1. Einleitung: Kräfte und Gleichgewicht

Der naturwissenschaftliche und technische Bereich des Sachunterrichts kommt in vielen Grundschulklassen noch immer zu kurz. Andererseits sind Schülerinnen und Schüler gerade von naturwissenschaftlichen und technischen Themen häufig begeistert. Das gilt übrigens nicht nur für die Jungen, wie wir im Unterricht oft erleben konnten!

Im Rahmen unseres KiNT-Projektes (Kinder entdecken Naturwissenschaft und Technik) erforschen wir an der Universität Münster seit Langem, wie Unterricht zu naturwissenschaftlichen und technischen Themen gestaltet werden kann, um bei Kindern Interesse zu wecken und Verstehen zu ermöglichen. Besonders wichtig ist für uns die Frage, wie es gelingen kann, Kinder in anspruchsvollen Themengebieten angemessen herauszufordern, ohne sie zu überfordern. Dabei geht es uns insbesondere darum, leistungsschwächeren wie auch leistungsstärkeren Kindern individuelle Lernfortschritte zu ermöglichen.

Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass bei einer angemessenen, kindgemäßen Unterrichtsgestaltung verstehendes und interessiertes Lernen im naturwissenschaftlichen und technischen Bereich auch schon im Grundschulalter möglich und sinnvoll ist. Dabei bedeutet der Unterricht wegen seiner kindgemäßen, sehr handlungsintensiven Gestaltung keineswegs eine Überforderung für die Grundschulkinder; im Gegenteil: Ein Unterricht, der Gelegenheit gibt, eigene Ideen und Vermutungen zu entwickeln, diese in Versuchen bzw. Experimenten zu überprüfen, darüber miteinander zu sprechen und daraus zu lernen, trifft auf ausgesprochenes Interesse bei Grundschulkindern! Frühzeitige, positive Lernerfahrungen wirken sich dabei insbesondere auf die Entwicklung von Motivation und Interesse, auf die erlebte Kompetenz und auf die Fähigkeit, wissenschaftlich zu denken, förderlich aus. Auch den häufigen Erfahrungsdefiziten von Mädchen und von sozial benachteiligten Kindern kann ein bereits in der Grundschule beginnender naturwissenschaftlicher und technischer Unterricht entgegenwirken.

Die von uns entwickelten Themen wurden in Forschungsseminaren und Unterrichtserprobungen sowie auch in größeren von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsprojekten zunächst gründlich untersucht. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Erforschung der Lernprozesse der Schülerinnen und Schüler. An der Erforschung und Entwicklung der Unterrichtsthemen waren viele Studierende und Lehrkräfte beteiligt. Anschließend wurden die von uns entwickelten Themen Lehrkräften zur Erprobung und Überprüfung zur Verfügung gestellt. Auf der Basis der daraufhin erfolgten Rückmeldungen entwickelten wir den Unterricht, den wir in Kapitel 5 vorstellen.

KiNT-Klasse(n)kiste 2.0: Leitende Prinzipien

Ein leitendes Prinzip des Unterrichts ist das durch Lehrkräfte angemessen begleitete forschend-entdeckende und handlungsaktive Lernen. Das dem Unterricht zugrunde liegende Lernverständnis geht davon aus, dass Wissen nicht „vermittelt“ werden kann, sondern von den Lernenden gemeinsam mit anderen Lernenden und den Lehrenden aktiv konstruiert werden muss. Gerade jüngere Lernende sind darauf angewiesen, Wissen auf der Basis konkreter Erfahrungen zu entwickeln; der Unterricht ermöglicht daher entsprechende Handlungs- und Experimentiererfahrungen (vgl. Kap. 2.2). Gleichzeitig benötigen Lernende für den Aufbau von Wissen die gezielte Unterstützung der Lehrkräfte. Vorschläge, z. B. zur Strukturierung der Inhalte oder zur Gestaltung gemeinsamer Gespräche, sind zentraler Bestandteil der vorgeschlagenen Lernsequenzen (vgl. Kap. 2.3).

Neben dem Erwerb inhaltsbezogener Kompetenzen zum Thema Kräfte und Gleichgewicht steht die systematische Heranführung an naturwissenschaftliche und technische Arbeits- und Denkweisen im Zentrum des Unterrichts. Den Unterrichtssequenzen werden daher inhalts- sowie prozessbezogene Kompetenzen vorangestellt (Kap. 3.3). Eine Übersicht zu den angestrebten inhalts- und prozessbezogenen Kompetenzen in den jeweiligen Unterrichtseinheiten findet sich in Kapitel 3.4.

