Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.11.15


4.4.9 Technische Unterrichtsmethoden [26]

Technik ist die Anstrengung, Anstrengungen zu vermeiden. (José Ortega y Gasset)


4.4.9.1 Technik am bayerischen Gymnasium?

Die gerade sich abspielende "Schulentwicklung" in Bayern erfordert methodische Antworten. Die unter dem Namen "G8" bekannte Schulzeitverkürzung hat auf zwei Ebenen Veränderungen gebracht, die den Namen "Technik" tragen:

  1. der bisherige Gymnasialzweig "mathematisch-naturwissenschaftlich" wurde in "mathematisch-technologisch" umbenannt, und

  2. das Fach Biologie wurde in ein neues Fach "Natur&Technik" integriert.

Lehrende hatten/haben das Problem, "technologisch" und "Technik" "richtig" zu interpretieren.

Zu 1.: Bezüglich "technologisch" liefert die zuständige Ebene 1 des Lehrplans keine Informationen über eine typische Profilbildung.

Genauso wenig wird der Begriff "technologisch" definiert.

Zitat: Unter der Technologie (v. griech.: τεχνολογία technología = die Lehre, das System der Technik) versteht man die Gesamtheit der Verfahren zur Produktion von Gütern und Dienstleistungen, die einer Gesellschaft zur Verfügung steht. Technologie beinhaltet die Komponenten der Technik (Werkzeuge, Geräte, Apparate), die materiellen und organisatorischen Voraussetzungen und deren Anwendung. In jüngster Zeit gewinnt die Technikfolgenabschätzung immer mehr an Bedeutung. Häufig wird Technologie als klassisches Blähwort anstelle von Technik verwendet. Spricht jemand im Zusammenhang z.B. bei Fahrzeugen von neuester eingesetzter Technologie, ist nur die Technik gemeint. Heutzutage denken daher viele Menschen, dass Technologie einfach nur die moderne Technik sei. Das ist aber falsch.... [F]

Verkompliziert wird das Ganze durch die Vermischung mit schlechter Übersetzung des englischen Begriffe-Netzes in der Presse, wobei die englischen Bedeutungen noch vielfältigere Facetten aufweisen als die deutschen [E].

Für den Unterricht an Gymnasien muss Technologie als Blähwort im oberen Sinn interpretiert und auf die Bedeutung als "Technik" im Fach N&T reduziert werden.

Zu 2.: Technische Inhalte werden von den übergeordneten Lehrplanebenen [LP] zum Einen dem Bereich "Fächerübergreifendes Lernen und überfachliche Kompetenzen", zum Anderen dem Fach "Natur & Technik" zugeordnet. [D]

Das Fachprofil für dieses Fach fordert u.a.:

  • eine technische Grundbildung,

  • Aufgreifen des Interesses der Unterstufenschüler für technische Systeme,

  • kontinuierliche Auseinandersetzung mit Technik im Unterricht,

  • aktive Auseinandersetzung mit technischen Inhalten, sowie

  • das aktive Einsetzen von Arbeitsmethoden der Technik durch Schüler. [C]

In Bayern stehen weder ausgebildete Technik-Lehrer für die Gymnasien zur Verfügung noch Technikdidaktiker für die zukünftige Ausbildung von Technik-Lehrern. In anderen Bundesländern hat hingegen der Technikunterricht (auch an Gymnasien) eine lange Tradition. In Bayern sollen die naturwissenschaftlichen (Chemie, Biologie, Physik) und die Informatik-Lehrer das Fach unterrichten. Eine eigene Umfrage unter oberfränkischen Chemie- und Physiklehrern erbrachte, dass sie "Technik" sehr persönlich interpretieren, etwa in der Art:

  • Technik ist angewandte Physik;

  • Technik ist, wenn es funktioniert;

  • Technik = wenn Schüler etwas nachbauen (z.B. Papierflieger);

  • Technik = Arbeitstechnik (z.B. Papier-Chromatografie).

Alle diese Interpretationen sind sehr einseitig bis falsch. Woher weiß man dann, wie es richtig geht?

Es gibt eine große Berufsgruppe, die Technik kann: Ingenieure. Warum fragen wir nicht die? Ich habs gemacht. Hier unten steht, was sie mir gesagt haben:

4.4.9.2 Beispiel 1: Bau eines Barometers Variante A

Lehrziel: Ein einfaches Barometer soll aus Alltagsgegenständen gebaut werden.

