Technik im naturwissenschaftlichen Unterricht

Methodische Vorschläge für den fachübergreifenden Unterricht in Natur und Technik [1]

Diese Publikation ist erschienen in der Zeitschrift des Vereins zur Förderung des Mathematischen und Naturwissenschaftlichen Unterrichts MNU Jg. 57, Heft 8, 2004, 478-487. Hier wird eine ungekürzte Form wiedergegeben, die im Wesentlichen ausführlichere Beispiele enthält als es in der gedruckten Form möglich war.

Zusammenfassung. Die hier vorgestellte technische Unterrichtsmethode folgt der Denk- und Arbeitsweise von Ingenieuren beim Erfinden sowie beim Lösen von fachtypischen Aufgaben. Sie ist in ihrer Reinform als Konzeption zeitlich und inhaltlich weit reichend, über mehrere Unterrichtsstunden, in den reduzierten Varianten als Ein-Lehrziel-Methode für einzelne Unterrichtsstunden einsetzbar. Als Einsatzort ist zunächst der naturwissenschaftliche Unterricht mit teilweise technischer Orientierung (Fächer wie „Natur und Technik“) vorgesehen – nach entsprechender Erprobung eventuell auch der Technikunterricht selbst. In „Wurzeln“ wird versucht, das Selbstverständnis des Faches Technik horizontal in rezenter Sicht und vertikal in historischer Betrachtung sehr komprimiert darzustellen. Aus diesem Selbstverständnis heraus werden in „Stamm“ die Stufen der Methode entwickelt und nach dem Artikulationsmodell aufgegliedert. Die „Krone“ begründet die Notwendigkeit von drei Methodenvarianten, die „Blüten“ liefern je ein Beispiel dafür. Die „Früchte“ schließlich beschreiben erhoffte Leistungen und die zur Zeit existierenden Erfahrungen.

Einführung. Zum „Jahr der Technik“ 2004 wird an Gymnasien in Bayern das seit dem vorigen Jahr neu eingeführte Fach Natur und Technik (NT) von der Jahrgangsstufe 5 auch auf die Jahrgangsstufen 6 und 7 ausgedehnt, in Hauptschulen ab der Jgst. 5 ein Fach „Arbeit, Wirtschaft, Technik“ neu eingeführt. In den Bundesländern ist die Situation sehr heterogen: technische Inhalte finden sich in einem Pflichtfach „Technik“ über mehrere Jahrgangsstufen verteilt oder fehlen völlig in einzelnen Schularten. Eine Gemeinsamkeit der Bundesländer (z.B. Bayern, Baden-Württemberg), die sich erst jetzt der Technikinhalte annehmen ist, dass diese von Lehrern vornehmlich der naturwissenschaftlichen Fächer Chemie und Physik ohne Ausbildung in technischen Belangen geleistet werden müssen. Aus einer Reihe denkbarer Gründe sind dann die entsprechenden Lehrpläne fast ausschließlich naturwissenschaftlich orientiert und es bleibt dem persönlichen Geschick der Lehrkraft überlassen, die technische Seite methodisch und auch weitgehend inhaltlich zu interpretieren. In der Praxis führt die Situation zu einer großen Bandbreite von Vorgehensweisen: vom kaum an die neue Situation angepassten Biologieunterricht des vorausgehenden Lehrplanes, methodisch ausschließlich lehrerzentriert, bis zur voll-ständigen Neuorientierung hin zu neuen Inhalten des Lehrplans [2], methodisch mit einem hohen Maß an Selbsttätigkeit der Schüler ausgestattet, wobei die Anteile der Technik im gelegentlichen Basteln oder in kleineren Anwendungen gesehen werden. Ist das Technik-Unterricht? Erfahrungen gäbe es in mehreren deutschen Bundesländern, Konzeptionen sind in der seit langem existierenden Didaktik des Technikunterrichtes [3] durchaus entwickelt worden, aber die Umsetzung scheitert meines Erachtens vornehmlich aus drei Gründen:

Entweder sind die Methodenwerkzeuge so stark werkstätten-technisch orientiert, dass die materiellen Voraussetzungen nicht geschaffen werden können,
oder der technische Ansatz ist so stark arbeitsorientiert, dass er von Lehrern der Naturwissenschaften als „fremd“ empfunden wird (Abb. 1).
Die dritte Möglichkeit rührt daher, dass oft gar nicht bekannt ist, dass und wo es die entsprechende Lehrwissenschaft „Fachdidaktik der Technik“ gibt.

1 Wurzeln

1.1 Technik als Fach

Heute sehen es Didaktiker der Technik (verständlicherweise) nicht sehr gerne, wenn

„...Technik in szientistischer Verkürzung als angewandte Naturwissenschaft und als naturbeherrschendes Werken in praktizistischer Verkürzung bezeichnet wird. Solche Anschauungen führen zur Zuordnung der Technik einerseits zu naturwissenschaftlichen Fächern, andererseits zur berufsqualifizierenden Bildung, aber nicht zur Allgemeinbildung.“[4]

Welches sind denn nun Merkmale des rezenten technischen Unterrichtes, die man in naturwissenschaftlichen Fächern nicht findet?

Technik ist das Ergebnis einer von Interessen geleiteten, zielgerichteten Auseinandersetzung des Menschen mit Gegebenheiten der Natur bzw. mit vorhandenen technischen Systemen. [5]

Den Weg des Menschen zu Naturwissenschaften und Technik lässt sich wie folgt beschreiben (nach [5]):

Die Welt im Naturzustand enthält keine technischen Systeme.
Wenn der Mensch sich aufmacht, den Naturzustand qualitativ und quantitativ zu beschreiben, zu ordnen und zu klassifizieren, betreibt er Naturwissenschaften, er sucht nach Erkenntnis.
Wenn er das Erfasste zweckorientiert und gezielt verändert und Gebilde mit Hilfe bestimmter Verfahren schafft, betreibt er zur Befriedigung von Bedürfnissen Technik.
Naturwissenschaften und Technik stehen in enger Beziehung zueinander, bedingen sich aber nicht notwendigerweise. So hat Watt die Dampfmaschine erfunden, ohne eine thermodynamische Theorie zu besitzen. Genauso aber bedeutet die Entdeckung der Supraleitfähigkeit noch nicht, dass verlustfreier Individualverkehr in absehbarer Zeit möglich ist.
Technik geschieht in einem Entstehungs- und Verwendungszusammenhang, also innerhalb eines soziotechnischen Systems.