Zu der KiNT-Klasse(n)kiste 2.0 „Kräfte und Gleichgewicht“ gibt es ein vorbereitendes Bildungsangebot für den Elementarbereich (Hardy, Leuchter) und ein weiterführendes Bildungsangebot für den Sekundarbereich in den Klassen 6 bis 8 (Labudde, Stübi, Rösch). Die Bildungsangebote sind aufeinander abgestimmt und online veröffentlicht unter www.telekom-stiftung.de/minteinander-materialien. Sie ermöglichen einen spiralförmigen Aufbau der Kompetenzen über die Schulstufen und Übergänge hinweg. Der Unterricht in der Primarstufe ist aber auch ohne eine Vorbereitung im Elementarbereich sehr gut möglich.

In der Klasse 2/3 (auch in 1 nutzbar) geht es in Modul 1 um die Erarbeitung von „Standfestigkeit“ und „Gleichgewicht“. In der ersten Unterrichtseinheit bauen die Kinder möglichst standfeste Türme, finden heraus, was diese stabil macht, wenden dabei das Prinzip kontrollierter Experimente an und erkunden verschiedene Arten der Stabilisierung im Alltag. In der zweiten Unterrichtseinheit wird der Begriff „Gleichgewicht“ erarbeitet und das Hebelgesetz vorbereitet. Dieses geschieht anhand des Baus von Mobiles. Dabei lernen die Schülerinnen und Schüler, dass sich eine waagerechte Lage des „Balkens“ durch Verschieben von „Gewicht“ auf einem Hebelarm herstellen lässt. Das Hebelgesetz wird so qualitativ erfasst. Das gewonnene Wissen setzen die Schülerinnen und Schüler bei der nächsten Unterrichtseinheit zum Balancieren von Figuren auf einem Seil um. Hier wird ein Clown ins Gleichgewicht gebracht, indem der Schwerpunkt durch angebrachte Gewichte nach unten verlagert wird. In einer optionalen Sequenz können auch asymmetrische Figuren wie ein Papagei, eine Banane oder eine Katze ins Gleichgewicht gebracht werden.

In der Klasse 3/4 (auch in 5/6 nutzbar) geht es in insgesamt drei Modulen um den Begriff „Kraft“ und die Funktionsweise einfacher Maschinen, die zur Kraftersparnis eingesetzt werden. In Modul 2 wird erkundet, was Dinge in Bewegung versetzt und was sie bremst. Dabei werden die Begriffe „Kraft“ und „Reibung“ eingeführt und ein erstes Verständnis dazu aufgebaut. Anschließend an das systematische Untersuchen der Reibung auf unterschiedlichen Flächen (rau und glatt) lernen die Kinder Rollen und Räder als Verminderung der Reibung kennen – und insbesondere die Geschichte des Rads als eine wichtige Erfindung der Menschheit. Beim Bau von Fahrzeugen wenden die Kinder ihr Wissen zur Reibung an, indem sie möglichst reibungsarme Modelle aus Alltagsmaterialien bauen. Der Unterricht in Modul 3 lässt anhand von Rampen und Hebeln erfahren, wie sich Kraft auf Kosten eines längeren Wegs reduzieren lässt (Goldene Regel der Mechanik). Dabei entdecken die Schülerinnen und Schüler zunächst bei Versuchen an der schiefen Ebene, wie deren Neigung die Kraftreduzierung beeinflusst. Die kraftsparende Wirkung von Hebeln erkunden sie in einem Stationenlauf, wobei sie den Einsatz von Hebeln in unserer Alltagswelt kennenlernen. Die kraftsparende Wirkung von Getrieben wird schließlich in Modul 4 am Beispiel des Fahrrads erkundet; hierzu gehört auch, dass die Schülerinnen und Schüler mit Hilfe eines Bausatzes von Opitec ein Modell eines Fahrradgetriebes bauen und durch Ausprobieren auf dem Schulhof die Bedeutung der verschiedenen Gänge beim Fahrrad verstehen lernen.

Zu den Materialkisten gehörende Unterrichtsmaterialien

Mit den Opitec-Kisten werden Unterrichtsmaterialien mit allen notwendigen Hinweisen und Hilfen für das Unterrichten des jeweiligen Moduls online zur Verfügung gestellt.

Im Einzelnen umfassen die Materialien: