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Fokus

Institut Mathematische, Naturwissenschaftliche und Technische Bildung

Das Institut Mathematische, Naturwissenschaftliche und Technische Bildung (IMNT) ist die Anlaufstelle für Themen der Fächer Mathematik, NT (Natur und Technik) und NMG (Natur, Mensch, Gesellschaft). Neben der Aus- und Weiterbildung von Lehrpersonen der Volksschule beschäftigt sich das Institut in diversen und vielfältigen Projekten mit praxisrelevanten Fragen der entsprechenden Fachdidaktiken. Dabei werden Umwelt- und Inklusionsthemen ebenso fokussiert wie innovative MINT-Ansätze. Das IMNT achtet auf einen stark ausgeprägten Praxisbezug, hohe fachliche und methodische Qualität und eine fundierte Wissenschaftskommunikation.

Verständnis von Aspekten der Nature of Science und Umgang mit Fehlern

Fehlermachen ist Teil der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung und damit der Nature of Science (NOS). NOS wird mit dem Kompetenzbereich «NT1» im Lehrplan 21 berücksichtigt. Deshalb werden Fehler und ein adäquater Umgang damit für Lehrpersonen bedeutsam.

Fehler in NOS werden noch immer unzureichend beachtet. Empirische Ergebnisse zum Zusammenhang zwischen NOS und dem Umgang mit Fehlern im Kontext des MINT-Unterrichts fehlen. Daher wurde untersucht, inwiefern das Verständnis der Schülerinnen und Schüler von NOS-Aspekten deren Umgang mit Fehlern beeinflusst.

Zur Klärung dieser Forschungsfrage wurden 269 Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I im Rahmen des Smartfeld-Tagesworkshops «Kreativität in Natur und Technik – Smarte Textilien» mit einem Fragebogen zum Verständnis von NOS-Aspekten und zum Umgang mit Fehlern befragt. Beim Verständnis von NOS-Aspekten wurden die NOS-Aspekte «Wissen ist vorläufig, aber beständig», «Bedeutung des Fehlermachens beim Experimentieren» sowie «Kreativität» erfragt. Der Umgang mit Fehlern wurde mit den Skalen «Fehlerlernorientierung» und «Affektiv-motivationale Reaktionen auf Fehler» erhoben.

Zur Auswertung der Daten wurden verschiedene Strukturgleichungsmodelle berechnet. Das Verständnis von NOS-Aspekten wurde als unabhängige Variable betrachtet, während die Fehlerlernorientierung und die affektiv-motivationalen Reaktionen auf Fehler als abhängige Variablen dienten. Die Ergebnisse zeigten, dass Schülerinnen und Schüler mit einem adäquaten Verständnis der untersuchten NOS-Aspekte Fehler als Lernchance betrachten und positive affektiv-motivationale Reaktionen berichtet hatten. Zudem fungierte die Fehlerlernorientierung als Vermittlerin zwischen dem NOS-Verständnis und den affektiv-motivationalen Reaktionen auf Fehler. Die Erkenntnisse deuten darauf hin, dass eine stärkere Verbindung zwischen allgemeiner und fachspezifischer Didaktik entscheidend ist, um die Lehr- und Lernprozesse im MINT-Unterricht zu optimieren.

Methodik: Fragebogenerhebung

Kooperation
Universität Salzburg

Laufzeit
2019 bis 2023

Finanzierung
PHSG, Smartfeld

Leitung
Rahel Schmid (PHSG)

Team
Nicolas Robin (PHSG), Alexander Strahl (Uni Salzburg)

Literaturhinweise/Publikationen
Schmid, R. (im Druck). Verständnis von Nature of Science-Aspekten und Umgang mit Fehlern von Schüler*innen der Sekundarstufe I – Am Beispiel von digital-basierten Lernprozessen im informellen Lernsetting Smartfeld (Studien zum Physik- und Chemielernen). Berlin: Logos.

Schmid, R., Robin, N., Smit, R. & Strahl, A. (2022). The influence of error learning orientation on intrinsic motivation for visual programming in STEM Education. European Journal of STEM Education, 7(1), Artikel 05.
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Die BioDivSchool-WebApp zur Erfassung des ökologischen Potenzials einer Untersuchungsfläche ist nun in vier Sprachen verfügbar. Ein kurzes Manual erklärt die verschiedenen Funktionen. Die BioDivSchool-WebApp lässt sich mithilfe der dazugehörigen, neu erstellten Unterrichtsmaterialien für die Zyklen 2b und 3 (Lektionsplanung, Arbeitsmaterial, Dossier inklusive Lösungen für Schülerinnen und Schüler) in den Unterricht einbetten. Diese Unterlagen sind auf Deutsch auch von der entsprechenden GLOBE-Angebotsseite abrufbar. Ein ebenfalls im Rahmen des Projekts erstellter Leitfaden soll Lehrpersonen bei Aufwertungsvorhaben auf dem Schulareal unterstützen.