Abb. 1: Technik als soziotechnisches System.

Der interdisziplinäre Ansatz der Technik-Didaktik definiert Technik als:

a. die Menge der nutzenorientierten, künstlichen, materiellen Gebilde (Artefakte oder technische Sachsysteme);
b. die Menge der menschlicher Handlungen und Einrichtungen, in denen Sachsysteme entstehen;
c. die Menge menschlicher Handlungen, in denen Sachsysteme verwendet werden. [7] Kürzer geht es auch: Technik ist das Ergebnis menschlicher Faulheit.

Die Inhalte lassen sich drei Kategorien zuordnen: Stoff, Energie und Information.

Abb. 2: Inhalte des Technikunterrichtes

Dabei ergeben sich Fachbezüge zu den Naturwissenschaften.

	Chemie: Herstellen und Bearbeiten von Werkstoffen, sofern es sich um Stoffartumwandlung handelt; sowie die Energiebeteiligung dabei.
	Physik: Umgang mit Werkzeugen, Erzeugung und Umwandlung von Energieformen;
	Informatik: Datenübertragung und –verarbeitung.

Die Bezüge zur Informatik werden an dieser Stelle nicht weiter erläutert.

Technisches Handeln ist durch folgende Fertigkeiten und Fähigkeiten (Kerntätigkeiten) bestimmt (nach [6]):

	Entwerfen. Hierunter versteht man die schöpferische, geistige und/oder zeichnerische Vorwegnahme konkreter Lösungsgestalten in struktureller, funktioneller und wirtschaftlicher Sicht. Hieraus begründet sich z.B. das Teilfach Technisches Zeichnen
	Konstruieren ist darüber hinaus auch die konkrete Festlegung bis zur Herstellungsreife (Teilfach: Konstruktionslehre).
	Messen ist nach DIN 1319 in Vorgang, bei dem ein spezieller Wert einer bestimmten Größe als Vielfaches einer vereinbarten Einheit ermittelt wird. (auch andere Disziplinen messen!).
	Prüfen ist nach DIN 1319 die Beurteilung des Messergebnisses im Hinblick auf eine ganz bestimmte Zweckeignung.
	Beim Testen wird die zu messende Größe in einen realen Verwendungszusammenhang gestellt. Während Messen und Prüfen auch in anderen Disziplinen vorkommt, ist Testen eine typisch technische Tätigkeit.
	Mit Planen bezeichnet man die zeitliche Vorwegnahme zukünftiger Abläufe.
	Realisieren ist in der Technik untrennbar mit Planung verbunden, da es sich empirisch gezeigt hat, dass tatsächliche Realisierbarkeit nicht mit Sicherheit vorhergesagt (also geplant) werden kann.

Als erweiterte Fertigkeiten, die nicht notwendigerweise vorhanden sein müssen, lassen sich formulieren:

	Auswählen. Diese Prozess vollzieht sich entweder in rückgekoppelten Prüf-Test-Realisieungs-Phasen (innerhalb desselben Unternehmens) oder auf dem Markt (zwischen konkurrierenden Unternehmen).
	Bedienen und Anwenden sind die Tätigkeiten, über die der Laie bzw. Kunde zuallererst mit den Produkten der Technik in Berührung kommt.
	Pflegen und Reparieren können erweiterte Tätigkeiten von Anwendern an Technikprodukten sein. Bedienen, Anwenden, Pflegen, Reparieren als Laientätigkeiten werden didaktisch wertvolle Dienste leisten, wenn es darum geht, vorfachliche Zugänge zum Fach Technik zu finden.

Abb. 3: Technisches Handeln, mit Ergänzungen zu Lehrzwecken.

1.2 Die historische Dimension

Man kann über Homo habilis hinausgehen, wenn man die Wurzeln des Lehrens von Technik sucht. Sicherlich haben schon seine Vorfahren vor über 2,5 Mio. Jahren, ähnlich wie heute Bonobos und Schimpansen, ihren Kindern die Herstellung und den Gebrauch von Werkzeugen beigebracht, als schließlich behauene und später geschliffene Steinwerkzeuge Verwendung fanden. Als Chemiker muss man akzeptieren, dass die Metallurgie erst später, vor 5000 Jahren, dazu kam und andere Materialien wie Keramik, Glas, Papyrus-Papier sowie die Vielfalt der Metalle im Vergleich rezent sind. Maschinen haben ihren Weg in den Alltag vor 1000 Jahren geschafft, z.B. Wasserrad, Windmühle, Spinnrad. Die Nutzung anderer Energiearten aus Dampfmaschinen, Verbrennungsmotoren und elektromagnetischen Generatoren ist etwa 150 Jahre alt, (elektronische) Informationsverarbeitung wenig mehr als 50 Jahre. [7] Institutionalisierter Technikunterricht an höheren Schulen wurde von den Realien- und Industriepädagogen des 18. und 19. Jh. eingeführt und gipfelte zunächst ca. 1850 im System der polytechnischen Bildung nach Marx [8]. Letztere wurde in den Ostblockstaaten konsequent umgesetzt in Form eines meist vierstündigen Faches durchgehend von der Jgst. 5-8. Die Fortsetzung folgte auf ähnlichem Niveau im allgemeinbildenden Gymnasium (Jgst. 9-12) und nach Ingenieurwissenschaften differenziert sowie gepaart mit Berufsausbildung auf den Industrielyzeen, ebenfalls Jgst. 9-12. In Frankreich gibt es ein ähnliches System. An deutschen Gymnasien blieb die Entwicklung trotz Arbeitsschulbewegung (Pestalozzi, Fröbel, Kerschensteiner, Gaudig) auf der Ebene von gestalterischem Werkunterricht oder Handarbeiten stecken. Entwicklungen, wie sie seit den 20er Jahren in den nordeuropäischen Staaten hin zum industrieorientierten Technikunterricht oder zum durchgehenden Fach „Science and Technology“ stattfanden, erregten bis in die heutige Zeit kaum Aufmerksamkeit. Zwar fordert der Verband der Deutschen Ingenieure (VDI) zusammen mit den Technikdidaktikern schon seit den 70er Jahren vehement den Einzug von technischen Inhalten ins Gymnasium, doch folgte die KMK 1971 den Argumenten nicht [9]. In der Folge führte nur Schleswig-Holstein ein Wahlpflichtfach Technik für die Jgst. 7-10 ein, einige andere Bundesländer (z.B. Niedersachsen, Hessen, Nordrhein-Westfalen) Arbeitslehre, ggf. kombiniert mit Wirtschaft und Technik, teilweise sogar als Pflichtfach. Das Schlusslicht bildet nach Baden-Württemberg Bayern, wo das Fach „Natur und Technik“ erst 2003 in einer Jahrgangsstufe Pflichtfach wurde. In den neuen Bundesländern ist das Bild ähnlich uneinheitlich.

