OpenSource4School/Lernumgebungen zur Informatischen Bildung im Mathematikunterricht der Primarstufe/Kann ein Roboter so gut rechnen wie ein Mensch

Formale Aspekte

Namen der Verfasser der Lernumgebungsdokumentation

Anika Augustin, Zoe Kettenbaum, Sina-Marie Rebmann

E-Mail-Adressen und Datum

anau00002@uni-saarland.de

s8zokett@uni-saarland.de

sire00002@uni-saarland.de

15.03.2023 (WiSe 22/23)

Inhaltsaspekte

Name der Lernumgebung

„Kann ein Roboter so gut rechnen wie ein Mensch?“

Kurzbeschreibung der Lernumgebung

Welche didaktische Motivation liegt der Lernumgebung zu Grunde?

Da immer mehr Kinder ein Smartphone oder Tablet besitzen, sollte der Umgang mit den digitalen Medien auch in der Schule zum Einsatz kommen. Laut der KIM-Studie aus dem Jahr 2020 sind 99% aller Haushalte, in denen Kinder zwischen sechs und 13 Jahren leben, mit Smartphones ausgestattet. Sogar 50% der Schülerinnen und Schüler besitzen ein eigenes Smartphone, welches auch über einen Internetzugang verfügt. Smartphones, Tablets und auch der Umgang mit Sprachassistenten und KIs werden im zukünftigen Leben der Kinder eine immer größer werdende Rolle spielen, daher zeigt das Thema eine hohe Zukunftsbedeutung auf. Der Sprachassistent von Apple, Siri, ist vielen Kindern bekannt und durch ein iPhone oder iPad leicht zugänglich. Mit Hilfe der Lernumgebung soll den Schülerinnen und Schülern aufgezeigt werden, dass die menschlichen Fähigkeiten (wie hier das Lösen von Sachaufgaben) nicht durch die KI von Siri ersetzt werden können.

Welches Ziel verfolgt die Lernumgebung? (Welche Lehrziele verfolgt die Lernumgebung?)

Die Lernumgebung verfolgt als großes Ziel, dass die Schülerinnen und Schüler durch eigenständiges Handeln verstehen, dass eine KI (hier: Siri) keine Sachaufgaben rechnen kann.

Die Lernenden

- lernen den Umgang mit Siri

- vergleichen ihre Ergebnisse der Sachaufgaben mit den Ergebnissen/ Antworten von Siri

- vollziehen ihren Prozess beim Lösen von Sachaufgaben nach und vergleichen diesen mit dem Rechenweg von Siri

- lernen, dass Siri nur Zahlen verrechnen kann und keine komplexen Sachaufgaben lösen kann.

Was sind markante Eckpunkte der Lernumgebung?

Die markanten Eckpunkte sind das spielerische Lernen und Rechnen durch die Interaktion mit Siri. Zudem wird die Lernumgebung durch den Einsatz von digitalen Medien (in diesem Fall iPads) und durch die vielfältigen Sozialformwechsel gekennzeichnet.

Welche Arbeitsmittel/ Medien werden in der Lernumgebung eingesetzt?

Zentral für die Lernumgebung ist das Forscherheft, welches jede Schülerin und jeder Schüler erhält. In dem Forscherheft befinden sich die Aufgaben, die von den Schülerinnen und Schülern in Einzel-, Partner- und Gruppenarbeit erarbeitet werden sollen. Für den Einstieg und die Arbeitsphase werden iPads benötigt, mit denen sich die Lernenden mit Siri unterhalten können. Zudem werden für die Erarbeitungsphase Tipp-Kärtchen eingesetzt, die den Kindern als Hilfestellungen beim Rechnen der Sachaufgaben zur Verfügung stehen. Für die Gruppenarbeitsphasen werden pro Gruppe jeweils zwei Kärtchen benötigt, auf welchen die genauen Arbeitsaufträge mit zusätzlichen Tipps stehen. Damit die Schülerinnen und Schüler ihren Gruppenarbeitstisch finden, werden die drei verschiedenen Roboter laminiert und als Aufsteller auf die Tische gestellt.

Ungefährer Zeitbedarf zur Durchführung

Die Lernumgebung ist für eine Doppelstunde (90 Minuten) angesetzt, kann jedoch individuell an das Leistungsniveau der Lernenden angepasst werden.

Adressaten der Lernumgebung

In welcher Klassenstufe soll die Lernumgebung eingesetzt werden?

Die Lernumgebung ist für die dritte Klassenstufe konzipiert. Bei einer Anpassung der Sachaufgaben kann die Lernumgebung aber auch in einer vierten Klasse zum Einsatz kommen.

Sind besonders spezielle Gruppen (z.B. Kinder mit Rechenschwäche, mathematisch begabte Kinder, Inklusionskinder,...) im Fokus der Durchführung?

