Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 24.09.19, Seiten 4.24-4.30


4.4.1 Forschende Unterrichtsmethoden

Nachdem die Arbeitsweise eines Naturwissenschaftlers skizziert ist, wäre es doch naheliegend, Lernende auf diese Spuren zu schicken und (mehr oder weniger) kleine Forscher in den Arbeitsweisen zu trainieren. Dieses Kapitel zeigt, wie es geht.


Input

4.4.1.1 Beispiel: Entwurf einer UE zum Thema Reduktion

Lehrender Maier, in Ausbildung*, beschreibt in seiner Unterrichtsplanung sein Vorhaben für die Unterrichtseinheit UE wie folgt:

Die UE Reduktion soll in der Mittelstufe (Sekundarstufe I) stattfinden. Lernende haben kein Vorwissen zu Reduktion, also gebietet sich induktives Vorgehen. Ich möchte das Experiment "Reduktion von Kupfer(II)-oxid mit Wasserstoff" anwenden. Lernende kennen zu diesem Zeitpunkt

  • Wasserstoff als Element,
  • als brennbares Gas und
  • als reaktiv gegenüber Sauerstoff von der Knallgas-Reaktion.
  • Oxidation als Reaktion mit Sauerstoff, auch bei Kupfer.
  • Energiebeteiligung bei Synthese- und Analyse-Reaktionen.

Als Lehrziel aus dem Kompetenzbereich Fachwissen ließe sich formulieren: Erkennen, dass die Affinität von Wasserstoff zu Sauerstoff benutzt werden kann um Sauerstoff aus Oxiden zu entfernen (Reduktion als Sauerstoffentzug).

Maier erzählt erst, dass es bedauerlich sei, dass Kupfer nicht als Metall in der Natur vorkommt, sondern als Verbindung, vereinfacht mit Sauerstoff als schwarzes Kupfer(II)-oxid. Für Kabel und Elektromotoren ist aber metallisches Kupfer sehr wertvoll, so dass man sich vor der Aufgabe sieht, den Sauerstoff aus der Verbindung zu entfernen.

Maier erinnert, dass Lernenden bereits Experimente bekannt sind, bei denen Sauerstoff mit Magnesium (Verbrennung von Magnesiumband), mit Schwefel (Bildung von Schwefel(IV)-oxid) oder mit Wasserstoff (Knallgasreaktion) reagiert. Ob wohl eine der Reaktionen für das Lehrziel dienlich sein kann? Er lenkt das Gespräch auf Wasserstoff: mit Schwefel würde Kupfer selber reagieren, Magnesium sei zu teuer.

Nun fährt Maier eine Versuchsapparatur herein und erklärt, warum sie für die Untersuchung, ob Wasserstoff in der Lage sei, Kupfer(II)-oxid den Sauerstoff abzunehmen, geeignet ist. Sie ist geschlossen und das brennbare Gas kommt mit der Flamme nicht in Kontakt. Das Lehrer-Experiment wird durchgeführt, Lernende erkennen, dass sich das schwarze Edukt nach metallisch-rot umfärbt. Maier weist auf Wassertröpfchen hin, die sich am Ende des Reaktionsrohres niederschlagen. [siehe auch Experimentieranleitung]

Auf Grund der Beobachtung formuliert Maier zusammen mit den Lernenden die zugrunde liegende Reaktionsgleichung an der Tafel. Versuchsbeschreibung, Beobachtung und Interpretation werden in den Schülerheften fest gehalten, danach festgestellt, dass das Gegenteil der bekannten Oxidation Reduktion genannt wird. Zur weiteren Anwendung wird gemeinsam formuliert, wie man analog Eisen(III)-oxid mit Hilfe von Kohlenstoff in Eisen überführen kann.