Kooperation
Verein GLOBE Schweiz, smartTrip

Laufzeit
2021 bis 2024

Finanzierung
MINT Schweiz (Akademien der Wissenschaften Schweiz), Hamasil-Stiftung, Somaha-Stiftung

Leitung
Patrick Kunz (PHSG)

Team
Christian Seiler (smartTrip), Eric Wyss (Verein GLOBE Schweiz)

In diesem Projekt wurden verschiedene Sensibilisierungsmassnahmen in die Ausbildung von Lehrpersonen des Fachbereichs «Natur und Technik» integriert. So wird in einem laborpraktischen Modul mit Rollenkarten gearbeitet. In einem anderen Modul wird ein Vignettentest als Ausgangspunkt für eine Diskussion der Genderrollen in Berufswelt und Gesellschaft bearbeitet. Zudem erstellten Studierende eine permanente Posterausstellung mit Porträts zu Frauen in der Wissenschaft. Intern wurde das Projekt mit einer Befragung von Naturwissenschaftsdozierenden abgeschlossen, die von der Gender- und Diversity-Fachstelle durchgeführt wurde.

Kooperation
PHBE, PH FHNW, PHLU, PHSG, PHZH

Laufzeit
2020 bis 2022 (aufgrund von Covid-19 verlängert bis August 2023)

Finanzierung
Eidgenössisches Büro für die Gleichstellung von Frau und Mann

Leitung
Dorothee Brovelli (PHLU), Patrick Kunz (PHSG)

Team
Sanja Atanasova (PHSG), Matthias Bigler (PHBE), Dorothee Brovelli (PHLU), Karin Güdel (PH FHNW), Christoph Gut-Glanzmann (PHZH), Tibor Gyalog (PH FHNW), Daniel Gysin (PHLU), Patrick Kunz (PHSG), Josiane Tardent (PHZH), Urs Wagner (PHBE)

Das mobiLLab ist ein Hightech-Labor, das Lehrpersonen wahlweise an ihre Schule holen oder mit ihrer Klasse an der PHSG besuchen können. Das Projekt soll bei den Jugendlichen das Interesse an Naturwissenschaften und Technik fördern. Mit modernsten Instrumenten und Methoden untersuchen sie an 12 Stationen alltagsnahe Fragestellungen und erhalten so einen Einblick in die aktuelle Forschungs-, Industrie- und Arbeitswelt. Die Jugendlichen werden bei ihrer Arbeit mit den Hightech-Geräten von Studierenden der PHSG unterstützt, die im Technik-Modul dafür ausgebildet werden. Zur Vorbereitung steht umfangreiches multimediales Unterrichtsmaterial zur Verfügung.

Laufzeit
2008 bis 2025

Finanzierung
Metrohm-Stiftung

Leitung
Ulrich Schütz (PHSG)

Im Oktober 2023 fand die zweite fachübergreifende Tagung zum Thema «Draussenlernen für eine zukunftsfähige Hochschule» statt. Neben Dozierenden nahmen erstmals auch Studierende teil. An einer internationalen Tagung zu MINT und BNE wurde der Transfer Praxis-Lehre-Praxis diskutiert. In einem Freifach von Bewegung und Sport konnten Studierende Draussenlernen als Methode kennenlernen. Erstmals fanden 2022 und 2023 Blockwochen zum Unterrichtsansatz «Draussenlernen» statt. Im Bereich der Forschung wurden Studierende wie auch Dozierende zu ihren Erfahrungen und Vorstellungen über Unterrichten im Freien befragt. Zurzeit wird an der ersten Publikation gearbeitet.

