Wie Schulkinder Rechnen lernen

Vom Zählen zum Erinnern: Schulkinder machen beim Mathelernen einen schrittweisen Wandel durch: Zuerst zählen sie selbst einfache Mathe-Aufgaben an den Fingern ab, später fällt ihnen das Ergebnis automatisch ein. Hinter diesem Wechsel der Strategie steht auch ein Umbau im Gehirn, wie US-Forscher jetzt nachweisen. Das könnte auch erklären, warum manche Kinder mehr Probleme beim Rechnen haben als andere, so die Forscher im Fachmagazin „Nature Neuroscience“.

Die Grundschulzeit ist eine kritische Phase für das Lernen: In dieser Zeit erwerben Kinder grundlegende Fähigkeiten und Kenntnisse im Rechnen, Schreiben und Lesen, aber auch im Lösen sozialer Probleme. Dabei nutzen Schulkinder mit zunehmendem Alter andere Strategien: Anfangs überwiegen umständliche Lernwege, bei denen der Lösungsweg innerlich Schritt für Schritt nachvollzogen wird. Beim Rechnen zählen die Kinder beispielsweise Additionen oder Subtraktionen an den Fingern ab, beim Lesen werden Wörter buchstabiert und dann erst zum kompletten Wort zusammengesetzt.

„Mit der Reifung der Problemlösungs-Fähigkeiten nimmt die Häufigkeit solcher ineffektiver Prozeduren langsam ab und es werden vermehrt gedächtnisbasierte Strategien eingesetzt“, erklären Shaozheng Qin von der Stanford University School of Medicine und seine Kollegen. Die Kinder müssen dann Ergebnisse einfacher Rechnungen oder Wörter nicht mehr nachvollziehen, sondern erinnern sich an sie.

Rechnen im Hirnscanner

Wie dieses Umschalten der Lernstrategie funktioniert und was sich dabei im Gehirn verändert, war bisher jedoch unklar. Um das herauszufinden, ließen Qin und seine Kollegen 28 Schulkinder im Alter von sieben bis neun Jahren einfache Additionen einstelliger Zahlen durchführen und die Antwort laut aussprechen. Nach jeder Aufgabe fragten die Forscher sie danach, wie sie Rechnung gelöst hatten – durch innerliches Zählen oder indem ihnen die richtige Antwort einfach einfiel.

Schulkind © SXC

In einem zweiten Übungsteil zeichneten die Wissenschaftler die Hirnaktivität mittels funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT) auf, während die Kinder Additionen lösten oder für abgebildete Gleichungen angaben, ob das dargestellte Ergebnis der Addition richtig oder falsch war. Diese Experimente wiederholten die Forscher mit den gleichen Kindern noch einmal gut ein Jahr später.

Mehr Erinnern, weniger Zählen

Wie sich zeigte, veränderte sich beim Rechnen der Kinder in diesem Jahr einiges: Diejenigen, die mit sieben oder acht Jahren noch im Geiste die Summen abzählten, konnten nun häufiger die Ergebnisse aus dem Gedächtnis abrufen. „Übereinstimmend mit unserer Hypothese nehmen gedächtnisbasierte Strategien zu, das Zählen nimmt ab“, berichten die Forscher.

Diese Veränderungen in den arithmetischen Fähigkeiten spiegelten sich auch in der Hirnaktivität wider: Der Hippocampus war bei den älteren Kindern während des Rechnens aktiver, wie die Hirnscans zeigten. Dieses Hirnareal sorgt gängigen Theorien nach für die Umwandlung von neu Gelerntem in dauerhafte Erinnerungen und ordnet neue Informationen in bereits existierendes Wissen ein.

Verknüpfungen verändern sich

Und noch etwas hatte sich nach einem Jahr im Gehirn der Kinder geändert: Der Hippocampus war bei ihnen nun zunehmend stärker mit der Hirnrinde verknüpft – und damit den Bereichen des Denkorgans, die bei Erwachsenen die Hauptrolle beim Lösen mathematischer Aufgaben spielen. Im Laufe der Kindheit verändert sich demnach nicht nur die Art, wie mathematische Aufgaben gelöst werden – auch das Gehirn verändert seine für das Lernen wichtigen Strukturen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass mit dem Umschalten vom Zählen auf gedächtnisbasierte Strategien auch eine funktionelle Reorganisation der Hippocampus-Neocortex-Verbindungen stattfindet“, fassen die Forscher zusammen. Und: Je früher und vollständiger dieses Umschalten stattfindet, desto leichter fällt den Kindern das Rechnen – und desto besser sind später ihre Leistungen in Mathematik, wie die Experimente zeigten.

Erklärung auch für die Dyskalkulie

Diese Ergebnisse könnten auch erklären, warum manche Kinder unter einer Dyskalkulie leiden – einer Rechenschwäche: Bei ihnen klappt die Umstellung der Strategien nicht vollständig oder deutlich verspätet, wie Qin und seine Kollegen erklären. Dieser neue Einblick in die Vorgänge beim Lernen ist aber nicht nur für die Mathematik wichtig: Ein solches Umschalten der Strategien findet auch bei anderen wichtigen Fähigkeiten statt – sei es beim Lesen und Schreiben, beim logischen Denken oder im Umgang mit anderen.

Das Wissen um die Veränderungen, die dabei im Gehirn der Kinder stattfinden, hilft dabei, zu verstehen, wie und warum sie im Laufe der Zeit lernen, Probleme anders anzugehen. (Nature Neuroscience, 2014; doi: 10.1038/nn.3788)

(Nature, 18.08.2014 – NPO)