* "In Ausbildung" deswegen, weil mir kein aktiver Lehrender bekannt ist, der schriftlich das didaktische Vorgehen plant (Inhalte werden durchaus aufgeschrieben). Nach der Ausbildungsphase, in der alles schriftlich festgehalten werden muss, ist dies die erste Art Planungsarbeit, die "über Bord geht".

Selbstlernbereich

4.4.1.2 Methodisches Vorgehen: forschen, entwickeln und entdecken.

Es ist offensichtlich, dass Lehrer Maier methodisch vorgeht: er führt Lernende nach einem vorher überlegten Plan durch die Unterrichtseinheit.

"Entwickeln" beschreibt dabei die Rolle des Lehrenden:

  • Einleiten des Lernprozesses durch Ziel- bzw. Themenvorgabe,

  • ggf. Mitteilen eines Lösungsplanes (muss nicht notwendiger Weise sein),

  • Steuern der Erkenntnisgewinnung über eine Folge von Fragen oder Aufgaben,

  • Beeinflussen des Lernprozesses nach pädagogischen und organisatorischen Gesichtspunkten,

  • ggf. Verlagern eines Teils der Aktivität auf die Seite der Lernenden (Wiederholen von Vorausgegangenem, Hypothesen äußern),

  • Sicherung des erworbenen Wissens durch Hefteintrag und / oder Übungsaufgaben, sowie

  • Abstraktion der gefundenen Erkenntnisse, so dass die exemplarisch gefundene Lösung auf ähnliche Situationen angewendet werden könnte.

Diese Form der Führung ist sehr eng und somit stark lehrenden-zentriert. Lernende haben praktisch keine Freiheitsgrade - alle Entscheidungen sind durch den Lehrenden bei der Vorbereitung der UE schon getroffen worden und werden mit Lernenden zu gegebener Zeit nachvollzogen.

Forschen Lernende dabei auch? Kennzeichen von Forschen im didaktischen Sinn sind:

  • Ausgehen von einer Forschungsfrage (einem zu lösenden Problem),
  • Bemühung um selbständiges Lösen des Problems nach der naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweise, z.B. mit Hilfe von Experimenten (oder Modellen), so dass
  • als Ergebnis eine auch auf andere Probleme anwendbare Gesetzmäßigkeit und/oder Problemlöse-Strategie heraus kommt.

Aufgabe: untersuchen Sie, inwieweit das Beispiel oben den Merkmalen forschenden Unterrichts gehorcht. Wenn Sie mit der Untersuchung fertig sind, können Sie anhand der Lösungsseite überprüfen, inwieweit Sie richtig lagen.

Forschen als Unterrichtsverfahren bedeutet, dass Lernende mit den ihnen zur Verfügung stehenden Mitteln versuchen, selbständig für sie neue Erkenntnisse zu gewinnen.

4.4.1.3 Arbeitsweise

Bei dieser Gruppe von Unterrichtsmethoden (UM) geht es hauptsächlich darum, inwieweit das Agieren von Lernenden selbständig erfolgt:

  • entwickeln bedeutet, Lehrende steuern stark,
  • forschen bedeutet, dass Lernende Ideen zur Lösung des Problems beitragen und selbständig prüfen sollen,
  • entdecken steht für ein Maximum an selbständigem Agieren, vom Erfassen der Forschungsfrage bis hin zur Abstraktion: Lernende sollen tatsächlich selbständig für sie neue Zusammenhänge finden, "entdecken".

Ansonsten versucht man, beim Vorgehen die Arbeit des Forschers (modellhaft) abzubilden. Hilfreich ist der Begriff des Forschungszyklus [49]:


Abb. 1: Ein Durchlauf des Forschungszyklus (stark vereinfachte Form).

  1. In einer präexperimentellen Phase wird zu einem erdachten bzw. gegebenen Thema erst die Forschungsfrage formuliert, dann werden Thesen aufgestellt und Forschungsmethoden ausgewählt. Die Arbeit mündet in einem Forschungsplan.
  2. In der experimentellen Phase wird nach Forschungsplan und den ausgewählten Methoden vorgegangen und es werden Daten generiert.
  3. In der postexperimentellen Phase werden die Daten aufbereitet, interpretiert und in der Forscher-Community publiziert, präsentiert und diskutiert.