Kooperation
PH FHNW, PHFR, PHLU, PHSH, PHTG, HEP Vaud, SUPSI

Laufzeit
2019 bis 2024

Finanzierung
Stiftung Mercator Schweiz, Fondation Salvia, Stiftung SILVIVA

Leitung
Christina Wolf (PHSG)

Team
Patrick Kunz (PHSG, 2019 bis 2021), Lydia Tatjana Nitzsche (PHSG, 2022 bis 2024), Michelle Porchet (PHSG, 2019 bis 2020), Malin Wiget (PHSG)

Literaturhinweise/Publikationen
Obendrauf, M. & Wolf, C. (2022). «Lernen am Phänomen: Forschen, Entdecken, Experimentieren» – Ein Beispiel zur Integration von Unterrichten im Freien in der Ausbildung von Kindergarten- und Primarlehrpersonen. Progress in Science Education, 5(3), 64–76. 
Zur Publikation

Wolf, C., Kunz, P. & Robin, N. (2022). Emerging themes of research into outdoor teaching in initial formal teacher training from early childhood to secondary education – A literature review. The Journal of Environmental Education, 53(4), 199–220.
Zur Publikation

Wolf, C., Kunz, P. & Robin, N. (2022). Research and documentation of outdoor-based teaching in teacher education – The EOT project. In R. Jucker & J. von Au (Hrsg.), High-Quality Outdoor Learning (S. 257–267). Cham: Springer.
Zur Publikation

Wolf, C. & Monti Jermini, L. (2023). How outdoor learning can support STEM and sustainability education in initial teacher training. In M. Doorman & K. Maaß (Hrsg.), Conference book Educating the Educators IV (S. 72–75). Freiburg: ICSE.

Im MINT-Zentrum im Hochschulgebäude Hadwig wird in Kooperation mit ausserschulischen Kooperationspartnerinnen und Kooperationspartnern der Stadt St.Gallen (z.B. Naturmuseum St.Gallen) ein MINT-Begabungs- und Begabtenförderungsprogramm für (hoch)begabte Schülerinnen und Schüler der 4. bis 9. Klasse der Stadt St.Gallen angeboten. Die Kinder und Jugendlichen arbeiten während eines Jahres an einem oder mehreren selbst gewählten Projekten (z.B. Entwicklung eines experimentellen Designs zu einer aktuellen MINT-Frage), die unter Berücksichtigung des ausserschulischen Lernorts festgelegt werden.

Kooperation
Stadt St.Gallen, Dienststelle Schule und Musik

Laufzeit
2023 bis 2025

Finanzierung
Stadt St.Gallen, Dienststelle Schule und Musik, PHSG

Leitung
Nicolas Robin (PHSG), Rahel Schmid (PHSG)

Team
Monika Guler (PHSG)

Im Naturmuseum St.Gallen (NMSG) werden in Zusammenarbeit mit der PHSG in Jugend- und Klassenlaboren unterschiedliche Experimentiernachmittage für Kinder und Jugendliche verschiedener Zielstufen angeboten. Die Inhalte werden von Fachpersonen aus PHSG und NMSG entwickelt, während Studierende der PHSG die Leitung übernehmen. Die Jugendlabore richten sich an Schülerinnen und Schüler, die die Angebote zu Themen wie «Überwintern», «Allerlei rund ums Ei» oder «Welt der Steine» in ihrer Freizeit am Mittwochnachmittag besuchen. Die Klassenlabore bieten ab der 3. Klasse unterschiedliche thematische Labore zu Fossilien, Bionik, erneuerbaren Energien oder Genetik an.

Kooperation
Naturmuseum St.Gallen (NMSG)

Finanzierung
NMSG

Leitung
Nicolas Robin (PHSG), Rahel Schmid (PHSG)

Team
Matthias Meier (NMSG), Lea Moser (NMSG), Claudia Stucki (NMSG), studentische Mitarbeitende (PHSG)

In diesem Projekt wird der Nutzung von MINT-Angeboten wie zum Beispiel Smartfeld, mobiLLab oder Klassenlaboren im Naturmuseum St.Gallen nachgegangen. Das Ziel besteht darin, im Laufe der kommenden Jahre einen Rahmen für eine zielgerichtete Weiterentwicklung von MINT-Initiativen festzulegen. Zu diesem Zweck werden die Einstellungen und die Nutzung der Lehrpersonen und der Schülerinnen und Schüler erfasst und dokumentiert. Auf dieser Basis sollen Massnahmen für die Weiterentwicklung der bestehenden Initiativen formuliert werden.