Es sind keine besonders speziellen Gruppen (z.B. Kinder mit Rechenschwäche, mathematisch begabte Kinder, Inklusionskinder, etc.) im Fokus dieser Lernumgebung. Jedoch gelingt es durch geeignete Differenzierungsmaßnahmen alle Kinder in den Lernprozess mit einzubeziehen.

Zentrale Aufgabenstellungen und Arbeitsaufträge in der Lernumgebung

Der Einstieg erfolgt im Sitzkreis und die Lehrperson stellt den Lernenden Siri vor, indem folgende Frage an Siri gestellt wird: “Hey Siri, wie geht es dir heute?”.

Im Anschluss dürfen drei Kinder Siri ebenfalls noch eine Frage stellen, um mit der Handhabung vertraut zu werden. Die Lehrperson leitet über zur Problemstellung, indem sie sagt: “Ich habe mich gestern gefragt, ob Siri genauso gut Mathe-Aufgaben rechnen kann wie wir. Hey Siri, kannst du rechnen?”. Siri antwortet daraufhin: “Ich habe Rechnen in der letzten Zeit geübt. Teste mich!”.

Die Lehrperson formuliert daraufhin folgende Problemstellung/Zielangabe: “Heute wirst du zum Sachrechen-Profi und trittst gegen Siri in spannenden Mathe-Duellen an. Kannst du Siri besiegen?”.

Explizite Formulierung der Aufgabenstellungen und Arbeitsaufträge

Konkrete Fragestellung/ Aufgabenstellung/ Anweisung/ Text	Aufgabenspezifische Hintergrundinformationen und mögliche Impulse
Der Einstieg (siehe oben) findet statt und die Lehrperson formuliert die Problemstellung.	Lehrperson: “Heute wirst du zum Sachrechen-Profi und trittst gegen Siri in spannenden Mathe-Duellen an. Kannst du Siri besiegen?”
In der Arbeitsphase arbeiten die Lernenden mit einem Partner oder einer Partnerin zusammen und lösen die Sachaufgabe im Forscherheft, welche auf das Leistungsniveau der beiden Kinder, die zusammenarbeiten, angepasst ist.	Lehrperson: “Bearbeite zusammen mit deinem Partner oder deiner Partnerin die erste Aufgabe in deinem Forscherheft. Der Name des Kindes, mit dem du zusammenarbeitest, steht in deinem Forscherheft. An meinem Pult findest du Tipp-Kärtchen, die dir weiterhelfen können.”
In der Reflexionsphase sollen die Kinder den anderen Lernenden erklären, wie sie beim Lösen der Aufgabe vorgegangen sind. Die Antworten der Kinder hält die Lehrperson an der Tafel stichwortartig fest. Ziel ist hierbei, dass die Lernenden die einzelnen Prozessschritte zum Lösen einer Sachaufgabe (Lesen der Aufgabe, Markieren wichtiger Informationen, Rausschreiben der benötigten Zahlen und Daten, Verrechnen der Zahlen, Formulierung des Antwortsatzes) nennen. Anschließend schreiben die Schülerinnen und Schüler die Prozessschritte auf die entsprechende Seite in ihrem Forscherheft.	Lehrperson: “Erkläre deinen Mitschülerinnen und Mitschülern, wie du beim Lösen deiner Aufgabe vorgegangen bist.” Lehrperson: “Trage auf die Seite 2 in deinem Forscherheft diese Schritte, die du beim Lösen einer Sachaufgabe machen musst, ein.”
Die Transferphase zeichnet sich dadurch aus, dass die Kinder in Gruppen die in der Arbeitsphase bearbeiteten Aufgaben Siri stellen und festhalten sollen, was Siri lösen kann und was nicht. Dies wird im Forscherheft dokumentiert. Insgesamt gibt es drei Gruppen, die alle so zusammengesetzt wurden, dass in jeder Gruppe alle Differenzierungsniveaus vertreten sind.	Lehrperson: “Finde dich am Gruppentisch ein, auf dem der Roboter steht, der mit dem Roboter auf dem Deckblatt deines Forscherhefts übereinstimmt. Dort findest du Karten, auf denen steht, wie du vorgehen sollst.” 1. Aufgabenkarte: “Bearbeitet in eurer Gruppe die Seiten 4 und 5 in eurem Forscherheft. Stellt Siri dafür zunächst die Matheaufgaben, die ihr selbst bearbeitet habt. Überlegt, welche Aufgaben ihr Siri noch stellen könntet.” 2. Aufgabenkarte: “Bearbeitet in eurer Gruppe die Seiten 6 und 7 in eurem Forscherheft. Schaut euch noch einmal eure Ergebnisse auf den Seiten 4 und 5 an. Was fällt euch auf? Findet Formulierungen dafür, was Siri rechnen kann und was nicht.” Tipp-Karte auf Rückseite der 1. Aufgabenkarte: “Überlegt, wie ihr Aufgaben Verändern könnt, damit Siri sie besser lösen kann.”
In der abschließenden Sicherungsphase sollen die Kinder nennen, was sie beim Rechenduell mit Siri festgestellt haben. Hierbei greifen sie auf ihre Mitschriften im Forscherheft zurück. Die Lernenden sollen erkennen, dass sie im Gegensatz zu Siri (komplexe) Sachaufgaben lösen können und dabei mehrere kognitive Zwischenschritte vornehmen können. Diese Erkenntnis schreibt die Lehrperson an die Tafel und die Schülerinnen und Schüler übertragen es als Fazit in ihr Forscherheft. Anschließend schreiben die Kinder die abschließende Erkenntnis auf die entsprechende Seite in ihrem Forscherheft.	Lehrperson: “Fasse zusammen, was du mit deiner Gruppe beim Rechenduell mit Siri herausgefunden hast.” Lehrperson: “Du hast heute gesehen, dass du deutlich besser rechnen kannst als Siri. Im Gegensatz zur Siri kannst du Sachaufgaben und auch Problemaufgaben lösen, bei denen du mehrere Rechenschritte machen musst, um zum Ergebnis zu gelangen.” Lehrperson: “Trage auf die Seite 8 in deinem Forscherheft unseren gemeinsamen Antwortsatz ein.”

