A neue Studie zeigt, dass das Lösen von physikalischen Problemen einen neuen Teil des Gehirns eröffnet, der traditionell nicht mit Lernen assoziiert wird.

Forscher der Drexel University und der Florida International University (FIU) behaupten, dass ihre Arbeit zeigt, dass die Gehirnaktivität durch spezifische Unterrichtsformen verändert werden kann.

"Wir glauben, dass es einen guten Grund gibt, anzunehmen, dass es eine neurobiologische Grundlage für die Art und Weise gibt, wie die Schüler Physik verstehen", sagte er Eric Brewe, außerordentlicher Professor an der Hochschule für Künste und Wissenschaften in Drexel und Hauptautor der Studie.

Die Studie

Zur Durchführung der Studie verwendeten die Forscher eine spezielle Methode, um 50-Freiwilligen einen Physikkurs zu lehren.

Während der gesamten Studie maß das Team den Blutfluss im Gehirn durch einen Prozess namens Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRT).

"FMRT ist eine bildgebende Neurotechnik, bei der den Teilnehmern eine Frage angezeigt und die Blutflussreaktion gemessen wird, was auf eine größere neuronale Aktivität in dieser Region hinweist", sagte Brewe.

Um den Physikkurs zu unterrichten, nutzten die Forscher Modellunterricht, einen Unterrichtsstil, der Schüler ermutigt, aktiv am Lernen teilzunehmen.

"Modellierungsunterricht ist ein Ansatz für den Unterricht in einführender Physik, der sich auf Schüler konzentriert, die konzeptionelle Modelle erstellen", sagte Brewe.

Bevor die Freiwilligen an dem Kurs teilnahmen, wurden sie gebeten, Fragen aus dem Force Concept Inventory zu beantworten, einer Prüfung, die das Verständnis der Schüler für gängige Physikkonzepte festlegt, die in einführenden Physikkursen am College vermittelt werden.

Die Forscher untersuchten die Gehirne der Freiwilligen durch fMRI, während sie die Fragen beantworteten.

In den Voranweisungsscans stellten sie fest, dass es keine ungewöhnliche Aktivität gab.

Die Bereiche, die Aktivität zeigten, waren Teile des Gehirns, die mit Gedächtnis, Aufmerksamkeit und Problemlösung, dem lateralen präfrontalen Kortex und dem parietalen Kortex verbunden sind.

Diese Information war jedoch nicht neu, weil die frontalen Pole des Gehirns immer mit dem Lernen verbunden waren.

Aber als die Forscher nach dem Physikkurs fMRI-Tests an den Freiwilligen durchführten, fanden sie etwas Einzigartiges.

Auch der hintere cinguläre Kortex, der mit selbstreferentiellem Denken und episodischem Gedächtnis assoziiert ist, wurde aktiv.

"Diese Veränderungen der Gehirnaktivität können mit komplexeren Verhaltensänderungen in der Art und Weise zusammenhängen, in der die Schüler nach dem Unterricht durch physikalische Fragen argumentieren", schrieben Brewe und seine Co-Autoren über die Studie. "Dazu könnten Strategiewechsel oder ein verbesserter Zugang zu physikalischem Wissen und Ressourcen zur Problemlösung gehören."

Modellunterricht im Physikunterricht

"(Modellierungsunterricht) ist ein aktiver Lernansatz und hilft den Schülern, Physik als eine kohärent verbundene Disziplin zu verstehen", sagte Brewe. "Es hat sich als sehr erfolgreicher Ansatz erwiesen - das konzeptionelle Verständnis zu verbessern, die Einstellung der Schüler zum Erlernen der Physik zu verbessern und die Ausfallrate in der Physik zu senken."

Ein Hauptziel der Studie war es zu verstehen, wie Modellierungsunterricht die Schüler ermutigen kann, eigene konzeptionelle mentale Modelle zu entwickeln, die ihnen helfen, neue, schwierige Konzepte in der Physik zu verstehen.

"Die Idee der mentalen Modelle ist etwas, worüber Menschen, die sich mit dem Lernen befassen, gerne sprechen, aber keine Beweise dafür haben, was im Gehirn passiert, außer was die Menschen sagen oder tun", sagte Brewe in einer Erklärung. "Wir suchen tatsächlich nach Beweisen aus dem Inneren des Gehirns."

Dieses Projekt ist aus einer Zusammenarbeit zwischen Brewe und seinem Kollegen entstanden Angela Laird, ein kognitiver Neurowissenschaftler und Medizinphysiker an der FIU und Co-Autor der Studie.

Brewe und Laird, zusammen mit Drexel-Doktorandin Jessica Bartley, haben seit fast vier Jahren Daten über den Erfolg des Modellunterrichts im Physikunterricht gesammelt, sagte Brewe.  

Obwohl der Modellunterricht in Mathematik und Lesen häufiger getestet wurde, scheint er sich besonders für die Physik zu eignen.

"Physik ist aus zwei Gründen ein wirklich guter Ort, um das Lernen zu verstehen", sagte Brewe in einer Erklärung. "Erstens geht es um Dinge, mit denen die Menschen unmittelbare Erfahrung haben. Dabei werden formales Lernen und informelles Verstehen sowohl relevant als auch manchmal ausgerichtet - und manchmal kontrastiert."

"Zweitens basiert die Physik auf Gesetzen, so dass es Absolute gibt, die die Arbeitsweise des Körpers bestimmen", fuhr er fort.

Moving forward

Die Forscher schreiben gerade mehrere Papiere über die Daten und diskutieren die nächsten Projekte, die sie angehen wollen.

Das Team wird erwägen, seine Technik zu nutzen, um die Forschung auf andere Disziplinen als die Physik auszudehnen, und wird möglicherweise andere aktive Lernprozesse evaluieren.

"Es ist in vielerlei Hinsicht das erste Projekt dieser Art, das ist also eine Art Neuland", sagte Brewe. „Es ist nicht schwer vorstellbar, wie sich ein derartiges Grundverständnis durch unterschiedliche Schwerpunkte im Unterricht auf den Unterricht auswirken könnte.“