Kooperation
Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften (SATW)

Laufzeit
2021 bis 2024

Finanzierung
Metrohm-Stiftung

Leitung
Nicolas Robin (PHSG), Rahel Schmid (PHSG)

Team
Sanja Atanasova (PHSG), Edith Schnapper (SATW), Robbert Smit (PHSG), Belinda Weidmann (SATW), studentische Mitarbeitende (PHSG)

Smartfeld, eine Leadorganisation der IT-Bildungsoffensive des Kantons St.Gallen, ist eine interdisziplinäre Initiative mit dem Ziel, Kreativität und Zukunftskompetenzen zu fördern sowie Kinder und Jugendliche für das digitale Zeitalter fit zu machen. Unter dem Credo «Technologie + Kreativität» sollen MINT-Fächer gefördert werden. Das Angebot umfasst verschiedene Workshops für alle Stufen. 2023 wurden rund 230 Workshops mit insgesamt über 4000 Schülerinnen und Schülern durchgeführt. Zudem bietet Smartfeld ein Freizeitangebot für Kinder und Jugendliche, die Vortragsreihe «Innovationsgeist in der Bildung» und ein Weiterbildungsangebot für Lehrpersonen.

Kooperation
Berufs- und Weiterbildungszentrum Buchs Sargans, Empa, Gewerbliches Berufs- und Weiterbildungszentrum St.Gallen, OST, PHSG, Startfeld, Switzerland Innovation Park Ost, Universität St.Gallen

Finanzierung
Eigenleistung Kooperationspartnerinnen und Kooperationspartner, IT-Bildungsoffensive (ITBO), Wirtschaftspartnerinnen und Wirtschaftspartner, Verbund von Stiftungen, Gönnerinnen und Gönnern

Leitung
Cornelia Gut-Villa (Geschäftsführerin Smartfeld), Mathias Kirf (Projektleiter, PHSG)

Team
Michael Aeschbacher (OST), Martin Amberg (Empa), Pascal Eberhard (Smartfeld), Stephanie Eugster (PHSG), Sofia Victoria Fässler (Universität St.Gallen), Verena Fastenbauer (BZBS), Cornelia Gut-Villa (Smartfeld), Atilla Güven (Smartfeld), Daria Höhener (Universität St.Gallen), Danilo Just (PHSG, OST), Mathias Kirf (PHSG), Julius Lang (Universität St.Gallen), Manuel Lenz (Smartfeld), Deborah Lingenhöle (Smartfeld), Benjamin Lizinger (Smartfeld), Maria Mannai (Smartfeld), Fatmir Racipi (PHSG), Thomas Rastija (Smartfeld), Fabian Reifler (GBS), Robert Schöch (OST), Clemens Waibel (PHSG), Leonie Zellweger (OST), rund 30 Studierende, die als Kursleitende tätig sind.

Das Open-Access-Journal «Progress in Science Education» (PriSE) bietet nicht nur etablierten Forschenden, sondern auch Nachwuchsforschenden die Möglichkeit, ihre Beiträge (inklusive erster Ergebnisse) zu veröffentlichen. Dadurch wird ein Austausch zwischen Forschenden, Lehrpersonen und anderen Interessierten aus dem Bereich «science and education» ermöglicht. Durch qualitativ hochstehende Beiträge und als Kommunikationsorgan von DiNat und Netzwerk BNE der Dozierenden (éducation21) hat sich PriSE sowohl national als auch international etabliert.

Kooperation
Universität Genf, PHLU, PHZH, SUPSI, CERN

Laufzeit
2021 bis 2024

Finanzierung
swissuniversities

Leitung
Nicolas Robin (PHSG)

Team
Julia Arnold (PH FHNW), Sanja Atanasova (PHSG), Katrin Bölsterli Bardy (PHLU), Markus Emden (PHZH), Catherine Ferris (PHSG), Dshamilja Maurer (PHSG), Luana Monti (SUPSI), Andreas Nehring (Universität Hannover), Nicolas Robin (PHSG), Sascha Schmeling (CERN)

Literaturhinweise/Publikationen
Aktuelles PriSE-Heft: Progress in Science Education, 7(1).
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Im Zuge der Neubearbeitung des Lehrmittels «Schweizer Zahlenbuch» wird auch der zugehörige Heilpädagogische Kommentar überarbeitet. In den zurückliegenden beiden Jahren sind die Bände 2 (2022) und 3 (2023) erschienen; Band 4 folgt im Frühjahr 2024. In jedem Band werden zentrale Aufgaben beschrieben und kommentiert, mit deren Hilfe Lernende mit besonderem Bildungsbedarf unverzichtbare Verstehensgrundlagen im Fach Mathematik erarbeiten können. Zusätzlich werden «Aufgaben zum Forschen» ausgewiesen, die sich besonders eignen, um mit lernschwächeren Schülerinnen und Schülern Kompetenzen in den Handlungsaspekten «Erforschen» und «Argumentieren» aufzubauen.