2 Der Stamm

2.1 Ausgangspunkte

Um Inhalte und Fertigkeiten in einem Unterrichtsfach zu vermitteln gilt es, sich methodischen Werkzeuges zu bedienen. Zweierlei Quellen stehen uns zur Verfügung:

Methoden (syn. Verfahren) des naturwissenschaftlichen Unterrichtes sowie
fachspezifische Methoden des Technikunterrichtes.

Im ersten Fall besteht die Gefahr, wie in der Vergangenheit geschehen, die Technik auf ihre Funktion zu Motivations- und Einführungszwecken zu verkürzen: etwas herstellen, „damit die Kinder wieder Freude an der Physik“ haben oder „Chemie nicht mehr so häufig abwählen“. Auch aus Sicht der naturwissenschaftlichen Fächer würden wir damit (wieder) eine wertvolle Chance vergeben, über durchaus praktische, aber auch abstrahierende Bemühungen im Technikunterricht den Boden für weiter gehende Abstraktionen in Chemie, Physik, Biologie zu bereiten, denn die Kritik an der über weite Strecke lebensfernen Ausprägung des naturwissenschaftlichen Unterrichts ist unwesentlich jünger als die Fächer selbst.

„Das ‚Umgehen-mit’, ‚Hantieren-mit’, ‚Herstellen-von’, ‚Verändern-von’ und damit verbunden die Wahrnehmung konkret anschaulicher Phänomene geht den Versuchen voraus, die nach Strukturen, Prinzipien, und Erklärungen fragen. Die tätige Auseinandersetzung ist Anfang und teilweise auch Weg zur Abstraktion.“[10]

Genauso ist die Forderung nach „von der Hand in den Kopf und wieder zurück in die Hand“ nicht gerade neu [11]. Grundsätzlich würden leistungsfähige Unterrichtsmethoden zur Verfügung stehen, um sich mit technischen Geräten und Prinzipien zu beschäftigen:

	Aus der Didaktik der Chemie stammt das historisch-problemorientierte Verfahren [12, 13], bei dem, ausgehend von geeigneten historischen Vorbildern, bestimmte naturwissenschaftliche, aber auch technische, Problemlösungen nachvollzogen werden können.
	Ebenfalls aus der Didaktik der Chemie stammt das forschend-entwickelnde Verfahren [14], bei dem man von einer Idee ausgehend und der spezifischen Arbeitsweise des Naturwissenschaftlers folgend eine theoretische (oder technische) Fragestellung (er)klärt.
	Projekte [15] sind als Unterrichtsmethode allgemein reformpädagogischer Herkunft. Während sich die beiden vorausgehenden Methoden als Ein-Lehrziel-Verfahren eignen, greifen Projekte eher auf ganzheitlicher, mehrere Lehrziele aus unterschiedlichen psychischen Dimensionen [1] umfassenden und zeitlich umfangreicherer Ebene der Konzeptionen.
	Aus der Didaktik der Physik stammt das analytisch-synthetische Verfahren [1], das vergleichbar einem Projekt ganzheitlichen Anspruch auf Konzeptionsebene erhebt. Es geht von der Analyse eines Gerätes aus und führt über das Erschließen von Teilfunktionen in „mehreren methodischen Einheiten“ durch Nachbauen oder Modellierung zum Verständnis des Ganzen.

In allen Fällen jedoch ist das Vorgehen entweder an allgemeinen pädagogischen oder spezifisch naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen und nicht an fachspezifischem Technikhandeln orientiert: unterrichtliches Bemühen erschöpft sich im Erarbeiten bzw. Darbieten des Prinzips und muss nicht zwangsläufig die Realisierung, Verwendung oder Diskussion im gesellschaftlichen Zusammenhang beinhalten. Zudem fehlt dem analytisch-synthetische Verfahren die Abstraktionsebene, die eine Übertragung auf andere Naturwissenschaften, etwa die Biologie, in der Unterrichtspraxis erleichtern würde. Deshalb soll hier zur Diskussion eine Unterrichtsmethode einschließlich mehrerer Verfahrensvarianten nach dem Artikulationsmodell angeboten werden. Auch die Didaktik der Technik stellt eine Reihe von spezifischen bzw. adaptierten Unterrichtsmethoden zur Verfügung. Fachübergreifend sind:

	das Projektverfahren, allerdings abgeleitet von der ingenieurspezifischen Interpretation von „Projekt“, die sich nicht in der Idee, aber in der Umsetzung als Unterrichtsmethode von der der naturwissenschaftlichen Didaktiken unterscheidet,
	die Betriebserkundung, allerdings als Methode, nicht in der methodischen Enge eines Mediums wie im naturwissenschaftlichen Unterricht,
	die Fallstudie, und
	das Planspiel, beides methodische Formen, die aus dem wirtschaftswissenschaftlichen Bereich stammen und im naturwissenschaftlichen keine Entsprechung haben.