  1. Lehrender Andreas Meyer teilt eine Anleitung aus.

  2. Seine Lernenden bauen danach zu Hause das Barometer...

  3. ...dann präsentieren sie das Ergebnis in der Schule.

Das hier haben sie nicht gesagt - aber es ist das, was naturwissenschaftlich ausgebildete Lehrer interpretieren und beschreibt typischen naturwissenschaftlichen Unterricht:

  • es existiert eine Experimente-Vorschrift,

  • das Experiment wird durchgeführt,

  • die Gesetzmäßigkeit ist erkannt bzw. bestätigt, somit das Ziel erreicht.

4.4.9.3 Beispiel 2: Bau eines Barometers Variante B

  1. Lehrende Annika Meyer bringt ein handelsübliches Barometer von zu Hause mit. Lernende dürfen es zum Zweck des Untersuchens zerlegen.

  2. Beide überlegen, welche Teile durch welche Alltagsgegenstände ersetzt werden könnten.

  3. Lernende fertigen eine Skizze bzw. einen Bauplan an.

  4. Sie besorgen die Materialien bzw. stellen sie zu Hause bereit.

  5. Lernende fertigen zu Hause oder in der Schule.

  6. Dann testen sie die Funktionen und vergleichen mit dem handelsüblichen Gerät.

  7. Lernende und Lehrende diskutieren die Leistungen und mögliche Verbesserungen.

  8. Lernende arbeiten die Verbesserungen ein und testen erneut.

  9. Zusammen wählt man die gelungensten Geräte aus und stellen sie aus.

So würde es ein (chinesischer) Ingenieur machen:

  • es existiert keine Vorschrift, keine fertige Anleitung (aber ein deutsches Auto, welches auseinander genommen werden kann),

  • sie wird erstellt, einschließlich Skizze (dann wird die äußere Form nachgezeichnet, bis es aussieht wie... ;),

  • Materialien werden ausgewählt (möglichst billig),

  • dann wird der Plan umgesetzt (mit möglichst billigen Arbeitskräften),

  • das Ergebnis getestet, eventuell verbessert (Phase entfällt zu oft, macht das Produkt günstig),

  • das Produkt wird vorgestellt, damit erst ist das Ziel erreicht (das Produkt wird verkauft).

4.4 9.4 Methodisches Vorgehen [40]

Eine technische Unterrichtsmethode muss von der Arbeitsweise der Techniker und Ingenieure abgeleitet werden, nicht von der der Naturwissenschaftler.

Technik ist das Ergebnis einer von Interessen geleiteten, zielgerichteten Auseinandersetzung des Menschen mit Gegebenheiten der Natur bzw. mit vorhandenen technischen Systemen.

Inhaltlich beschäftigt sie sich mit Stoffen, Energie und Information in den Dimensionen Wandeln, Transportieren und Speichern - daher erklären sich die beteiligten Naturwissenschaften Chemie (Stoffartänderung), Physik (Zustandsänderung) und Informatik (Informationsbearbeitung).


Abb. 1: Inhalte der Technik

Dabei versteht sich Technik sowohl im Entstehungs- als auch im Verwendungszusammenhang:


Abb. 2: Das soziotechnische System

In der technisch-didaktischen Literatur werden Kerntätigkeiten des Ingenieurs beschrieben:

  • Entwerfen, das ist eine schöpferische, geistige und/oder zeichnerische Vorwegnahme konkreter Lösungsgestalten aus struktureller, funktioneller und wirtschaftlicher Sicht. Ergebnis sind z.B. Anforderungslisten, Bauskizzen, Finanzierungspläne.


Abb. 3: Skizze für eine TEebeutel-HOchheb-MAschine [A]

  • Konstruieren geht darüber hinaus und umfasst auch konkrete Festlegungen bis zur Herstellungs-Reife. Ergebnis sind z.B. genaue Konstruktionspläne mit Fertigungstoleranzen, Montageanleitungen...


Abb. 4: Bildteil einer CAD-Ausgabe in 3D. [B]

  • Messen (DIN 1319): Vorgang, bei dem ein spezieller Wert einer bestimmten Größe als Vielfaches einer vereinbarten Einheit ermittelt wird (auch andere Disziplinen messen!).

