen, einordnen bzw. beurteilen ohne vorgegebene Maßstäbe Neue Lösungswege finden (geeignet für Einstiegsaufgaben in ein neues Thema) - (-) schwere Bestimmungsaufgabe Aufgabentypisierung erzeugt Problembewusstsein: Zieltransparenz: Ist der Weg das eigentliche Ziel der Aufgabe – oder das Ergebnis von zentraler Bedeutung – oder beides? FERMI-Aufgaben (Motivationsproblem!) - - (X) schwierige Umkehraufgabe Projekt mit klarem Ziel; Rekonstruktion ohne Vorbilder oder Muster Ebenen der Lernanforderungen und ggf. Mehrwert des Arbeitsaufwands klären: Fachliche Lerninhalte versus Werkzeugkompetenz Aufgabentypisierung für nachhaltiges Lernen Gegebenes Aufgabentypisierung für nachhaltiges Lernen Transfor- Gesuchmationen tes Gegebenes Transfor- Gesuchmationen tes ----------------------------------------------------------------------X X X gelöste Aufgabe, Muster ( stimmt das?) X X einfache Bestimmungsaufgabe X X einfache Umkehraufgabe X X Beweisaufgabe, Spielstrategie bzw. Methode finden ----------------------------------------------------------------------X X X gelöste Aufgabe, Muster ( stimmt das?) X X einfache Bestimmungsaufgabe X X einfache Umkehraufgabe X X Beweisaufgabe, Spielstrategie bzw. Methode finden X - - X schwere Bestimmungsaufgabe schwierige Umkehraufgabe X - - X schwere Bestimmungsaufgabe schwierige Umkehraufgabe - X - Aufforderung, eine Aufgabe zu erfinden bzw. eine Beispielanwendung zu beschreiben - X - Aufforderung, eine Aufgabe zu erfinden (-) - (-) Verständnisfördernd, wenn eigene Beispiele für einen Sachverhalt gesucht werden Selbst entwickelte (Lern- oder Test-)Aufgaben von Schülern zur Bearbeitung anbieten. offene Problemsituation „Echte“ Modellbildungen – reale Fragestellungen (Qualitätsbrille: Weg und Ziel sind relevant) Einstiegsaufgabe für ein neues Thema bzw. einen Projektauftrag Erste und vertiefende Übung zu Nullstellenberechnungen von linearen Funktionen Wähle mindestens fünf der folgenden Aufgaben aus und löse sie (Zeitrahmen 20 min) vorgesehen. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------1. Gesucht ist jeweils die Nullstelle der folgenden linearen Funktionen: f(x) = x – 5, These: Nachhaltiges Lernen erfordert eine Orientierung an den 8 Zieltypen. Umsetzung als Leitfaden und Konstruktionsheuristik beim Aufbau von Selbstlerneinheiten, Stationenlernen, Expertenpuzzle bzw. bei der Bereitstellung von Lernvoraussetzungen (vielseitige kognitive Aktivierung) a) (x x -) b) (- x x) c) (x x -) d) (x - -) e) ((-) – (-)) proportionale Zuordnung? Begründe. d) Für 24 Schüler rechnet Frank einen Preis von 1140€ aus. Maike meint, dass die Gruppe noch günstiger fahren kann. Hat Maike recht? Begründe. e) Die Fährgesellschaft will eine Blockkarte für 50 Personen einführen. Was wäre ein angemessener Preis? 2. Zeichne eine lineare Funktion mit einer Nullstelle bei x = - 3 Umkehrung (-, x, x) 3. Was kann eine Nullstelle einer linearen Funktion praktisch bedeuten? (x,-,-) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------4. Gib die Gleichungen zweier linearer Funktionen an, ( , , x ) die bei x = 4 ihre Nullstelle haben. 5. Notiere die Gleichung einer linearen Funktion, die keine Nullstelle hat. (-,-,x) 6. Überlege Dir einen Sachverhalt, der mit Hilfe einer linearen Funktion beschrieben werden kann, welche bei P(1;0) eine Nullstelle hat. ( - , x, - ) -----------------------------------------------------------------------------------------------------------7. Warum können lineare Funktionen nie mehr als eine Nullstelle haben? ( x , - , x ) Ein Lernaufgabenarrangement für nachhaltiges Lernen c) Handelt es sich bei der Preistabelle um eine Quelle: Jordan, Uni Kassel 2004 Grundaufgabe (x, x, -) f(x) = mx + b und gib dazu evtl. notwendige Bedingungen für m, x und b an! ( (x) , - , - ) Aufgaben mit