Fachspezifisch und an den einzelnen Kerntätigkeiten orientiert sind:

	die Konstruktionsaufgabe,
	die Fertigungsaufgabe,
	das Technische Experiment sowie
	die Produktanalyse – alle praxisorientiert, und
	der Lehrgang (in der Bedeutung eines zeitökonomischen Theoriekurses) [3]. Zur Verwendung im NT-Unterricht an Gymnasien werden sich selten die zeitlichen oder materiellen Rahmenbedingungen finden, typische Methoden des Technik-Unterrichtes umzusetzen – dazu bedarf es schon eines klar ausgewiesenen Faches Technik in der Hand von ausgebildeten Technik-Lehrern.

2.2 Die Methode in Artikulationsstufen

Als Konsequenz aus den oben diskutierten Vor- und Nachteilen soll nun eine an den Kerntätigkeiten und den erweiterten Tätigkeiten des Ingenieurs orientierte Methode vorgestellt werden, die gleichzeitig an den Unterricht in weiterführenden Schulen angepasst ist, weil sie ausbaufähige Grundfertigkeiten und –denkweisen vermittelt. Aus dem Bereich der Technik sind beide Bereiche, der allgemeintechnologische und der arbeitsorientierte, unbedingt nötig, um auch nur ansatzweise die Breite technischen Handelns mit seinen wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen Bezügen abzubilden (Tab. 1). Gleichzeitig soll das Hinarbeiten auf eine naturwissenschaftliche Abstraktion erhalten bleiben.

Kerntätigkeiten der Technik	Erweiterte Tätigkeiten aus dem soziotechn. System	Artikulationsstufen (Phasen) der technischen UM
Entwerfen	Diskussion (soziologische und ökologische Folgen)	1. Entwerfen und Konstruieren
Konstruieren
Planen
	Organisieren (Wirtschaft)	2. Beschaffen und Organisieren
	Beschaffen (Wirtschaft)
Realisieren		3. Fertigen
Messen		4. Testen und Optimieren
Prüfen
Testen
	Präsentieren (Wirtschaft und Didaktik)	5. Präsentieren

Tab. 1: Quellen für die Artikulationsstufen

Als drittes Kriterium sind die didaktischen Absichten unterzubringen, unterrichtliche Maßnahmen, die dem Erreichen kurz- und langfristiger Lehrziele dienen (Tab. 2), aus dem kognitiven, motorischen und affektiven Bereich. „Technik immer am konkreten technischen Objekt exemplarisch behandeln und daran das Allgemeine bewusst machen“ sei das Ziel von Technikunterricht, betont Schulte [3]. Deshalb kann das Ziel der Unterrichtseinheit auch als Projekt bezeichnet werden, da am Ende ein greifbares Produkt steht. Es bestehen naturgemäß Ähnlichkeiten zur Projektmethode, wie auch zur forschend-entwickelnden und zu problemorientierten Methoden. Mit fachlichen Zielen sind sowohl technisch-fachliche als auch naturwissenschaftlich-fachliche Ziele gemeint. Die folgende Methode kann als technisch-erfindende Methode oder als „technisches Normalverfahren“ bezeichnet werden.

Artikulationsstufe

Allg. fachliche Lehrziele

Didaktische Ziele

1. Entwerfen und Konstruieren

	Beschreibung des Bedürfnisses.
	Diskussion möglicher Auswirkungen des Produktes und der Fertigung (sozial, ökologisch).
	Aufstellen eines Anforderungs- oder Leistungskataloges.
	Schöpferische Tätigkeit.
	Anfertigen von einfachen Bauskizzen bis hin zu Konstruktionsplänen.
	Auswahl von Materialart und –qualität.

	Einführung in das Projektthema.
	Problemanalyse.
	Didaktische Reduktion des Problems
	Liefern/Erarbeiten von nötigem Fachwissen.
	Festlegen der Arbeitsweise (lehrer- oder schüler-zentriert) und der Arbeitsform(en) (Klassen-, Gruppen-, Einzelarbeit, arbeitsgleich oder –teilig).
	Fixierung des Planes.
	Vorfreude auf das Ergebnis.

2. Beschaffen und Organisieren

	Recherchieren von Bezugsquellen.
	Vergleich von Materialqualitäten und Preisen.
	Berechnen von Herstellungskosten.
	Aufstellen eines Fertigungsplanes.
	Aufstellen eines Entsorgungs- und Recycling-Planes
	„Fortbildung“: Erwerben nötiger Fertigkeiten.

	Aufstellen bzw. Bekanntgeben eines Zeitplanes.
	Aufgabenverteilung.
	Lehren bzw. Lernen neuer Fertigkeiten.
	Freude an der Kommunikation.

3. Fertigen

	Fertigen von Einzelteilen.
	Montage des Gesamtgerätes.

	Selbstbest. Arbeiten.
	Formen des soz. Lernens.
	Protokollieren.
	Freude an der Selbsttätigkeit.

4. Testen und Optimieren

	Messen.
	Funktionsprüfung an Einzelteilen oder Funktionsgruppen.
	Funktionsprüfung am Gesamtgerät.
	Vergleich der Leistungen mit dem Anforderungskatalog.
	Maßnahmen zur Optimierung (Verbesserung, Eichung, Bedienungsfreundlichkeit, Anleitung erstellen...).

	Anwenden aktueller Fertigkeiten.
	Anwendung von Grundwissen.
	Freude am erfolgreichen Gelingen.

5. Präsentieren

	Vorführen des Produktes: Anwenden, Pflege.
	Darstellung des eigenen Produktes (Vor-/Nachteile).
	Vergleich mit Konkurrenz-Produkten.
	Überlegungen zu einem Verkaufspreis.
	Werbemaßnahmen bzw. Darstellung nach Außen (Plakat, Ausstellung, Bildbericht...)

