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This work is part of a wide-ranging long-term project aimed at fostering students’ acquisition of symbol sense through teaching experiments on proof in elementary number theory (ENT). In this paper, in particular, we highlight the positive effects of our approach analysing the written reflections that the students involved have produced at the end of the project. These reflections testify an increased level of awareness, developed by students, about the role played by algebraic language as a tool for thinking and a positive evolution in their vision of algebra.

The widespread use of Dynamic Geometry Software (DGS) is raising many interesting questions and discussions as to the necessity, usefulness and meaning of proof in school mathematics. With these questions in mind, a didactical sequence on the topic “Conics” was developed in a teacher education course tailored for pre-service secondary math methods course. The idea of the didactical sequence is to introduce “Conics” using a concrete manipulative approach (paper folding) then an explorative DGS-based construction activity embedding the need for a proof. For that purpose, the DGS software serves as an intermediary tool, used to bridge the gap between the physical model and the formal symbolic system of proof. The paper will present an analysis of participants’ geometric thinking strategies, featuring proof as an embedded process in geometric construction situations.

Teaching mathematics means teaching learners to think – wrote Polya in How to Solve It? 1957. This paper intends to offer mathematics teachers suggestions for incorporating reading, writing, and speaking practices in the teaching of mathematics. Through explicit examples and explanations we intend to share ways of engaging students in deep learning of mathematics, especially using and producing written and oral texts. More specifically, we plan to broaden and deepen teachers’ understanding of strategies for guiding students’ thinking so that they grasp mathematical concepts and processes, and also bridge the divide between mathematical processes, and written and oral communication. This paper presents a core math lessons which provides numerous opportunities for the students to get actively engaged in the lesson and think about the new concepts, algorithms and ways of solving problems/ exercises. The lesson was designed for the 7th graders (13 year-olds). It was chosen to illustrate teaching by using reading and writing for understanding math processes. The teacher’s reflections after the lesson and some samples of the students’ work and feedback are included in the paper. The material in this paper is based on the author’s own extensive teaching experience; and her work in the Reading and Writing for Critical Thinking project in Romania.