Technische Voraussetzungen

Man braucht zur Durchführung der Lernumgebung für jede Gruppe ein iPad, das mit dem W-Lan verbunden ist, um mit Siri kommunizieren zu können, damit die Aufgaben im Forscherheft bearbeitet werden können.

Mathematischer und informatischer Gehalt der Lernumgebung

Mathematische und informatische Analyse

Im Forscherheft finden sich Sachaufgaben zu den verschiedenen Grundrechenarten (mathematisch) sowie Fragen, die die Schülerinnen und Schüler durch das Befragen von Siri beantworten sollen (informatisch).

Es werden folgenden Kompetenzen durch die Aufgaben angesprochen (Kernlehrplan Saarland Mathematik, 2009):

Inhaltsbezogene Kompetenzen:

- Leitidee “Zahlen und Operationen” (Aufgaben im Forscherheft zu den Grundrechenarten)

- Leitidee “Größen und Messen” (Einheiten miteinander verrechnen und umrechnen in den Aufgaben)

Prozessbezogene Kompetenzen:

- Mathematisch kommunizieren (Partner- und Gruppenarbeit)

- Mathematisch modellieren (Lösen der Sachaufgaben- Modellierungskreislauf)

- Mathematisch argumentieren (Begründen, welche Aufgaben Siri lösen oder nicht lösen kann)

Mathematik- und informatikdidaktischer Gehalt der Lernumgebung

Didaktische Analyse

Grundsätzlich ist die Lernumgebung durch das Forscherheft so konzipiert, dass die Kinder durch die Lernumgebung “geführt” werden, wodurch deren Ablauf für die Lernenden klar ersichtlich ist. Die im Forscherheft abgedruckten Sachaufgaben können jedoch zu Problemen oder Hindernissen auf Seiten der Schülerinnen und Schülern führen. Es können demnach Fehler, die durch das fehlerhafte Modellieren entstanden sind, beim Lösen der Sachaufgaben entstehen (Franke & Ruwisch, 2010). Hierzu zählen Fehler beim Aufbau eines Situationsmodells, beim Überführen vom Situationsmodell ins mathematische Modell, beim Umsetzen des mathematischen Modells und bei der Deutung und Validierung der mathematischen Ergebnisse (Franke & Ruwisch, 2010). Es ist außerdem die Aufgabe der Lehrperson die Lernumgebung an die heterogene Lernerschaft anzupassen, also die Lernumgebung in der Vorbereitung didaktisch flexibel zu gestalten (Krauthausen & Scherer, 2019). Die Lehrperson muss die mathematischen sowie die sozialen Kompetenzen ihrer Schülerinnen und Schüler gut einschätzen können, um geeignete Arbeitsgruppen einzuteilen und damit einen größtmöglichen Erkenntniszuwachs bei jedem Lernenden individuell hervorzurufen. Jedoch kann es auch trotz der optimalen Vorbereitung durch die Lehrperson während der Durchführung der Lernumgebung zu unerwarteten Schwierigkeiten und Problemen bei den Kindern führen, was dazu führen kann, dass weder das Potenzial der Aufgabe ausgeschöpft werden kann noch die Lernumgebung den Lernenden gerecht werden kann (Krauthausen & Scherer, 2019). Der mathematische Gehalt der Lernumgebung sollte ebenfalls nicht vernachlässigt werden, was in dieser Lernumgebung durch das ständige “Präsentsein” des Themenfeldes Sachaufgaben und das Vorgehen von Sachaufgaben generiert wird (Krauthausen & Scherer, 2019).