	Verbalisieren eigener Leistungen.
	Fachliche und fachüber-greifende Kommunikation.
	Diskussion der Lösung.
	Fixierung v. Ergebnissen.
	Abstraktion von Lösungsstrategien.
	Didakt. Rekonstruktion.
	Festigung erworbenen Wissens.
	Stolz auf das selbst hergestellte Produkt.
	Bewertung.
	Anknüpfungspunkt für folgenden naturwissen-schaftlich-fachlichen Un-terricht (Methodenwechsel).

Tab. 2: Didaktische und fachliche Ziele der Artikulationsstufen

Die Arbeitsformen werden in der Praxis je nach äußeren Bedingungen (Umfang und Organisationsform des Faches, Raumangebot der Schule, Klassengröße...) und methodischen Präferenzen des Lehrenden gewählt. Ein Beispiel für den Einsatz mehrerer Arbeitsformen in derselben Unterrichtseinheit findet sich in Abb. 4.

Abb. 4: Eine mögliche, zur technischen Methode passende, Sequenz von Sozialformen

3 Die Krone

Die Methodenvarianten können im gliedernden Bild als „Äste“ verstanden werden:

Die oben beschriebene technisch-erfindende Methodenvariante (Abb. 5, a) dürfte der Arbeitsweise von Ingenieuren am nächsten kommen: induktiv, projektartig, produktorientiert, mit einem balancierten Anteil an schöpferischer, lehrender, theoretischer und praktischer Tätigkeit aller psychischer Dimensionen. Sie erfordert in allen Phasen einen höheren zeitlichen und didaktischen, ggf. materiellen Aufwand. Es sind jedoch für niedrigere Anforderungsstufen [1] mehrere zeitlich weniger anspruchsvolle Varianten vorstellbar.
Die technisch-nachmachende Methode, Abb. 5 b geht nicht von einem Bedürfnis aus, sondern (deduktiv) von einem existierenden Gerät oder einer Maschine, deren Funktionsweise man verstehen möchte. Ergebnis ist eine vereinfachte, modellhafte Version des Gerätes, die aus dem Verständnis heraus selbst hergestellt wurde. Ziel ist neben der Funktionsweise oft ein gewisses Maß an Materialkunde oder das Erlernen von Bearbeitungsfertigkeiten (in Anlehnung an [16]). Die Phasen der Planung, Materialbeschaffung und die Testphase sind reduziert, wobei die Fertigung auch auf Modellebene die Schüler durchaus altersgemäß fordern sollte.
Die technisch-untersuchende Methode, Abb. 5 c, geht auch von einem Gerät aus, das hier aber zu reparieren wäre und dessen Funktionsweise man durch Untersuchung erlernen möchte. Das Ziel ist rein praktischer Natur, nämlich ein Alltagsgerät so weit zu verstehen, um einfache Reparaturen selber vornehmen zu können bzw. Bedienfehler zu vermeiden. Alle Phasen sind gleichmäßig auf eine mittlere Anforderungsstufe reduziert, es fehlen spezielle Betrachtungen zu Materialwahl und Bearbeitungsmethoden.
Bei der technisch-forschenden Methode (Abb. 5 d) geht man in induktiv-deduktiven Wechseln von einem funktionsfähigen (Mess)Gerät aus, dessen Funktionsweise man verstehen möchte, um eine naturwissenschaftliche Gesetzmäßigkeit oder ein Naturphänomen zu verstehen und ggf. quantitativ zu beschreiben. Ziel ist eine naturwissenschaftliche Erkenntnis. Diese Variante ist dem forschend-entwickelnden oder dem analytisch-synthetischen Verfahren am nächsten und erreicht in den theoretischen Teilen der Bereiche Planung und Präsentation hohe Anforderungsstufen.
Alle Varianten können als Arbeitsweise praktische Phasen beinhalten und sollten sie auch beinhalten, damit man noch mit Fug und Recht von Technikunterricht sprechen kann. Denkbar ist zwar auch die technisch-informierende Methode in Anlehnung an [16] als rein informierende Methodenvariante (Abb. 5, e); sie sollte allerdings nur aus didaktischen Notsituationen heraus oder in besonders begründeten Einzelfällen Anwendung finden, etwa wenn die Anforderungsstufe niedrig ist, oder dem Thema eine sehr untergeordnete Position in der eigenen Unterrichtsplanung zukommt, oder wenn bei Schülern viel Erfahrung mit dem Thema vorhanden ist, oder wenn im Fach und mit der Klasse schon wiederholt praktische Verfahren durchgeführt worden sind.

Abb. 5: Methodenvarianten im Vergleich. Die Zahlen bezeichnen die Artikulationsstufen wie in Tab. 2. a = techn.-erfindend, b = techn.-nachmachend, c = techn.-untersuchend, d = techn.-forschend, e = informierend.

4. Die Blüten

Umsetzung. Nach den Inhalten des (bayerischen) Lehrplans für Grundschulen (Primarstufe) sollte es einfach sein, die Schüler bei einem gewissen Stand des Technikwissens abzuholen, denn er bietet in fast vorbildlicher Weise eine Reihe von Inhalten, auf die Lehrenden der weiterführenden Schularten zurückgreifen könnten (Tab. 3).

LP-Nr.	Kurzbeschreibung des geforderten Inhaltes
1.2.3	Materialien: Metall, Kunststoff, Glas, Holz, Papier, Stein..., einschließlich typische Nutzung auf Grund von Eigenschaften.
1.3.3.	Mit mechanischem Spielzeug spielen und Funktionen erkennen; eine Funktion erkunden: Rolle, Hebel oder einfacher Antrieb; ein Modell bauen.
1.7.2	Erfahrungen mit Luft: spielerisch umgehen (Samenflug, Fallschirm...); einfache Spielzeuge bauen: Windräder, Flugobjekte, Segelschiffe.
2.6.1	Uhr und Uhrzeit: Verschiedene Uhren betrachten und erproben; relative Zeitmesser bauen und erproben: Kerzen-, Sand-, Wasseruhr.
2.7.3	Einfluss verschiedener Temperaturen auf Materialien und Stoffe untersuchen / prüfen: Ausdehnen, Verformen, Verfestigen...
3.4.3	Möglichkeiten der Arbeitserleichterung in einem erkundeten Betrieb; Entwurf, Bau und Erprobung einfacher Kräne, Seilwinden...; Veränderungen in der Arbeitswelt...: Automaten machen Berufszweige überflüssig...
3.7.2	Spielzeug mit Permanentmagnet untersuchen, einen Magnetkompass, einfachen Stromkreis, Elektromagneten bauen und anwenden (Modellampel...)
3.7.4	Technische Entwicklung im Wandel der Zeit: am Beispiel Heiztechnik oder elektrischer Gebrauchsgegenstand.
4.7.1	Ausgangsstoffe und –materialien: Metall schmelzen, in Formen gießen; Material-, Zeit-, Energie- und Arbeitsaufwand bei der Herstellung festhalten.
4.7.2	Kreislauf eines industriell gefertigten Produkts: Herstellung bis zum Endprodukt verfolgen (in Zusammenhang mit der Erkundung); Verpackung, Lagerung, Produktionsaufwand, Umweltschutz.