Ein Zyklus ergibt sich dann, wenn Interpretation und Diskussion weitere Fragen aufwerfen, die in einem Folgeprojekt nach demselben Muster behandelt werden. Eigentlich handelt es sich eher um eine Forschungsspirale als einen Zyklus, da man davon ausgehen sollte, dass sich ein späterer "Zyklus" auf einem fortgeschritteneren Niveau bewegt als der vorausgegangene, und somit eine Fortschrittsachse entsteht.

4.4.1.4 Strukturierung

Entwickelnde UM lassen sich mit Hilfe von vier Artikulationsstufen beschreiben:

  1. Problemstellung: das Forschungsproblem stammt vom Lehrenden, der es aufbringt und erläutert.

  2. Lösung: Lehrende leiten an, wie das Problem gelöst wird (Fragensequenz, Teilaufgaben, Unterrichtsgespräch...)

  3. Abstraktion: Lehrende stellen die Lösung (ggf. in einem Unterrichtsgespräch) in Form von Fachsprache (Versuchsbeschreibung, Beobachtung, Interpretation, Gleichung, Skizze) vor (Tafel, Projektion...).

  4. Sicherung: Lehrende wenden (ggf. über ein Unterrichtsgespräch) die exemplarischen Erkenntnisse auf einen weiteren Fall an.


Abb. 2: Übersicht der Artikulationsstufen einer entwickelnden Unterrichtseinheit.

Entdeckende UM erfordern zur Beschreibung eine Artikulationsstufe mehr:

  1. Problemfindung: das Forschungsproblem stammt von Lernenden, wobei die Idee durchaus von Lehrenden kommen kann. Bei der Phase des Erkennens von Problemen bzw. beim Formulieren der Forschungsfrage sind jedoch Lernende gefordert.

  2. Lösungsplanung: Sie sind es auch, die ein Vorgehen planen, nach dem das Forschungsproblem gelöst werden sollte. Lehrende können höchstens bei der Auswahl des besten Vorschlags helfen bzw. sicherheitsrelevante Maßnahmen treffen.

  3. Lösung: Lernende führen einen oder mehrere vereinbarte Lösungsvorschläge durch und ziehen aus den Beobachtungen ihre Schlüsse.

  4. Abstraktion: Je nach Erfahrenheit von Lernenden spielen Lehrende eine größere oder kleinere Rolle bei der Formulierung der Lösung mit Hilfe von Fachsprache (Versuchsbeschreibung, Beobachtung, Interpretation, Gleichung, Strukturen, Versuchsskizzen).

  5. Sicherung: Lernende notieren selbständig und wenden die exemplarischen Erkenntnisse auf einen weiteren Fall an.


Abb. 3: Übersicht der Artikulationsstufen einer entdeckenden Unterrichtseinheit.

Bei beiden Varianten handelt es sich um Extreme: stark lehrenden- bzw. stark lernenden-zentriert. Bei der Bezeichnung der UM kann man durch "Doppelnamen" hervorheben, was man eher meint: forschend-entwickelnd, hier führen Lehrende stark, bei forschend-entdeckend liegt das Gewicht bei Lernenden-Tätigkeiten praktischer wie theoretischer Art.


Abb. 4:
Einfluss der am Unterrichtsgeschehen beteiligten Personen auf die UM (Zusammenstellung nach Schmidkunz, Koliander, Bonnstetter, Wagner).

Warnung: "Entwickeln" sollte nicht mit gängelndem Herausfragen verwechselt werden. Siehe Weiteres unter "Normalverfahren".