„Gute“ Aufgaben & Differenzierung

Analyse der Aufgabenstellungen und Arbeitsaufträge nach den Kriterien "guter" Aufgaben zum Lernen (bzgl. Mathematik & informatische Bildung)

a. Mathematische & informatische Ergiebigkeit (Kompetenzorientierung)

Die Mathematische Ergiebigkeit dieser Lernumgebung liegt darin, dass die Schülerinnen und Schüler Mathematik nutzen, um im Anschluss informatische Erkenntnisse gewinnen zu können. Zum einen müssen die Kinder Sachaufgaben lösen, dann in der Reflexionsphase über ihr mathematisches Vorgehen beim Lösen der Sachauf-gaben sprechen (Modellierungskreislauf in Alltagssprache) und anschließend mit Siri so lange experimentieren, bis sie auch Matheaufgaben lösen kann, um Siris mathematisches Können anschließend zu analysieren und zu beschreiben. Es findet also in direkter und indirekter Form während der gesamten Lernumgebung eine Auseinandersetzung mit Mathematik statt (Kompetenzen siehe “Mathematischer Gehalt der Lernumgebung”). Betrachtet man die informatische Ergiebigkeit dieser Lernumgebung, so wird klar, dass diese in dem Versuch liegt, das Phänomen Künstliche Intelligenz (KI) den Kindern näher zu bringen. Auch wenn dieser Fachbegriff als solcher nicht explizit in der Lernumgebung fällt, setzen sich die Lernenden mit diesem handelnd auseinander. Siri wird als Repräsentant gewählt und die Schülerinnen und Schüler lernen experimentierend und forschend, dass eine Künstliche Intelligenz (gegenüber den Kindern als Roboter beschrieben) nicht alles machen kann und weiß, was wir Menschen können. Die Kinder mögen zu Beginn fasziniert sein, dass Siri sprechen kann und auf Fragen antwortet, jedoch wird ihnen innerhalb des Lernprozesses schnell deutlich, dass eine KI kein Gehirn hat im Vergleich zum Menschen. In dieser Lernumgebung wird sich dahingehend auf den Aspekt beschränkt, dass eine KI nicht in der Lage ist komplexe Matheaufgaben zu verstehen und diese mit Zwischenschritten zu lösen.

b. Offenheit & optimale Passung

Die Offenheit einer Lernumgebung führt dazu, dass die Schülerinnen und Schüler durch eigenständige Erarbeitung und auf unterschiedlichen Lernwegen zu ihren Erkenntnissen kommen. Dieser Aspekt findet auch in dieser Lernumgebung Anklang. Denn die Lernenden bekommen zwar Arbeitsmaterialien (Forscherheft, Aufgabenkärtchen und iPad mit Siri) von der Lehrperson, sind jedoch in der eigentlichen Bearbeitung frei. Das bedeutet, dass in dieser Lernumgebung während der Transfer-Phase eine methodische Öffnung stattfindet. Denn die Kinder können mit ihrer Gruppe durch verschiedene Vorgehensweisen und Fragen an Siri eigenständig zu Erkenntnissen darüber gelangen, was Siri rechnen kann und was nicht. In der Gruppenarbeitsphase liegt außerdem eine sehr heterogene Lerngruppe vor, sodass vielfältige Ideen und Impulse (auch durch die unterschiedlich bearbeiteten Aufgaben in der Arbeitsphase) zur Verfügung stehen und alle von sich gegenseitig profitieren können (Krauthausen & Scherer, 2010). In der Arbeitsphase, in der die Sachaufgaben gelöst werden, herrscht eine optimale Passung dahingehend, dass die Kinder einen Partner haben, der sich auf dem gleichen Anforderungsniveau befindet, wodurch alle Schülerinnen und Schüler die Aufgabe angepasst an die jeweiligen mathematischen Fähigkeiten lösen können.

c. Authentizität, Aktivierung & Motivation

Im Mittelpunkt der Lernumgebung steht Siri, eine Künstliche Intelligenz, die durch ihre Antworten bei den Kindern Faszination, Staunen und Freude hervorruft. Außerdem befinden sich die Schülerinnen und Schüler durch die Problemstellung: “Heute wirst du zum Sachrechen-Profi und trittst gegen Siri in spannenden Mathe-Duellen an. Kannst du Siri besiegen?” in einem motivierten Handlungszusammenhang. Denn die Kinder wollen auf jeden Fall Siri besiegen und strengen sich deswegen besonders gut an. Dass im Laufe der Lernumgebung immer mehr Aspekte zum Vorschein kommen, die die Schülerinnen und Schüler mathematisch besser beherrschen als Siri, steigert nochmals die Motivation und Freude. Außerdem bietet die Lernumgebung durch die vielen Aktivitäten, bei denen die Kinder experimentell und forschend an Siris Fähigkeiten herangehen, Raum eigene Ideen und eigenes Wissen einzubringen. All diese Aspekte führen dazu, dass es sich bei dieser Lernumgebung um einen authentischen und sinnstiftenden Kontext handelt, an dem die Lernenden voller Motivation teilnehmen (Wollring, 2008).

d. Verständlichkeit

Die Verständlichkeit wird dadurch generiert, dass die Schülerinnen und Schüler im Einstieg durch die Lehrperson dem informatischen Thema erstmals begegnen. Durch erste Umgänge mit Siri werden so Verständnisprobleme aufgrund der Bedienung vermieden. Durch Tipp-Kärtchen und Sachaufgaben auf dem jeweiligen Differenzierungsniveau sollten auch in der Arbeitsphase keine größeren Verständnisprobleme auftauchen. Durch das soziale Lernen und die methodische Öffnung in der Transfer-Phase wird auch hier die Verständlichkeit erfüllt, da die Kinder sich selbstständig handelnd und somit für sich verständlich dem Lerngegenstand nähern. Es entstehen also keine Schwierigkeiten bezüglich der sprachlichen Syntax beziehungsweise der semantischen Zusammenhänge. Falls doch, kann die Lehrperson geeignet intervenieren.

Artikulation, Kommunikation, Soziale Organisation

Inwiefern werden die Artikulationsoptionen Handeln, Sprechen und Schreiben ausgenutzt?

Die Artikulationsoption Handeln wird dadurch angesprochen, dass die Schülerinnen und Schüler Siri selbstständig mit den iPads befragen können. Daran anknüpfend erfolgt die Artikulationsoption des Sprechens durch die Partner- und Gruppenarbeit, in der die Aufgaben gemeinsam bearbeitet werden und sich über die verschiede-nen Ergebnisse ausgetauscht wird. Rechnungen und andere Erkenntnisse werden in das Forscherheft niedergeschrieben (Artikulationsoption Schreiben).

Wird Raum zum Gestalten und Raum zum Behalten gelassen?

Raum zum Behalten wird insofern ermöglicht, dass die Lernenden alle Rechnungen und Erkenntnisse im Forscherheft dokumentieren und jederzeit darauf zurückgreifen können. Raum zum (eigenständigen) Gestalten wird leider nur begrenzt gelassen, da das Forscherheft durch die Lehrperson schon vorgegeben wurde, und lediglich von den Kindern ausgefüllt wird.

Welche Sozialformen werden verwendet?

Im Einstieg befinden sich die Lernenden im Sitzkreis. In der Arbeitsphase erarbeiten die Kinder mit einem Partner gemeinsam die ihnen im Forscherheft vorliegende Sachaufgabe. Die daran anschließende Reflexionsphase findet erneut im Plenum statt und darauf folgt eine Gruppenarbeit in der Transferphase. Die Ergebnisse werden in der Sicherungsphase im Plenum gesammelt.

Wie wird die Schlusssequenz im Sinne einer gemeinsamen Reflexion mit den Schülerinnen und Schülern gestaltet?

Die Sicherung wird durch den Impuls “Fasse zusammen, was du mit deiner Gruppe beim Rechenduell mit Siri herausgefunden hast.” eingeläutet. Die Lernenden greifen auf die Ergebnisse aus dem Forscherheft zurück und kommen so zu folgenden Erkenntnissen:

- “Siri kann mehrere Zahlen miteinander verrechnen.”

- “Siri kann keine Zahlen miteinander verrechnen, hinter denen eine Einheit steht.”

- “Siri versteht keine Text- und Sachaufgaben.”

- “Siri rechnet alles ohne Zwischenschritte.” (Verweis auf Reflexionsphase, in der die Zwischenschritte der Kinder beim Lösen von Sachaufgaben gemeinsam notiert wurden)

Die Lehrperson fasst die Antworten der Schülerinnen und Schüler wie folgt zusammen: “Du hast heute gesehen, dass du deutlich besser rechnen kannst als Siri. Im Gegensatz zu Siri kannst du Sachaufgaben und Problemaufgaben lösen, bei denen du mehrere Rechenschritte machen musst, um zum Ergebnis zu gelangen.” Die Lehrperson schreibt noch einen abschließenden Satz an die Tafel (“Ich habe Siri besiegt, denn Siri kann nur Zahlen miteinander verrechnen und keine Sachaufgaben lösen.”), den die Lernenden in ihr Forscherheft schreiben.

Potenzial des Einsatzes (digitaler) Medien

Welches investive Material wird benötigt?

Als investives Material werden 3 iPads mit einer W-Lan-Verbindung benötigt. Diese sind leicht transportierbar und da Siri auf jedem iPad vorinstalliert ist, sind technische Detailvorbereitungen nicht nötig (Wollring, 2008). Die Lernumgebung kann nur an Standorten mit einer stabilen W-Lan-Verbindung durchgeführt werden.

An welcher Stelle wird der Umgang mit (digitalen) Arbeitsmitteln und den enthaltenen Potentialen von den Kindern erlernt?