Tab. 3: Beispiele für technisch orientierte Inhalte im LP für bayerische Grundschulen [17] aus unterschiedlichen Jahrgangsstufen.

Allerdings besteht in der Praxis eine erhebliche Diskrepanz zwischen Lehrplaninhalten und den Erfahrungen, die z.B. Schüler in der Jgst. 5 tatsächlich (noch) parat haben. Die Ursachen hierfür liegen sicherlich in der mangelhaften Ausbildung der Grundschullehrer im naturwissenschaftlichen (die Fächer Chemie oder Physik werden fast gar nicht, Biologie manchmal als Studierfach irgendeines Niveaus belegt) und der fehlenden Ausbildung im technischen Bereich. Damit verbunden ist eine aus welchen Gründen auch immer fehlenden Wertschätzung für diese Inhalte in der Konkurrenz zu Satzanalyse und Rechenübungen.

4.1 Beispiel für die technisch-nachmachende Methode

Eine methodische Formulierung dieses unterrichtlichen Handelns ist von Weltner aus der Physik heraus schon gemacht worden, unterscheidet sich aber von den hier vorgestellten Phasen durch die typischen Sichtweise des Naturwissenschaftlers [18]. Der Inhalt, die Fertigung eines Barometers aus Alltagsgegenständen, ist ein altbekanntes Beispiel für eine Basteltätigkeit. Im WWW finden sich Anleitungen, z.B. aus Australien [19] und USA [20,21], stets im Zusammenhang mit meteorologischer Messwerterfassung, vermutlich des Erdkunde-Unterrichts. Denselben Inhalt kann man in den Dienst des fach-übergreifenden Unterrichtes unter Einbezug der Technik stellen. Ausgangssituation: Jahrgangsstufe 5, Erfahrungen mit Luft sind bekannt (Luft braucht Platz, Luft dehnt sich aus, Stoffeigenschaft: Luft kann man zusammendrücken).

Artikulationsstufe

Aktivitäten

1. Entwerfen und Planen

Diskussion: Wozu braucht man ein Barometer im Haus?
Man geht von einem kommerziellen Barometer aus: evakuierte Dose, Hebelmechanismus, Zeiger, Justier- und Eichschrauben, Skala, Gehäuse. Man untersucht gemeinsam die Funktion der einzelnen Teile.
Wiederholen von dienlichen Grundlagen aus der Grundschule, z.B. Luft braucht Platz (Kompressibilität von Gasen).
Der Lehrer stellt Bauteile heraus, die vereinfacht oder weggelassen werden können: Luft statt Vakuum, einfacher, langer Hebel statt kompakte Bauform, gleichzeitig mit Zeigerfunktion statt Übertragung der Bewegung über eine sich drehende Achse, Brett statt Gehäuse. Dazu gehört auch die Diskussion über die Materialien: Glas und Kunststoff statt Metall...
Man fertigt gemeinsam eine einfache Strichskizze der für die Funktion unbedingt erforderlichen bzw. im Modellgerät noch benötigten Teile an.
Man sucht gemeinsam nach Gegenständen aus dem Alltag, die sich als Ersatz eignen: starres Glas für die Büchse, Luftballon für die Membran, Strohhalm für den Hebel und Zeiger, Pappe für die Skala.
Man überlegt gemeinsam, wie sie zusammengefügt werden könnten: binden, kleben, unterschiedliche Klebeverfahren und -stoffe (Klebefilm, Klebstoffe).
Es wird geklärt, ob Verschönerungsmaßnahmen berücksichtigt werden sollen. Zeit: 90 Minuten (ggf. einschließlich 2b).

2. Beschaffen und Organisieren

Die erforderlichen Gegenstände werden besorgt: Glas aus der Küche, Luftballon und Strohhalm aus dem Supermarkt, Klebefilm aus dem Bürobedarf, Pappe aus dem Haushalt, Klebstoff und Holz aus dem Bastelladen oder der Werkstatt.
Eine Fertigungsreihenfolge wird in Form einer Anleitung entwickelt und festgelegt.

Zeit: 45 Minuten (ggf. außerhalb des Unterrichts).

3. Fertigen

Fertigung als Hausaufgabe oder im Arbeitsraum.

Zeit: 90 Minuten (ggf. außerhalb des Unterrichts).

4. Testen und Optimieren

Schüler erfahren die erste Rückmeldung über die Qualität ihrer Arbeit. Fehler werden gemeinsam erkannt und abgestellt.
Schüler vergleichen immer noch existierende bauliche Unterschiede: Glasgröße, Strohhalmlänge, Luftballonmaterial... Es können sich Fragen ergeben, die forschend geklärt werden könnten:

Welchen Einfluss haben die Unterschiede auf die Funktion(sfähigkeit) des Gerätes?

Gibt es eine optimale Kombination?

Schüler beobachten das funktionsfähige Gerät über einen Zeitraum von 2-5 Tagen.
Schüler eichen ggf. ihr Gerät am Schulbarometer und ver-gleichen die Werte über mehrere Tage.

Zeit: für a, b, d 90 Minuten.