4.4.1.5 Leistungen und Grenzen

Dadurch, dass die forschende UM entwickelnd und entdeckend geführt werden kann, ergibt sich ein breiter Einsatzbereich, sowohl für Lehrende, die exakt planen und gliedern wollen (entwickeln), als auch für solche, die Lernenden gerne freien Lauf lassen und Raum geben für spontane Änderungen. Das Ausmaß an Lernenden-Aktivität kann die gesamte Bandbreite abdecken, von selbständiger Planung UND Durchführung (entdecken) bis zu engerer Führung durch Lehrende bei gefährlichen oder komplizierten Experimenten. Insgesamt wird die UM durch Lernende als sehr interessant und motivierend empfunden, da sie alle psychischen Dimensionen (kognitiv, affektiv, psychomotorisch) anspricht und auf allen Anforderungsbereichen (I-III) durchführbar ist. Das führt dann auch zu einer hohen Lern-Effektivität (es wird nachhaltig gelernt, wobei oft etwas mehr Zeit benötigt wird) aber oft geringeren Zeit-Effektivität (geringer Zeitbedarf, allerdings verbunden mit flüchtigem Lernen).

Die Ansprüche an das Führungsgeschick von Lehrenden sind allerdings hoch - deshalb meiden Einsteiger gerne diese UM. Der Lernweg ist nicht immer planbar - aber das macht die Methode so leistungsfähig für individualisierten Unterricht. Im Klassenunterricht sind die in Bayern üblichen Klassengrößen von ca. 30 Lernenden ein echtes Problem - deutlich geringere Klassenstärken von 16-24 Lernenden wären dringend erforderlich. Auch gibt es Themen, die für das forschende Lernen weniger geeignet sind, etwa wenn (internationale) Vereinbarungen oder Regeln erlernt und befolgt werden müssen (IUPAC-Nomenklaturregeln, Regeln für das Aufstellen von Gleichungen).

Aufgabe: Untersuchen Sie, inwieweit der ursprüngliche Plan, die naturwissenschaftliche Arbeitsweise zu trainieren, mit Hilfe der forschenden UM funktionieren würde? Wenn Sie mit der Untersuchung fertig sind, können Sie anhand der Lösungsseite überprüfen, inwieweit Sie richtig lagen.


Zur eigenen Kontrolle:

  1. I: Beschreiben Sie die forschend-entwickelnde UM mit Hilfe des Artikulationsmodells.

  2. II: Vergleichen Sie die Varianten "entwickelnd" und "entdeckend".

  3. III: Diskutieren Sie aus der Sicht eines planenden Lehrenden, welche Gesichtspunkte er durchgehen muss um zu entscheiden, ob er für seine Klasse 10a nächste Woche die entwickelnde oder die entdeckende UM einsetzt.

  4. II: Skizzieren Sie einen Forschungszyklus zum Thema "Zusammensetzung von Kochsalz" nach einer eher entwickelnden Vorgehensweise.

  5. II: Entscheiden Sie (mit Begründung), ob die hier beschriebene UE eher entwickelnd oder eher entdeckend geprägt ist:
    Kurz vor den Weihnachtsferien wollen Lernende von Herrn Meyer wissen, wie die Farben beim Feuerwerk entstehen. Herr Meyer geht mit seinen Lernenden in den Computerraum und lässt sie im WWW nachforschen. Sie finden dort, dass für die Farbentstehung verschiedene Metallsalze erforderlich sind und wollen dies nun testen. Meyer stellt dafür verschiedene Verbindungen im Chemiesaal bereit und seine Lernenden testen diese in der Brennerflamme arbeitsteilig in Gruppen. Dann stellen sie "ihre Farbe" den anderen vor. Anschließend werden die Ergebnisse in tabellarischer Form im Heft festgehalten. An Sylvester erzählt Max seinen Eltern stolz, welches Metallsalz in der Rakete enthalten sein muss, um ziegelrotes Licht am Himmel zu erzeugen.

Hinweise zur Lösung


Download der Abbildungen als PowerPoint - Präsentation

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