2.1 Ziele naturwissenschaftlicher und technischer Bildung
Lernen in Naturwissenschaften und Technik schließt in allen Bildungsstufen neben dem Aufbau von inhaltsbezogenem Wissen auch das Aneignen naturwissenschaftlicher und technischer Arbeits- und Denkweisen ein. Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen, wie man naturwissenschaftlichen Phänomenen auf den Grund geht, technische Probleme löst und Erkenntnisse gewinnt. Sie sollen dabei eine erste Vorstellung davon bekommen, was naturwissenschaftliches und technisches Arbeiten und Denken bedeutet, wie Forscherinnen und Forscher bzw. Ingenieurinnen und Ingenieure vorgehen und welche Tätigkeiten dabei wichtig sind. Dieses Wissen wird auch als prozessbezogenes Wissen bezeichnet. Beide Bereiche, also das inhaltsbezogene sowie das prozessbezogene Wissen, sind zentrale Bestandteile einer grundlegenden Bildung.
Naturwissenschaftliche und technische Grundbildung soll Menschen dazu befähigen, an einer von Naturwissenschaften und Technik geprägten Welt teilzuhaben, z. B. Debatten, in denen naturwissenschaftliche und technische Inhalte aufgegriffen werden, zu verfolgen und eine eigene Position einzunehmen. Neben dem Wissen gehören zur grundlegenden Bildung auch die Bereitschaft, das Interesse und das Selbstvertrauen, sich mit naturwissenschaftlichen und technischen Themen, Phänomenen und Problemen auseinanderzusetzen. Diese Aspekte sind eine wichtige Voraussetzung für eine freiwillige und länger andauernde Beschäftigung mit naturwissenschaftlichen und technischen Themen.
Die Entwicklung einer grundlegenden Bildung wird als ein lebenslanger Prozess verstanden, der in der frühen Kindheit beginnt – z. B. mit ersten spielerisch-explorativen Erkundungen der Umgebung und konstruktiven Handlungen – und der dann in der Schule zunehmend systematisch unterstützt wird. Dieser Prozess endet (idealerweise) nicht mit der Schulzeit, sondern setzt sich lebenslang in der freiwilligen Auseinandersetzung mit naturwissenschaftlichen und technischen Inhalten fort. Gerade aus diesem Grund sind die Förderung des Interesses, der Bereitschaft zur Auseinandersetzung und des Zutrauens in die eigenen Fähigkeiten wichtige Bestandteile einer naturwissenschaftlichen und technischen Grundbildung.
Das Thema Kräfte und Gleichgewicht ist in hervorragender Weise geeignet, das Lernen von Naturwissenschaften und von Technik miteinander zu verbinden. Zugrundeliegende Gesetzmäßigkeiten aus der Natur, wie das Hebelgesetz, können an einfachen technischen Gebilden, wie z. B. einem Mobile, erkundet, beim eigenen Konstruieren genutzt und in ihrer Bedeutung für unsere Lebenswelt erfasst werden.
2.2 Lernen als konstruktiver Prozess
Lernende jeden Alters haben zu Beginn eines Lernprozesses bereits eigene Vorstellungen und Vorkenntnisse. Diese haben sich meist aufgrund von Beobachtungen und Erfahrungen, durch bestimmte Formulierungen, über Informationen (Medien, Eltern, Geschwister, Mitschülerinnen und -schüler etc.) oder durch Meinungen herausgebildet. So zeigen Untersuchungen, dass selbst Kinder im Alter von drei bis vier Jahren bereits plausible Annahmen über das Zustandekommen natürlicher Phänomene, wie z. B. Schatten, Wind oder Verdunstung, besitzen. Diese werden häufig gestützt durch Beobachtungen in der Umwelt oder durch alltägliche sprachliche Äußerungen, sind jedoch wissenschaftlich oft nicht oder nur begrenzt tragfähig.
Beispielsweise verknüpfen Kinder das „Gewicht“ eines Gegenstands häufig mit dem „gefühlten Gewicht“ in der Hand. Entsprechend nehmen junge Kinder an, dass ein Reiskorn nichts wiege, da man sein Gewicht in der Hand nicht spüren kann. Erst mit zunehmender Erfahrung wird den Kindern klar, dass Gewicht eine Eigenschaft von Materie ist, die auch dann sinnvoll angegeben werden kann, wenn der Gegenstand auf der Hand nicht spürbar ist.2
Auch zur Funktionsweise von technischen Gegenständen haben sie häufig bereits Ideen entwickelt. So denken Kinder z. B., dass sich in einer handgetriebenen Bohrmaschine ganz viele Zahnräder befinden, die irgendwie dafür sorgen, dass sich der Bohrer dreht, wenn man die Handkurbel bewegt (s. Abb. 1) – eine Vorstellung, die aus der Beobachtung herrühren mag, dass Zahnräder etwas in Bewegung versetzen. Wie genau die einzelnen Elemente verbunden werden müssen, damit die Maschine funktioniert, liegt allerdings noch im Dunkeln.