5. Präsentieren

Schüler stellen die Vorteile ausgewählter Konstruktionen und Verbesserungen vor, die sie in 4. gegenüber der ursprünglichen Anleitung aus 2. vorgenommen haben.
Bewertungsphase für den Lehrer: Kreativität, Ausdauer, Exaktheit der manuellen Umsetzung, Durchdringungsgrad der Grundlagen, Geschick des Präsentierens.
Eine Ausstellung im Schulhaus wird vorbereitet. Fragen zur Weiterführung oder Erfolgskontrolle:

Was wäre wenn man statt eines Brettes Pappkarton als Unterlage (Gehäuse) verwendet hätte?

Was wäre wenn man einen geknickten Trinkhalm verwendet hätte?

Warum darf der Trinkhalm nur bis zur Mitte der Membran reichen?

Wie wirkt sich die Luft im Glas gegenüber einer evakuierten Dose aus? Wie könnte man den Temperatureffekt kontrollieren? Zeit: eine bis mehrere Stunden, je nach Präsentationsrahmen

Tab. 4: Beispiel für den technisch-nachmachenden Unterricht

Was haben die Schüler gelernt?

Mit mechanischen Messgeräten muss man sorgsam umgehen. Montageschrauben unterscheiden sich von Eichschrauben.
Ein selbstgebautes, vereinfachtes Gerät hat Modellcharakter. Die sich einschleichenden Fehler müssen bekannt sein.
Die Art des Materials bestimmt die Art und Weise der Fertigung, den Preis und die Qualität des Produktes.
Nur sorgfältiges, bewusstes Arbeiten führt zu einem befriedigenden Ergebnis.
Luft zieht sich bei Druck oder Temperaturabfall zusammen.
Zeiger sind oft Hebel, die winzige Bewegungen sichtbar machen.

4.2 Beispiel für die technisch-forschende Methode

Die Aufgabe besteht darin, ein Leichtlauffahrzeug zu bauen. Methodische Verwandtschaft besteht zum forschend-entwickelnden Unterricht. Die Idee stammt aus dem Activity-Center von Legoland Billund, 1998 und ist auch von Legoland Deutschland in Günzburg übernommen worden. Ausgangssituation: Jahrgangsstufe 5, die Grundelemente eines Fahrzeuges sind aus dem Alltag bekannt (Räder, Achsen, Rahmen). Hypothesen zur Verlängerung der Rollstrecke sind ebenfalls aus dem Alltag vorhanden. Lehrziele: Alltagshypothesen auf ihre Tragweite überprüfen, verifizieren oder falsifizieren.

Artikulationsstufe

Aktivitäten

1. Entwerfen und Planen

Die Aufgabe wird formuliert: Baue ein Fahrzeug, das an einer schiefen Ebene ausgelöst, möglichst weit rollen soll.
Die Grundelemente eines Fahrzeuges werden angeordnet. Hier werden die ersten Entscheidungen gefällt: Drei- oder Vierrad? Zwei-, drei- oder vierachsig? Rahmen- oder Plattenträger?
Die Dimensionen des Fahrzeuges werden festgelegt: nimmt man die längsten verfügbaren oder die kürzestmöglichen Balken? Große, breite oder kleinere, schmale Räder?
Die Entscheidungen fallen oft spontan auf Grund von (übernommenen?) Alltagshypothesen und getrieben vom Durchsetzungsvermögen des Vertreters: „je schwerer, desto weiter“, „je leichter, desto weiter“, „je größer die Räder, desto weiter“, „je niedriger das Fahrzeug, desto weiter“...
Eine Skizze für Details kann gefertigt werden, z.B. das Anbringen der Achse und der Räder.

Auch wenn das Thema als Teil einer Lernzirkel-Anordnung verwendet werden sollte, sollten mindestens zwei Gruppen gleichzeitig dieselbe Aufgabenstellung erhalten, damit Kommunikation aus der Gruppe heraus und ein gewisses Maß an Wettbewerb gesichert sind.

Zeit: 10 Minuten.

2. Beschaffen und Organisieren

Da LEGO eingesetzt wird, entfällt die Materialauswahl und -beschaffung. In einer „Bastelkiste“ findet sich ein Pool von grundsätzlich geeigneten Bauelementen: verschieden große Räder, unterschiedlich lange Achsen, Balken, Platten, Kleinteile zum Kuppeln und Befestigen. Zeit: 5 Minuten, hauptsächlich zum vertraut werden mit den zur Verfügung stehenden Teilen.

3. Fertigen

Fertigung ist auf Grund des gerasterten Steckprinzips in sehr kurzer Zeit möglich.

Zeit: 5 Minuten.

4. Testen und Optimieren

Das Fahrzeug wird an einer schiefen Ebene das erste Mal getestet, die Fahrstrecke gemessen. Als Zielorientierung gilt eine „Erfahrungsmarke“ vorheriger Unterrichtseinheiten, z.B. 4m. Die Erbauer erfahren die erste Rückmeldung über die Qualität ihrer Arbeit gemessen an der „Erfahrungsmarke“ oder dem Ergebnis der Parallelgruppe(n). Verbesserungen werden in der Gruppe diskutiert und umgesetzt. Es entstehen erste Bewertungen der Alltagshypothesen: waren die Annahmen richtig oder falsch?
Das Fahrzeug wird ein zweites Mal getestet. Die Erbauer erfahren die Wirkung ihrer Verbesserungsmaßnahmen bzw. die Qualität ihrer Hypothesen. Weitere Optimierungen werden in der Gruppe diskutiert und umgesetzt. Es entstehen erste aus der Erfahrung begründete Theorien über die Wirksamkeit von Maßnahmen bzw. Konstruktionsprinzipien.

Zeit: 25 Minuten.

5. Präsentieren

Schüler führen ihr Optimalmodell dem Lehrer bzw. anderen Schülergruppen vor.
Schüler erläutern die „entdeckten“ Konstruktionsprinzipien sowie die Erfahrungen, die dazu geführt haben:

Je leichter, desto weiter.

Je schmaler die Räder, desto weiter.

Je weniger Spiel an Achsen und Rädern, desto weiter...