  • Prüfen (DIN 1319): Beurteilung des Messergebnisses im Hinblick auf eine ganz bestimmte Zweckeignung (auch andere Disziplinen prüfen). Beide Tätigkeiten kommen in allen Stufen des technischen Wirkens zum Einsatz.

  • Testen: Die zu messende Größe wird in einen realen Verwendungszusammenhang gestellt. Das ist sehr typisch für Technik: an Prototypen wird getestet, ob die Konstruktion gelungen ist und die ursprünglichen Anforderungen erfüllt werden.


Abb. 5: Prototyp der TEHOMA [A]

  • Planen: Auch diese Tätigkeit begleitet die anderen permanent. Zukünftige (Produktions)Abläufe werden vorweg genommen und möglichst genau durchdacht. Ergebnisse fließen in alle Formen von Plänen ein.

  • Realisieren ist in der Technik untrennbar mit Planung und Testen verbunden, da tatsächliche Realisierbarkeit nicht mit Sicherheit vorhergesagt (geplant) werden kann.

Daneben gibt es die erweiterten Tätigkeiten:

  • Auswählen (falls konkurrierende Lösungen existieren),

  • Bedienen und Anwenden,

  • Pflegen und Reparieren.

4.4.9.5 Beschreibung

Von den Kerntätigkeiten lassen sich nach dem Artikulationsmodell Stufen für eine technische Unterrichtsmethode im naturwissenschaftlichen Unterricht ableiten:

  1. Entwerfen und Konstruieren

  2. Beschaffen und Organisieren

  3. Fertigen

  4. Testen und Optimieren

  5. Präsentieren.

Je nach Lehrziel und Anforderungsstufe kann man Varianten verwenden, die mehr oder weniger zeitaufwändig oder intensiv sind:


Abb. 6: Varianten der technischen Methode. Legende zu a-e siehe unten.

a = technisch-erfindend, verläuft mit hohen Anforderungen über alle Artikulationsstufen: ein noch nie gesehenes Gerät (!) mit definierten Anforderungen soll realisiert werden.
b = technisch-nachmachend, spart sich das "neue Gerät", guckt von einer erfolgten Realisierung ab und baut ggf. modellhaft nach.
c = technisch-forschend will nur das Prinzip herausfinden und kommt mit einem Prototypen aus, der die grundsätzliche Machbarkeit zeigt.
d = technisch-untersuchend möchte von etwas bekanntem ausgehen, es verstehen und verbessern.
e = technisch-informierend sollte vermieden werden - hier spricht man nur von Technik, ohne wirklich aktiv zu werden.

4.4.9.6 Beispiele 3 aus dem Natur & Technik - Unterricht: die technische UM mit LEGO

  1. Nach der Variante technisch-nachmachend können Unterstufenschüler die Umsetzung eines Bauplans lernen (z.B. das Bauen von Laufmaschinen mit dem Kasten Mechanik III von LEGO Dacta). Die Artikulationsstufen 1 und 2 (Abb. 6, von links) finden sich auf niedriger Anforderungsstufe, weil der Plan fertig ist und die Materialien durch die Verwendung eines Baukastens festgelegt sind. Das Fertigen fordert den Bauanfänger sehr, Testen und Optimieren beschränkt sich auf die Bestätigung der Funktionen. Das Präsentieren sollte im Vergleich geschehen ("fettes Heupferd" und "hinkender Frosch") oder Vorteile gegenüber den bekannten Radmaschinen hervorheben.


Abb. 7: Bauen nach Anleitung.

  1. Nach der Variante technisch-forschend können Unterstufenschüler, die im Umgang mit LEGO-Kästen geübter sind, Leichtlauffahrzeuge bauen und an einer schiefen Ebene optimieren, ohne dass eine Anleitung vorliegen muss. Die Anforderungsstufe zu Artikulationsstufe 1 Entwerfen und Konstruieren steigt stark an, in dieser Variante (anders als in Abb. 6) auch die des Optimierens.


Abb. 8: Optimierung einer bekannten Lösung nach neuen Anforderungen.