Die Kinder erlernen den Umgang mit Siri im Einstieg, indem sie ihr verschiedene Fragen stellen dürfen. Alle anderen notwendigen Arbeitsmittel erfordern durch ihre intuitive Nutzung keine weiteren Einführungen (siehe Forscherheft mit Arbeitsaufträgen).

Welches konsumtive Material wird benötigt?

Die Lehrperson gestaltet ein Forscherheft, welches auf das Leistungsniveau des Kindes angepasst ist. Auf der Vorderseite des Hefts ist ein farbiger Roboter abgebildet, der die Zugehörigkeit zu einer Gruppe für die Transferphase darstellt. Zudem befindet sich auf der Rückseite noch ein Ausmalbild von den verschiedenen Robotern, welches die Kinder in der Pause oder zu Hause ausmalen können (siehe Anhang).

Wie organisieren Sie das Material?

Die Tipp-Kärtchen für die Arbeitsphase (Lösen der Sachaufgaben) befinden sich auf dem Lehrerpult. Die Lernenden können sich hier gemäß ihren Bedürfnissen bedienen. In der Transferphase werden Aufgabenkarten verwendet, die den Gruppen das weitere Vorgehen erläutern. Diese Karten, die auf der Rückseite mit Tipps versehen sind, liegen auf den vorbereiteten Gruppentischen bereit. Damit die Kinder wissen, in welchen Gruppen sie sich in der Transferphase zusammenfinden sollen, wurden die zu ihrem Forscherheft passenden Roboter (siehe Deckblatt des Forscherheftes) auf den jeweiligen Gruppentischen mittels Aufsteller platziert. Das Forscherheft wird den Schülerinnen und Schülern nach dem Einstieg ausgehändigt.

Welche Vor- und Nachteile hat die jeweilige Organisation des Materials?

Dass die Tipp-Kärtchen in der Arbeitsphase am Lehrerpult stehen, hat zum Vorteil, dass die Lernenden sich eigenständig und nach ihren jeweiligen Bedürfnissen an den Karten bedienen können und so kein Durcheinander an Tipp-Kärtchen auf den Schülertischen entsteht. Ein Nachteil stellt hierbei das Hin- und Herlaufen der Kinder dar, wenn sie alle ans Lehrerpult laufen, um sich die Karten zu holen. Außerdem ist es möglich, dass eine Hemmschwelle entsteht und die Schülerinnen und Schüler sich nicht trauen die Tipp-Kärtchen in Anspruch zu nehmen. Die Tipp-Kärtchen für die Transferphase, welche bereits auf den Tischen liegen und Tipps enthalten, beugen so dem Umherlaufen der Lernenden vor.

Die Roboter-Aufsteller auf den Gruppentischen sind sehr gut zur nonverbalen Kommunikation geeignet. Denn durch diese visuelle Organisationshilfe wird der Redeanteil der Lehrperson reduziert, da sie nicht noch einmal die einzelnen Gruppenzuteilungen erläutern muss, sondern die Schülerinnen und Schüler entsprechend des Roboters auf der Titelseite ihres Forscherheftes an die Gruppentische gehen können. Auch das weitere Vorgehen in der Transfer-Phase innerhalb der Gruppen ist durch die Aufgaben-Kärtchen an den Gruppentischen und die Hinweise im Forscherheft gut strukturiert, sodass es auch hier keine weiteren Anweisungen der Lehrperson benötigt.

In welcher Funktion werden die Arbeitsmittel/ digitale Medien jeweils eingesetzt?

Das digitale Medium (Siri/iPad) wird eingesetzt, damit die Kinder erkennen, dass ein Roboter nicht so gut rechnen kann, wie ein Mensch. Anhand des Forscherheftes stellen sie Siri verschiedene Fragen, wobei die Antworten von Siri den Lernenden Aufschluss über die zu erforschende Problemstellung liefert. Demnach wird das digitale Medium als Mittel zum Argumentieren und Beweisen genutzt.

Welche fachdidaktischen Potenziale bringen die Arbeitsmittel/ digitalen Medien mit?

Grundsätzlich hat das iPad mit Siri kein fachdidaktisches Potenzial, da es nicht direkt als Arbeitsmittel (wie beispielsweise Steckwürfel) eingesetzt wird, sondern eher als Ergänzung zum Material gilt.

Stimmt das „Preis-Leistungs-Verhältnis“ der Lernumgebung, sodass keine Unausgewogenheit an Material und Zeitaufwand spürbar wird?

Der Zeitaufwand für die Erstellung des Materials durch die Lehrperson ist sehr hoch, vor allem, was die Gestaltung des Forscherhefts angeht. Zudem kann das Forscherheft pro Schüler und Schülerin nur einmal benutzt werden (konsumtives Material). Die Tipp-Kärtchen für die Arbeitsphase, welche zu den Grundrechenarten und schriftlichen Rechenverfahren erstellt wurden, können auch unabhängig von der Lernumgebung im Mathematikunterricht eingesetzt werden. Dies gilt auch für die Roboter-Aufsteller, die zur Organisation von Gruppenarbeiten verwendet werden können.