Auch zu technischen Gegenständen, die Kinder aus ihrem Alltag gut kennen, haben sie Vorstellungen entwickelt, die zwar richtige Elemente enthalten, aber doch noch Lücken in der Erfassung der Funktionsweise aufweisen, wie die Zeichnungen von Drittklässlern zum Fahrrad (s. Abb. 2) zeigen:
Der Übergang von den vorhandenen Vorstellungen zu den wissenschaftlich angemesseneren Vorstellungen ist kein einfacher und vor allem kein geradliniger Prozess. Scheinbare Rückschritte, zwischenzeitliche Unzufriedenheit oder ein unreflektiertes Nebeneinander verschiedener Vorstellungen sind während eines Lernprozesses häufig zu beobachten.
Entscheidend für den Aufbau angemessenerer Vorstellungen ist das eigene Forschen, Untersuchen und Konstruieren. Die KiNT-Klasse(n)kisten 2.0 sind deshalb so angelegt, dass die Lernenden – ausgehend von ihrem Vorwissen und ihren Vorerfahrungen – Vorstellungen aktiv selbst konstruieren, indem sie Versuche entwickeln und durchführen (z. B. zum Hebelgesetz), technische Probleme lösen (z. B. einen stabilen Turm bauen) und Phänomene (z. B. die Reibung) sowie technische Gegenstände (z. B. das Fahrradgetriebe) systematisch untersuchen.
Der Aufbau und die Weiterentwicklung der eigenen Vorstellungen werden zudem wesentlich durch den Austausch von Vorstellungen im Gespräch (sog. Ko-Konstruktionen) beeinflusst. Lernende sollten daher Gelegenheiten bekommen, ihr individuelles Verständnis von Phänomenen, Aufgaben und Problemen im Gespräch darzulegen und ihre Vorstellungen zu begründen. Auf diese Weise können unterschiedliche Sichtweisen und Beobachtungen erkannt und ggf. einander gegenübergestellt werden.
Der bewusste Einsatz sozialer Lernsituationen in Partner- und Gruppenarbeiten kann zusätzlich soziale und sprachliche Kompetenzen fördern. Kinder lernen in solchen Situationen in vielfältiger Weise voneinander; sie übernehmen z. B. Sprechweisen, Formulierungen oder bestimmte Vorgehensweisen, wandeln diese ab und gelangen dadurch zu neuen Vorstellungen. Die so erworbenen Fähigkeiten helfen auch bei der Bewältigung von sozialen Situationen oder bei Prozessen des selbstgesteuerten Lernens.
Eine Lernumgebung, die Lernenden hilft, ihre vorhandenen Vorstellungen in Richtung angemessenerer Vorstellungen zu verändern, sollte zusammenfassend folgende Merkmale haben:
- selbstständiges Denken, forschend-entdeckendes und problemlösendes Lernen fördern
- die kognitive Aktivität der Lernenden durch anregendes und hilfreiches Lernmaterial sowie geeignete Aufgaben herausfordern
- die Ideen, Erklärungen und Vorstellungen der Lernenden berücksichtigen
- gemeinsame Denkprozesse im Gespräch, auch in Kleingruppen, initiieren
- Möglichkeiten bieten, individuell erarbeitete Vorstellungen in verschiedenen Anwendungen und Beispielen zu festigen
- Reflexionsprozesse unterstützen
2.3 Die Rolle der Lehrkraft
In konstruktivistischen Ansätzen wird die Rolle der Fach- bzw. Lehrkraft häufig als moderierend und lernbegleitend beschrieben. Die Fach- bzw. Lehrkraft soll sich weitgehend passiv verhalten und den Lernenden Raum für eigene Lernwege lassen. Forschungsergebnisse zeigen aber, dass es wesentlich darauf ankommt, dass die Fach- bzw. Lehrkraft eine sehr aktive Rolle einnimmt. Dabei geht es nicht darum, fertige Erklärungen an die Lernenden zu vermitteln, sondern das Denken der Lernenden durch geeignete Strukturierungen zu unterstützen.
Die angemessene Strukturierung von Lernumgebungen durch die Fach- bzw. Lehrkraft erfüllt nach Vygotsky die Funktion eines Gerüsts, das es den Lernenden ermöglicht, mit Unterstützung Aufgaben zu lösen, die sie allein noch nicht lösen können. Hat das Kind die entsprechenden Fähigkeiten entwickelt, sollte die Strukturierung zurückgenommen und das Gerüst langsam abgebaut werden. Ähnlich wie bei der frühen Eltern-Kind-Interaktion soll die Lehrkraft also den Aufbau neuer Arbeits- und Denkweisen unterstützen, zu denen das Kind allein noch nicht fähig wäre. Ziel der Unterstützung ist, dass das Kind anschließend die Aufgabe selbstständig lösen kann. Diese Unterstützung ist sowohl im gemeinsamen Gespräch denkbar, indem beispielsweise die Vorstellungen unterschiedlicher Kinder verglichen und offengelegt werden, als auch in der individuellen Lernbegleitung während Einzelarbeitsphasen.
Anregung und Strukturierung von Lernprozessen in Gesprächen
Welche Möglichkeiten hat die Lehrkraft, Lernprozesse anzuregen und zu strukturieren? Wichtig ist, die Kinder immer wieder aufzufordern und zu ermutigen, eigene Gedanken zu äußern und zu begründen. Den Kindern muss glaubhaft versichert werden, dass jede Idee wichtig ist, auch wenn sie sich am Ende als unzutreffend erweist.
In der Lehr-Lern-Situation gibt es verschiedene Möglichkeiten, das Denken der Kinder anzuregen und Lernsituationen inhaltlich so zu strukturieren, dass möglichst alle dem Geschehen folgen können. Bewährte Vorgehensweisen der Lehrkraft sind:
- kindliche Äußerungen zurückspiegeln
- Begründungen und Belege einfordern
- Unterschiede oder Widersprüche zwischen unterschiedlichen Äußerungen herausstellen
- zum Weiterdenken ermutigen
- Transferüberlegungen anregen
- beim Formulieren, Darstellen und Notieren von Ideen unterstützen
- wichtige Aussagen betonen
- wichtige Erkenntnisse zusammenfassen
- Gesprächsregeln vereinbaren
Anregung und Strukturierung von Lernprozessen durch Lernaufgaben
Auch Lernaufgaben bieten gute Möglichkeiten, Lernprozesse anzuregen, zu strukturieren und zu unterstützen. Wichtig ist dabei, das Anforderungsniveau einer Aufgabe passend zu wählen. So ist z. B. wesentlich, ob eine Aufgabenstellung lediglich das Abrufen von zuvor gelernten Fakten oder aber die eigenständige Untersuchung und Bewertung einer Situation durch geeignete naturwissenschaftliche bzw. technische Verfahren verlangt. Zu beachten ist zudem, dass die Auswahl passender Aufgaben nicht unabhängig vom Vorwissen der Lernenden möglich ist. Bei Lernaufgaben sollten deshalb auch Möglichkeiten der Differenzierung vorgesehen werden.
Lernaufgaben können einen Lernprozess strukturieren, indem Teilaufgaben in eine geeignete Abfolge gebracht werden, die für den Aufbau von Kompetenzen hilfreich ist. Bei der Gestaltung von Lernaufgaben sind folgende Fragen zu klären:
- In welche Teilaspekte kann eine komplexe Fragestellung sinnvoll untergliedert werden?
- Welches Vorwissen oder welche Kompetenzen sind nötig, um bestimmte Teilaspekte der Aufgabe zu bearbeiten?
- Welche Lernschwierigkeiten sind aufseiten der Lernenden zu erwarten?
- Wie kann man den Lernschwierigkeiten in Teilaufgaben gezielt begegnen?
- Wie lassen sich die Lernwege der Kinder durch eine geeignete Sequenzierung von Teilaufgaben strukturieren?
Von der Einschätzung der Lernwege und Lernschwierigkeiten wird abhängen, welche Abfolge von Lernaufgaben sich anbietet und wie eine ergänzende individuelle Unterstützung der Lernprozesse aussehen kann.
Die im Handbuch dargestellten Lernsituationen zum Thema Kräfte und Gleichgewicht: Naturwissenschaftlich und technisch arbeiten und denken lernen greifen diese grundlegenden Überlegungen zum Lernen auf. Sie berücksichtigen bereits vorhandene Vorstellungen und mögliche Lernschwierigkeiten, sind sequenziell aufgebaut und enthalten Hinweise auf anregende und strukturierende Maßnahmen der Lehrkraft sowie zur Differenzierung von Lernaufgaben.
1 An diesem Kapitel haben Peter Labudde, Ilonca Hardy und Mirjam Steffensky mitgewirkt.
2 Da Kinder von Gewicht sprechen, wird an dieser Stelle noch darauf verzichtet, zwischen Gewicht und Masse zu unterscheiden. Der Unterschied wird im Sekundarbereich erarbeitet.