aufsteigender Komplexität und Offenheit: a) Welchen Preis hat eine Gruppe von 4 Personen zu zahlen? b) Wie viele Karten bekommt man für 300€ ? f(x) = - 5x – 2,5 8. Finde einen Ausdruck zur Bestimmung der Nullstelle für eine beliebige lineare Funktion: als prozessbegleitende Testelemente zur Unterstützung von Einübung, Verständnissicherung und Selbsteinschätzung An der Anlegestelle einer großen Fähre steht: Karte 1 Person 50€ Blockkarte 8 Personen 380€ Blockkarte 20 Personen 900€ f(x) = 2x + 6 Grundaufgaben Abwandlungen von Grundaufgaben (Umkehraufgaben: offen bzgl. Lösungsweg oder/und Resultat, verschiedene Lösungswege frei stellen, prüfen und sichern Verständnis) Erweiterungen von Grundaufgaben (Inhalte aus früheren Stoffgebieten einbeziehen – Verfügbarkeit von Grundlagen sichern) Komplexe Aufgaben mit Standard- und Problemcharakter (Wahlmöglichkeiten) Problemsituationen (offen bzgl. der Fragestellungen, binnenleistungsdifferenzierend, Wahlmöglichkeiten) Ein solches Aufgabenset für Lernsituationen bildet wesentliche Lerntätigkeiten ab, ermöglicht Vernetzung, bietet individuelle Freiräume und erfordert methodische Variabilität des Lernangebotes. - Ist meist zu umfangreich für Leistungserhebungen! 4. Kann mit offenen Aufgaben mehr und besser gelernt werden? Unterschiedliche Lösungswege Bewusstmachen von Strategien – Müller-Mufflig-Aufgabe Offen heisst Ergebnisvielfalt oder unterschiedliche Lösungswege oder beides z.B. in einer Modellierungsaufgabe Offen heisst nicht unstrukturiert und ziellos!! (best. kognitive Stile haben Schwierigkeiten mit zu vielen Wahloptionen) Offene Aufgaben sind ein notwendiger Teil einer nachhaltigen Lernumgebung Überwiegen offene Aufgaben, dann unterstützen sie eher leistungsstarke Lernende, fördern aber lernschwache Schüler zu wenig Ergebnisoffen: Unterschiedliche Lösungswege Bewusstmachen von Strategien – Müller-Mufflig-Aufgabe Informative Figur Systematisches Probieren mit Hilfe einer Tabelle 14 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 Arbeiten mit Invarianten und Gleichungen 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Hinterherlaufen Mathematisches Modell 40 Tankinhalt in l Weg in km 14 0 0.5 1 Zeit in h 1.5 2 2.5 3 30 Mathematik 4 2 Realität 20 Realmodell 10 3.5 4 Mathematische Ergebnisse 3 5 1 Reale Ergebnisse Realsituation Entgegengehen 0 08:00 10:00 12:00 Was haben die beiden Bewegungen gemeinsam? 14:00 16:00 18:00 Uhrzeit Familie Schnell fährt mit dem Auto in den Urlaub. Das Diagramm zeigt, wie viel Benzin sich zu jedem Zeitpunkt der Reise im Tank befindet. Was bleibt gleich? Beschreibe mögliche Ereignisse auf der Reise von 8:00 bis 18:00 Uhr. 23. September 2009 | Fachbereich Mathematik | AG Didaktik | Prof. Dr. Regina Bruder und C. Collet | 33 Unterschiedliche Lösungswege und Strategien Unterschiedliche Lösungswege Kerzen Zwei Kerzen brennen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ab: Kerze A ist 36cm lang und brennt mit 3cm pro Stunde ab, Kerze B ist 10cm lang und brennt mit 1cm pro Stunde ab. Wann sind beide Kerzen gleich lang? Beispiel eines Testitems: „Kino“ Mike stellt ein Kino - Rätsel: „Nur ein Fünftel der Plätze sind von Erwachsenen belegt. 10 Plätze mehr werden von Jungen eingenommen. Außerdem sind 30 Mädchen hier. 20 Plätze sind frei. Wie viele Sitze hat das Kino?