Wieviel Zuwendung der Lehrperson ist notwendig und kann fehlende Zuwendung der Lehrperson durch sachbezogene und erfolgreiche Kooperation der Kinder ausgeglichen werden?

Die Lehrperson ist im Einstieg präsent und stellt das Ziel der Stunde vor. In der Arbeits- und Transferphase zieht sich die Lehrperson zurück und nimmt die Rolle des “Beraters” an, da die Arbeitsaufträge klar ersichtlich aus dem Forscherheft hervorgehen, die Kinder sich durch das stattfindende soziale Lernen gegenseitig unterstützen und demnach keine weiteren Impulse durch die Lehrperson benötigen. Lediglich in der Sicherungs- und Reflexionsphase findet ein verstärkter Austausch zwischen Lehrperson und Lernenden statt, indem die Lehrperson als “Vermittler” agiert, um Schülerantworten und Schülerergebnisse aufeinander zu beziehen und in ein gemeinsames Ergebnis zu integrieren.

Evaluation

Ermöglicht die Lernumgebung das Erzeugen von Strategiedokumenten?

Ja, die Lernumgebung ermöglicht das Erzeugen von Strategiedokumenten, da in der Reflexionsphase eine Art Checkliste angefertigt wird, welche das Vorgehen beim Lösen von Sachaufgaben reflektiert, dadurch vertieft und für zu einem anderen Zeitpunkt nochmal zu lösende Sachaufgaben zur Verfügung steht.

Kann identifiziert werden, was an einer Schülerlösung anerkennenswert ist?

Die Reflexions- und Sicherungsphase in dieser Lernumgebung dienen dazu, Schülerlösungen zu sammeln, zu ergänzen und zu erweitern. Da das soziale Lernen in den Arbeitsphasen immer im Vordergrund steht, lassen sich die Schülerlösungen nicht mehr auf eine bestimmte Person zurückführen, da es sich hier um eine Partner-/Gruppenerkenntnis handelt. Demnach können Förderimpulse nur an eine ganze Gruppe und nicht an einen einzelnen Lernenden gerichtet werden. Die Unterrichtsphasen lassen also auch darauf schließen, ob eine Schülerlösung (in diesem Fall eine Partner-/Gruppenlösung) anerkennenswert ist. In diesem Fall wird also das Selbstkonzept einer ganzen Gruppe gestärkt, was vor allem bei schwächeren Kindern mit einem eher geringeren Selbstkonzept zu Vorteilen führen kann.

Kann identifiziert werden, welche Leistungen zum sozialen Lernen beitragen?

Die Lernumgebung trägt insofern zum sozialen Lernen bei, dass in der Unterrichtsstunde viele verschiedene Sozialformen vorzufinden sind. Im Einstieg findet der Austausch mit allen Lernenden im Plenum in einem Sitzkreis statt, anschließend bearbeiten die Schülerinnen und Schüler die Sachaufgaben in Partnerarbeit. Dabei sprechen sie sich ab, überlegen gemeinsame Vorgehensweisen und unterstützen sich gegenseitig bei möglichen Verständnisproblemen. Gerade die Transferphase bildet ein intensives Potenzial für soziales Lernen. Denn durch die Gruppen, in denen Kinder aller Differenzierungsniveaus vorzufinden sind, entsteht ein Austauschraum mit vielen unterschiedlichen Meinungen, Ansichten und Ideen. Dadurch werden von den Kindern neben den informatischen und mathematischen Kompetenzen, in dieser Phase auch viele Sozialkompetenzen (Kritikfähigkeit, Kooperationsfähigkeit, Absprachefähigkeit, …) gefördert.

Vernetzung mit anderen Lernumgebungen

Bietet die Lernumgebung Beziehungen zu anderen Strategien im selben mathematischen Problemfeld? (Sind spezielle Lehr- und Lernaktivitäten vor und nach der Lernumgebung möglich/ notwendig? Wie könnten weiterführende Aufgabenstellungen lauten?)

Die Schülerinnen und Schüler sollten bereits vor der Durchführung der Lernumgebung Erfahrungen mit Tablets gesammelt haben. In den Stunden vor der Lernumgebung könnten daher Regeln zum Umgang mit den Tablets erarbeitet werden, sowie beispielsweise Bestandteile des Tablets geklärt werden, um die Kommunikation in der Lernumgebung zu vereinfachen. Zudem bietet sich im Rahmen der Lernumgebung die Durchführung eines Tablet-Führerscheins an, welcher mit dem Bearbeiten des Forscherheftes und dem damit verbundenen Abschließen der Lernumgebung erworben werden kann. Diese Aktivitäten sind vor der Lernumgebung möglich, müssen aber nicht unbedingt durchgeführt werden, da in der Lernumgebung selbst eine kleine Einführung zu den Tablets gegeben wird. In weiterführenden Stunden können die Schülerinnen und Schüler beispielsweise die Aufgabenstellungen der Lernumgebung weiterführen und eigene Sachaufgaben erstellen und diese mit Hilfe von Siri bearbeiten. Des Weiteren ist es möglich, auch bei anderen Themen im Matheunterricht die Tablets einzusetzen (z.B. Geometrie). Da die Lernumgebung den Schwerpunkt eher auf das legt, was eine KI nicht kann, könnte in den Folgestunden weiter darauf eingegangen werden, in welchen Situationen eine KI beispielsweise im Alltag nützlich sein kann.