Einfache oder komplexe dynamische Systeme stellen Individuen und Gesellschaften gleichermaßen vor mitunter große Herausforderungen, wie regionale und globale Krisen immer wieder zeigen. Ein basales und allgemeines Verständnis dynamischer Zusammenhänge scheint daher nicht nur wünschenswert, sondern mit Blick auf ausgewählte aktuelle Krisen sogar notwendiger denn je. Doch auch in alltäglichen Situationen oder im Schulkontext kann ein fundamentales Verständnis dynamischer Systeme die individuellen Entscheidungen oder den mathematischen Erkenntnisgewinn unterstützen. Allerdings zeigt eine breite Basis empirischer Befunde, dass bereits relativ einfache Dynamiken, wie Fluss-Bestands-Systeme (FB-Systeme), nur unzureichend erfasst zu werden scheinen. Diese Dissertationsschrift verfolgt daher die generelle Fragestellung, wie sich ein basales Verständnis formal einfacher FB-Systeme fördern oder generieren lassen könnte. Aufgrund einer bislang fehlenden einheitlichen theoretischen Beschreibung des FB-Verständnisses und dessen Einflussfaktoren basiert die vorgestellte Untersuchungsserie einerseits auf drei ausgewählten generellen theoretischen Perspektiven und daraus abgeleiteten Einflussfaktoren. Zusätzlich wurden einzelne weitere theoretische Modelle und eine Vielzahl spezifischer empirischer Befunde, zur Wirksamkeit verschiedener Präsentationsformate auf kognitive Fähigkeiten, für die Begründung der experimentellen Manipulationen herangezogen. In einer Serie von sieben experimentellen Untersuchungen wurden diverse Möglichkeiten grafischer Darstellungen, isoliert und in Wechselwirkung mit verschiedenen Personenmerkmalen, empirisch bezüglich ihres Einflusses auf das basale Verständnis illustrierter FB-Systeme überprüft. Unter Anwendung geltender wissenschaftlicher Standards und durch Nutzung moderner inferenzstatistischer Verfahren erlauben die gewonnen Ergebnisse eine fundierte Beurteilung der untersuchten Einflussfaktoren. Organisiert in drei Teilen, konnten in einer Folge von einfachen statischen Abbildungen, über passive dynamische Repräsentationen, bis hin zu interaktiven animierten Interventionsformaten, zahlreiche Illustrationsvarianten in ihrer Wirkung auf ein basales FB-Verständnis beurteilt werden. In den Experimenten 1 bis 3 wurden zunächst ausgewählte statische Darstellungsformate, spezifische Kontexteinbettungen und adaptierte Instruktionsansätze überprüft. Dabei zeigte sich keiner der manipulierten Darstellungsaspekte als genereller Wirkfaktor auf das basale FB-Verständnis. Weder kombinierte oder angepasste Diagrammdarstellungen, noch Zusatzinformationen oder überlebensrelevante Kontexteinbettungen führten zu den erwarteten Verbesserungen des FB-Verständnisses. Selbst, auf etablierten pädagogischen Interventionen basierende Instruktionsformen zeigten keinen systematischen Einfluss auf die Lösungsraten von FB-Aufgaben. In den anschließenden Experimenten 4 bis 6 konnten unter passiven dynamischen Darstellungen – rezipierende Animationen ohne Eingriffsmöglichkeiten – gleichfalls keine generell wirksamen Formate identifiziert werden. Ob fließend oder segmentiert, einmalig oder repetitiv, einzeln oder kombiniert: Keine der untersuchten passiven Animationsarten schlug sich in verbesserten Lösungsraten nieder. Im letzten Teil der Dissertation wurden schließlich interaktiv dynamische Formate am Beispiel von eigens konzipierten computerspielbasierten Lerninterventionen empirisch untersucht. Erneut zeigten sich keine Haupteffekte für die Attribute dieser Art der Informationsvermittlung. Einerseits bieten die gewonnenen Daten insgesamt keine konkreten Hinweise darauf, welche Formate generell geeignet sein könnten, FB-Zusammenhänge verständlich zu kommunizieren. Andererseits ließen sich wiederholt relevante Individualfaktoren identifizieren, die, spezifisch und in Wechselwirkungen mit den Repräsentationsformaten, das Ausmaß des individuellen FB-Verständnisses substanziell zu beeinflussen scheinen. Bereits in den ersten Experimenten traten spezifische Personenmerkmale hervor, die sich über die gesamte Untersuchungsserie hinweg als eigenständige Determinanten prädiktiv für das FB-Verständnis zeigten. Das Geschlecht (wobei Männer im Mittel ein besseres FB-Verständnis zeigten) und die mathematischen Fähigkeiten der Versuchspersonen bestimmen offenbar das Verständnis einfacher dynamischer Systeme deutlich stärker, als jedes der manipulierten Darstellungsformate. Gleichfalls scheinen sie für alle untersuchten Varianten der Repräsentationsformate vergleichbar und unabhängig voneinander relevant zu sein – wie statistische Kontrollmaßnahmen zeigen konnten. Vereinzelt, aber weniger stringent, konnten ebenfalls prädiktive Einflüsse motivationaler und kognitiver Faktoren, wie räumliche Intelligenz, beobachtet werden. Einige dieser Personenmerkmale traten wiederholt, wenn auch ohne erkennbare Systematik, in Wechselwirkung mit den experimentellen Darstellungsvarianten in Erscheinung. In Abhängigkeit von bestimmten Personenmerkmalen wirkten sich demnach einige der untersuchten Darstellungsformen unterschiedlich auf die Leistung in FB-Aufgaben aus. Insbesondere für animierte Präsentationsformate zeigten sich dabei Interaktionseffekte mit dem Geschlecht, wonach Männer und Frauen offenbar von verschiedenen Illustrationsarten profitieren. In nahezu allen Experimenten der Teile II und III konnte ein derartiger Geschlechter-Darstellungsformat-Interaktionseffekt beobachtet werden. Weitaus seltener zeigten sich hingegen Moderatoreffekte von motivationalen oder kognitiven Faktoren. Obwohl die mathematischen Fähigkeiten über alle Experimente hinweg als substanzieller Prädiktor des FB-Verständnisses in Erscheinung traten, fanden sich überdies durchgängig keine Anzeichen für dementsprechende Interaktionseffekte. Darüber hinaus boten explorative Vergleiche zwischen den verschiedenen Experimenten weitere interessante Hinweise auf die Hintergründe des generell relativ schwach ausgeprägten basalen FB-Verständnisses. Da Experiment 6 in Kooperation mit der Pädagogischen Hochschule Heidelberg durchgeführt werden konnte, ließen sich mathematisch sehr gut vorgebildete Versuchspersonen für die Teilnahme gewinnen. Diese zeigten, im Vergleich zu den Kohorten der vorangegangenen Experimente, ein sehr hohes Verständnis der illustrierten FB-Systeme. Dies unterstreicht, über die Bedeutung individueller mathematischer Fähigkeiten hinaus, dass ein gutes bis sehr gutes FB-Verständnis prinzipiell realisierbar ist. Weitere explorative Analysen deuten überdies auf eine besonders positive Wirkung passiver dynamischer Repräsentationen im Kontext der kreierten computerspielbasierten Interventionen. Die in Experiment 7 ursprünglich als Kontrollbedingung konzipierte Darstellungsvariante führte gegenüber einer vergleichbaren Stichprobe weiblicher Versuchsteilnehmer zu deutlich verbesserten Lösungsraten. Ergänzend zu vergleichenden Diskussionen der drei separaten Dissertationsteile folgt eine abschließende Generaldiskussion. Neben generellen Aspekten der Ergebnisse werden darin die zentralen Schlussfolgerungen und Erkenntnisse zusammengefasst. Die Erörterung potenzieller theoretischer und praktischer Implikationen sowie die Vorstellung spezifischer Anschlussfragestellungen und zukünftiger Forschungsanstrengungen bilden den Abschluss dieser Dissertationsschrift.