“ Lösung mithilfe einer informativen Figur Weitere Heurismen: Gleichung Kerze A: y=36-3x Invarianzprinzip Gleichsetzen ! Informative Figur Überprüfung des Ergebnisses mit der realen Situation Gleichung Kerze B: y=10-1x 23. September 2009 | Fachbereich Mathematik | AG Didaktik | Prof. Dr. Regina Bruder und C. Collet | 35 Weitere Lösungsmöglichkeiten: Tabelle in Verbindung mit systematischem Probieren 23. September 2009 | Fachbereich Mathematik | AG Didaktik | Prof. Dr. R. Bruder und C. Collet | 36 5. Wege zur Aufgabenkonstruktion Zwischenstand: Potenzialanalyse von Aufgaben nach - Handlungsziel: 8 Zieltypen bzw. Aufgabenset - Schülertätigkeiten (Grundhandlungen, Kompetenzen im Modellierungskeislauf…) Vertiefung - Schwierigkeit: drei Anforderungsniveaus aus den Standards, (F,K,B,A)-Modell oder die drei Orientierungslevel Was macht eine Aufgabe schwer? Zieltypisierung - auch mit Beachtung der Komplexität reicht noch nicht aus! Deshalb: Vertiefte Analyse des Anforderungsniveaus von Aufgaben: Das Anforderungsniveau einer Aufgabe bezogen auf eine Lerngruppe zu einem bestimmten Testzeitpunkt wird durch 4 Parameter bestimmt: Formalisierungsgrad F Komplexitätsgrad K Bekanntheitsgrad B Ausführungsaufwand A Aufgabenvariation Individuell verschieden, aber doch insgesamt schwieriger wird es insbesondere dann, wenn eine Aufgabe nicht verstanden wurde oder gar die Bereitschaft fehlt, sich auf die Aufgabe einzulassen, wenn ein Sachverhalt erst mathematisiert werden muss, um ihn bearbeiten zu können und geeignete Mathematisierungsmuster nicht unmittelbar verfügbar sind, Formalisierungsgrad • wenn mögliche Lösungswege mehrere Teilschritte umfassen, die Anforderungen also komplexer werden und Komplexitätsgrad • • wenn die notwendigen Grundvorstellungen für die Anwendung mathematischer Operationen und für die Interpretation der Ergebnisse nicht ausgebildet sind, also Fehlvorstellungen eine erfolgreiche Aufgabenbearbeitung verhindern. Ausführungsaufwand wenn Basiswissen fehlt, nicht verfügbar und nicht vernetzt ist Initialaufgabe: Berechne das Volumen eines 10cm hohen Zylinders mit dem Durchmesser von 12cm! Variationsmöglichkeit – Wackeln: geringfügig ändern Berechne das Volumen eines Zylinders mit der Höhe von 6dm und einem Radius von 6cm! Variationsmöglichkeit – Ersetzen: analogisieren Welches Volumen hat ein Quader mit den Maßen a=3cm, b=4cm und c=5cm? Variationsmöglichkeit – Rahmen wechseln: Kontext ändern Ist es möglich, dass ein Quader ein Volumen von 270cm3 besitzt bei einer Gesamtkantenlänge von 80cm, wenn alle Kantenlängen natürliche Zahlen sind? 23. September 2009 | Fachbereich Mathematik | AG Didaktik | Prof. Dr. R. Bruder und C. Collet | 40 Kategoriensystem Fachlicher Hintergrund: Fachliche Angemessenheit und perspektivische Dimension, Korrektheit von Musterlösungen, Sachliche Angemessenheit der Aufgabenstellung Zieltransparenz: Klarheit der Aufgabenstellung und des Erwartungshorizontes Motivation: Altersangemessenheit der Aufgabenstellung und des Kontextes Ausgangsniveau: Erfassen und Berücksichtigen des Ausgangsniveaus (Diagnoseelement), Wiederholungsangebote zum Schließen von Lücken, Unterstützung zum Verständnis des Sachverhalts Binnendifferenzierung: Individueller Übungsbedarf (Schwierigkeitsgrade, Zusatzaufgaben, Wahlmöglichkeiten), Offene Aufgaben, Angemessene Sozialformen, unterschiedliche Erkenntnisebenen Kognitive Aktivierung: Inhaltliche Vernetzungen, Variation der Zieltypen, möglicher Heurismeneinsatz, Variation und Vielfalt an Lerntätigkeiten Unterstützung der Selbstregulation: Zeitplanung, Strategien, Lösungsweg, Methoden, Korrektheit der Lösung Einsatz technischer Hilfsmittel Konzeptbezug: Problemlösen, Selbstregulation, Basiskönnen, Rechnereinsatz etc.; Orientierungslevel Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Online-Fortbildungen von Mathematik-Lehrkräften www.prolehre.de Arbeitsprodukte der Lehrkräfte www.problemloesenlernen.de Aufgabendatenbank madaba www.madaba.de Kontakt: Mathematikwettbewerbe: [email protected] http://www.mathe-kaenguru.de/ [email protected] http://www.mathematik-wettbewerb.de/ Anmeldeadresse: [email protected] 23. September 2009 | Fachbereich Mathematik | AG Didaktik | Prof. Dr. Regina R. Bruder Bruder und C. und Collet C. Collet | 42 | 42