Laufzeit
2019 bis 2024

Finanzierung
Verlag Klett und Balmer

Leitung
Michael Link (PHSG)

Team
Susanne Kuratli Geeler (PHSG), Michael Link (PHSG)

Literaturhinweise/Publikationen
Link, M. & Kuratli Geeler, S. (2021). Heilpädagogischer Kommentar 1 zum Schweizer Zahlenbuch. Baar: Klett und Balmer.

Link, M. & Kuratli Geeler, S. (2022). Heilpädagogischer Kommentar 2 zum Schweizer Zahlenbuch. Baar: Klett und Balmer.

Link, M. & Kuratli Geeler, S. (2023). Heilpädagogischer Kommentar 3 zum Schweizer Zahlenbuch. Baar: Klett und Balmer.

Link, M., Kuratli Geeler, S., Schmassmann, M. & Moser Opitz, E. (2019). Heilpädagogischer Kommentar 5+6 zum Schweizer Zahlenbuch. Baar: Klett und Balmer.

Im Projekt «MATHEsprechen im Kindergarten» wird mit Design-based-Research der Frage nachgegangen, wie sprachliche Ressourcen mehrsprachiger Kinder für das Mathematiklernen im Kindergarten fruchtbar gemacht werden können. Dazu wurde eine Lernumgebung entwickelt, die es den Kindern ermöglicht, ihre Mehrsprachigkeit beim Thema «Strukturnutzende Anzahlbestimmung» zu aktivieren. Die Lernumgebung besteht aus einem Kindergartenteil in deutscher Sprache und einem Familienteil, bei dem Eltern und Kinder durch mehrsprachige Videos mit zwei interagierenden Handpuppen Anregungen erhalten. Im Zentrum der Lernumgebung stehen reichhaltige Aktivitäten mit Material.

Laufzeit
2022 bis 2024

Finanzierung
MOVETIA

Leitung
Ángela Uribe (PHSG)

Das Berzelius-Projekt umfasst ca. 30 ausleihbare Hightech-Geräte und multimediale Laborjournale. Ein interdisziplinäres Team soll Lernende für das Experimentieren und die MINT-Fächer begeistern. Nach Workshops, TecDays, Konferenzbeiträgen und Lehrpersonenweiterbildungen stieg die Zahl der auf den Geräten durchgeführten Maturaarbeiten stark an. Ausgewählte Ergebnisse aus den Maturaarbeiten fliessen in die Multimedia-Laborjournale zurück. Auch niederschwellige Formate der Wissenschaftskommunikation wie Motion Comics werden entwickelt. Zudem sollen die Hightech-Geräte in Escape-Räume migriert und in ein Netz von Rätseln und Aufgaben verwoben werden.

Laufzeit
2016 bis 2026

Finanzierung
Metrohm-Stiftung, ITBO

Leitung
Alfred Steinbach (PHSG)

Team
Adrian Brugger (PHSG), Claudia Buser (PHSG), Marianne Leuenberger Ferrari (PHSG), Patrick Massen (PHSG), Martin Novotny (PHSG), Markus Roth (PHSG), Dominik Tschirky (PHSG)

Literaturhinweise/Publikationen

Multimedia-Publikationen:
Brugger, A. & Berzelius-Team. (2023). Schwingungsspektroskopie – Fingerabdruck der Moleküle. Teil 2: Raman-Spektroskopie (Berzelius-Laborjournal 7.01). St.Gallen: PHSG.
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Schöbi, B. & Berzelius-Team. (2023). Verdauung der Pantoffeltierchen – neue Farbe für den Durchblick (Multimediale Berzelius-Maturaarbeit 1.01). Heerbrugg: Kantonsschule Heerbrugg.
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Konferenzbeitrag:
Steinbach, A. & Berzelius-Team. (2023, 23. November). Together we stand, divided we fall: High-tech instruments and multimedia in escape rooms. Fallstudienpräsentation, EAPRIL 2023, Belfast.

Das Ziel des Projekts besteht darin, bei Sekundarschülerinnen und Sekundarschülern die Diskursfähigkeiten zu stärken, indem mit fundierten naturwissenschaftlichen Argumenten gesellschaftliche Probleme lösungsorientiert diskutiert werden. Das Unterrichtsentwicklungsprojekt folgt dem neu entwickelten Socio-Scientific-Issues-Ansatz (SSI), der als didaktischer Rahmen zur Entwicklung des Unterrichts dient.

Laufzeit
Schuljahr 2023/24

Finanzierung
Stiftung Wegweiser

Leitung
Désirée Büchel (PHSG), Florian Rietz (PHSG), Robbert Smit (PHSG)