  1. Höchste Anforderungen stellt die technisch-erfindende Variante, wenn ein unbekanntes Gerät (z.B. eine Glockenanschlagmaschine) konstruiert werden soll. Abweichend von Abb. 6 ist nur die Anforderungsstufe des Beschaffens nicht sehr hoch, da Baukästen verwendet werden.


Abb. 9: Beispiel einer Erfindung als eine von vielen möglichen Lösungen.

Hinweis: Sozialform und Aktionsform können bewusst eingesetzt werden, um schneller Ergebnisse zu erhalten. Je zwei Gruppen arbeiten in gutem Sichtkontakt an derselben Aufgabe. "Abgucken" ist erlaubt und erwünscht, spiegelt sie doch die Wirklichkeit wider: je nach Ausprägung das konkurrierende "Abkupfern" oder das zusammenwirkende "Teamwork" mit gegenseitigem Vorteil.


Abb. 10: Bewusstes Erleichtern des "Abkupferns" durch die Sitzordnung von Arbeitsgruppen.

4.4.9.7 Beispiel 4 aus dem Natur & Technik - Unterricht: Bau eines Modell-Barometers

Beispiel 4 zeigt, wie Beispiel 2 praktisch umgesetzt wurde.

  1. Lehrende Annika Meyer bringt ein handelsübliches Barometer von zu Hause mit. Lernende dürfen es zum Zweck des Untersuchens zerlegen.


Abb. 11: Handelsübliches Barometer ohne Gehäuse und Skala.

  1. Beide überlegen, welche Teile durch welche Alltagsgegenstände ersetzt werden könnten.


Abb. 12: Erste Abstraktionsmaßnahme zur Bau-Skizze.

  1. Lernende fertigen eine Skizze bzw. einen Bauplan an.

  2. Sie besorgen die Materialien bzw. stellen sie zu Hause bereit.


Abb. 13: Zweite Abstraktionsmaßnahme zum Modell. Marmeladenglas, Luftballon-Membran (rot) und Trinkhalm (grün).

  1. Lernende fertigen zu Hause oder in der Schule.

  2. Dann testen sie die Funktionen und vergleichen mit dem handelsüblichen Gerät.

  3. Lernende und Lehrende diskutieren die Leistungen und mögliche Verbesserungen.

  1. Lernende arbeiten die Verbesserungen ein und testen erneut.

  2. Zusammen wählt man die gelungensten Geräte aus und stellen sie aus.

Erfolgskontrollen schließen jede UM ab, z.B.:


Abb. 14: Mögliche Erfolgskontrollen bzw. weiterführende Aufgaben: Begründe, warum kein geknickter Trinkhalm verwendet werden sollte; oder: diskutiere, welche Rolle die Trinkhalm-Länge spielt.

4.4.9.8 Kritik

Uns ist klar, dass reiner Technikunterricht an unseren traditionell theoretischen Gymnasien nicht möglich ist. Dafür fehlt nicht nur die Platzierung in der Stundentafel, sondern auch die Ausstattung mit Werkstätten sowie mit entsprechenden Fachlehrern.

Allerdings lassen sich abgeschwächte Formen durchaus auf Ebene der Unterrichtsmethode wie hier beschrieben in Einzelfällen als Projekte realisieren. Im Lehrplan geforderte fachübergreifende Bezüge lassen sich zwanglos herstellen.

                                       

Abb. 15:
Zusammenfassung: was machen Ingenieure anders als "Forscher"?


Literatur:

[A] http://www.computopia.de/westrupps/w+w/seiten/buch/tehoma.htm, 10.11.15, mit freundlicher Genehmigung des Autors.

[B] http://ventego.de/leistungen/konstruktion-und-entwicklung/3d-cad-konstruktion/, 10.11.15, mit freundlicher Genehmigung des Autors.

[C] http://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26388 , 13.11.15

[D] http://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26350 , 13.11.15

[E] http://en.wikipedia.org/wiki/Technology, 13.11.15

[F] http://de.wikipedia.org/wiki/Technologie, 13.11.15


Zur eigenen Kontrolle:

  1. II: Arbeiten Sie heraus, worin Unterschiede zwischen einem Projekt und der technischen UM bestehen.

  2. II: Arbeiten Sie heraus, worin Unterschiede zwischen einer forschenden und einer technischen UM bestehen.


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    E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de