Bildinformationen erweitern in der heutigen mediensaturierten Umwelt individuelle Erfahrungsräume und verändern so spezifische Wissensinhalte des Menschen. Um externe Repräsentationen als Quelle der Information nutzen zu können, müssen die internen Repräsentationen einen entsprechenden Entwicklungsstand erreicht haben. In den ersten vier Lebensjahren durchlaufen Kinder einen dreistufigen Entwicklungsprozess im repräsentationalen Denken (Perner, 1993) und jede Stufe befähigt sie, kompetenter mit externen Repräsentationen umzugehen. Denken Säuglinge im ersten Lebensjahr in primären Repräsentationen, so erreichen sie ab Mitte des zweiten Lebensjahres eine Entwicklungsstufe, die sie befähigt, multiple mentale Modelle zu gebrauchen, wodurch das Verstehen von Bildinhalten und -funktionen (DeLoache et al., 1998) möglich wird. Im vierten Lebensjahr bildet sich eine erweiterte kognitive Fähigkeit heraus - das Denken über Bilder auf Basis von Metarepräsentationen. Welche Determinanten das frühkindliche Bildverstehen bestimmen und wie sich die Entwicklung in den ersten zwei Lebensjahren vollzieht, wurde in der vorliegenden Dissertation aus theoretischer und empirischer Sicht untersucht. Der theoretische Teil der Arbeit thematisiert das Bildverstehen im Spannungsfeld zwischen repräsentationalen Denken und dem Gebrauch von Symbolen, bevor im empirischen Teil das Bildverstehen in den ersten zwei Lebensjahren auf Grundlage von drei Experimenten beschrieben wird. Im Fokus der Untersuchung standen die Wahrnehmung von zweidimensionalen Bildern und dreidimensionalen Referenten, die Bildhandhabung im Entwicklungsverlauf sowie das intentionale Bildverstehen. Hierfür wurden 92 Kinder zwischen 9 und 24 Monaten im Umgang mit Bildern beobachtet, das Verhalten analysiert und in Bezug auf eine stufenförmige Entwicklung interpretiert. Perners Einordnung des repräsentationalen Denkens in primäre, sekundäre und Metarepräsentationen (Perner, 1993) ließ sich anhand der Ergebnisse für die ersten zwei Lebensjahre abbilden. Das intentionale Bildverstehen konnte zudem als eine Zwischenstufe zwischen Perners sekundären Repräsentationen und Metarepräsentationen herausgestellt werden. Das Verstehen der Bildintention scheint für einen kompetenten Umgang mit Bildern eine zentrale Rolle zu spielen und sollte in zukünftigen entwicklungs- und medienpsychologischen Studien weiter thematisiert werden.

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In our experience of teaching Calculus to engineering undergraduates we have had to grapple with many different problems. A major hurdle has been students’ inability to appreciate the importance of the theory. In their view the theoretical part of mathematics is separate from the computing part. In general, students also believe that they can pass their exams even though they do not have a real understanding of the theory behind the problems they are required to solve. In an effort to surmount these difficulties we tried to find ways to make students better understand the theoretical part of Calculus. This paper describes our experience of teaching Calculus. It reports on the continuation of our previous research.

This work is part of a wide-ranging long-term project aimed at fostering students’ acquisition of symbol sense through teaching experiments on proof in elementary number theory (ENT). In this paper, in particular, we highlight the positive effects of our approach analysing the written reflections that the students involved have produced at the end of the project. These reflections testify an increased level of awareness, developed by students, about the role played by algebraic language as a tool for thinking and a positive evolution in their vision of algebra.

The widespread use of Dynamic Geometry Software (DGS) is raising many interesting questions and discussions as to the necessity, usefulness and meaning of proof in school mathematics. With these questions in mind, a didactical sequence on the topic “Conics” was developed in a teacher education course tailored for pre-service secondary math methods course. The idea of the didactical sequence is to introduce “Conics” using a concrete manipulative approach (paper folding) then an explorative DGS-based construction activity embedding the need for a proof. For that purpose, the DGS software serves as an intermediary tool, used to bridge the gap between the physical model and the formal symbolic system of proof. The paper will present an analysis of participants’ geometric thinking strategies, featuring proof as an embedded process in geometric construction situations.