Gibt es Beziehungen zu anderen Bereichen im Mathematikunterricht?

Die Lernumgebung stellt Beziehungen zu den allgemeinen mathematischen Kompetenzen Problemlösen, Kommunizieren und Argumentieren her. Darüber hinaus lassen sich Bezüge zu folgenden Kompetenzbereichen im Lehrplan ziehen:

Klasse 1+2: Sachrechnen (in Kontexten rechnen), Größenvorstellungen besitzen

Klasse 3+4: Rechenoperationen verstehen und beherrschen, Sachrechnen (in Kontexten rechnen), Größenvorstellungen besitzen, Einheiten kennen und mit ihnen rechnen, mit Größen in Sachzusammenhängen umgehen.

Gibt es Beziehungen zu anderen Fächern?

Die Lernumgebung bietet durch das Rechnen der Sachaufgaben und den Umgang mit den Tablets und der KI vorrangig Bezüge zu den Fächern Mathe und Informatik. Weitere Beziehungen können zu den Fächern Deutsch (verschriftlichen der einzelnen Schritte des Rechenweges, formulieren des Zielsatzes) und Sachunterricht (zur Perspektive: Medien) gezogen werden.

Gibt es Beziehungen zur außerschulischen Lebenswelt?

Da die Mehrheit der Kinder mit Smartphones vertraut ist und auch viele Kinder selbst Smartphones oder Tablets besitzen, stellt die Lernumgebung somit einen Bezug zur außerschulischen Lebenswelt dar. Außerdem nimmt auch der Aspekt der Künstlichen Intelligenz einen immer größer werdenden Stellenwert in dem Alltag der Kinder ein.

Reflexion der Lernumgebung

Welche Aspekte der Durchführung können problematisch werden (Stolpersteine, d.h. kleinere Probleme, die direkt behoben werden können)?

Es könnte für die Kinder zunächst verwirrend sein, die richtigen Partner und Gruppentische zu finden, da dies mittels Symbole erfolgt. Deshalb sollte bereits im Vorhinein oder vor dem Austeilen der Forscherhefte das Prinzip der Partner- und Gruppenzuteilung kurz erklärt werden.

Wann sollte die Lernumgebung nicht angewendet werden?

Die Lernumgebung sollte nicht angewendet werden, wenn bekannt ist, dass in der Schule (oder Klasse), in der die Lernumgebung durchgeführt werden soll, keine W-Lan-Verbindung und/oder keine iPads vorhanden sind. Die Lernumgebung basiert auf der Interaktion mit Siri, welche nur auf Apple-Geräten installiert ist, und dies funktioniert wiederum nur mit einer stabilen W-Lan-Verbindung.

Literatur

Feierabend, S., Rathgeb, T., Kheredmand, H., & Glöckler, S. (2021). KIM-Studie 2020. Kindheit, Internet, Medien. Basisuntersuchung zum Medienumgang 6- bis 13-Jähriger. Medienpädagogischer Forschungsverbund Südwest (mpfs). https://www.mpfs.de/fileadmin/files/Studien/KIM/2020/KIM-Studie2020_WEB_final.pdf

Franke, M. & Ruwisch, S. (2010). Didaktik des Sachrechnens in der Grundschule. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag. Hamacher, T. (2010). Suchmaschinenmarketing. Neue Marketing- Strategien für kleine und mittlere Wettbewerber. Marburg: Tectum Verlag. Saarland Ministerium für Bildung, Familie, Frauen und Kultur (2009).

Kernlehrplan Mathematik Grundschule. Online verfügbar unter: Leitidee: Zahlen und Operationen (saarland.de) [letzter Zugriff: 09.08.2022].

Krauthausen, G. & Scherer, P. (2019). Natürliche Differenzierung im Mathematikunterricht. Konzepte und Praxisbeispiele aus der Grundschule (3. Auflage). Seelze: Kallmeyer. S. 109-118.

Wollring, B. (2008). Zur Kennzeichnung von Lernumgebungen für den Mathematikunterricht in der Grundschule. Kasseler Forschungsgruppe (Hrsg.). Lernumgebungen auf dem Prüfstand. Bericht 2 der Kasseler Forschergruppe Empirische Bildungsforschung Lehren – Lernen – Literacy (S. 9-26). Kassel: kassel university press GmbH.