Abstraktion der gewonnenen Erkenntnisse und zurückführen auf fachliche Größen und Gesetzmäßigkeiten (Reibung, Hebel, Trägheit, Masse, Beschleunigung, Geschwindigkeit...) in altersgemäßer Fachsprache.
Fixierung ggf. als freies Protokoll.
Eine Ausstellung im Schulhaus wird vorbereitet. Fragen zur Weiterführung oder Erfolgskontrolle:

Welchen Einfluss könnte der Untergrund auf die Fahrstrecke haben? Bsp.: Teppichboden, Fliesen, Glatt-PVC.

Welche Bausteine müsste LEGO erfinden, um noch längere Fahrstrecken zu ermöglichen? Ziele z.B. Kugellager oder Schwungscheibe.

Zeit: eine bis mehrere Stunden, je nach Präsentationsrahmen und Anforderungsstufe für behandelte Fachbegriffe.

Tab. 5: Beispiel für den technisch-forschenden Unterricht

Was haben die Schüler gelernt?

Annahmen müssen systematisch überprüft werden. Die Schlüsse aus der Überprüfung können Annahmen bestätigen oder Widerlegen.
Testbedingungen für dieselbe Aufgabenstellung sollten für alle Konkurrenten gleich sein: dieselbe schiefe Ebene, derselbe Bodenbelag.
Gesetze können auch aus der Erfahrung (nicht nur aus theoretischen Hypothesen) abgeleitet werden. Sie müssen aber systematischer Überprüfung stand halten.
Nur bewusstes, auf Abstraktion ausgerichtetes Experimentieren führt zu effektiven Schlussfolgerungen.
Hohe Masse erhöht Reibungsverluste. Günstiger Einfluss von Trägheit wird durch Erhöhung der Reibung wieder aufgehoben bzw. überkompensiert.
Große Kontaktflächen erhöhen Reibungsverluste.

4.3 Beispiel für die technisch-erfindende Methode

Ausgangssituation: die Schüler sind mit dem LEGO-Bauprinzip vertraut und haben Erfahrung mit Bausteinen aus der LEGO-Technik-Reihe. Je nach Alter oder Lehrziel lassen sich unterschiedlich komplexe Aufgabenstellungen (Bedürfnisse) formulieren. Jahrgangsstufen ab 7 scheinen in der Breite geeignet, aber auch besonders leistungsfähige oder erfahrene Gruppen aus der Jahrgangsstufe 5 im differenzierten Unterricht. Lehrziel: Einsetzen von Vorwissen und Kreativität im Dienst einer Aufgabenstellung, z.B. dem Erfinden eines Anschlagmechanismus für eine Glocke.

Artikulationsstufe

Aktivitäten

1. Entwerfen und Planen

Das Bedürfnis wird formuliert: wir benötigen einen Mechanismus zum Anschlagen der Schulglocke, der sich grundsätzlich auch für elektrischen Antrieb eignen soll.
Die Dimensionen werden festgelegt: es soll mit Hilfe von LEGO ein Modell gebaut werden, das ein kleines Glöckchen anschlagen kann.
Das Bedürfnis wird analysiert: was für Einflüsse auf Umwelt oder Arbeitswelt sind zu erwarten?
Die Aufgabe wird in Teilschritte zerlegt: ein elektrischer Antrieb würde Drehbewegung liefern, das Anschlagen erfordert Pendelbewegung. Die Drehbewegung wird zunächst über eine Kurbel ausgeführt realisiert.
Ideen zur Umwandlung werden gesucht. Arbeitsgleiches Vorgehen in Einzelarbeit: Jedes Gruppenmitglied fertigt per Hand eine Strichskizze von seiner persönlichen Umsetzungsidee. Danach diskutiert die Gruppe und wählt die Erfolg versprechendste Idee zur Umsetzung aus.

Auch wenn das Thema Teil einer Lernzirkel-Anordnung ist, sollten mindestens zwei Gruppen gleichzeitig dieselbe Aufgabenstellung erhalten, damit unterschiedliche Lösungen zustande kommen können und ein gewisses Maß an Wettbewerb gesichert ist. Zeit: 20 Minuten.

2. Beschaffen und Organisieren

Da LEGO eingesetzt wird, entfällt die Materialauswahl und -beschaffung. In einer „Bastelkiste“ findet sich ein Pool von grundsätzlich geeigneten Bauelementen: verschieden große Zahnräder, Riemen und Riemenscheiben, Achsen, Balken, Platten, Excenter, Kleinteile zum Kuppeln und Befestigen, eine Grundplatte. Geeignet sind auch die LEGO Explore-Kästen Nr. 9645 (Mechanik II) oder Nr. 9665 (Mechanik III) [22]. Zeit: 5 Minuten, hauptsächlich zum vertraut werden mit den zur Verfügung stehenden Teilen.

3. Fertigen

Fertigung ist auf Grund des gerasterten Steckprinzips in relativ kurzer Zeit möglich. Der Lehrer gibt Hilfestellung bei der schwierigen Umsetzung von Strichzeichnung zur Konstruktion. Zeit: 20 Minuten.

4. Testen und Optimieren

Der Mechanismus wird an einem aufgehängten Glöckchen getestet. Die Erbauer erfahren die erste Rückmeldung über das Zusammenspiel der Einzelteile, die sie gemäß der Eingangsskizze zusammengebaut haben.
Verbesserungen werden in der Gruppe diskutiert und umgesetzt. Auf Grund des erfindenden Charakters der Arbeit ist ein größerer Zeitrahmen erforderlich.

Zeit: 30 Minuten.

5. Präsentieren

Schüler führen ihr Optimalmodell dem Lehrer bzw. anderen Schülergruppen vor. Dabei gehen sie besonders auf ihre besondere Art der Lösung der Anforderungen ein.
Schüler debattieren ihre Lösung in Werbeform. Der Lehrer spielt die Rolle eines möglichen Produzenten für die Erfindung.
Der Lehrer abstrahiert die gewonnenen Erkenntnisse und führt sie zurück auf fachliche Gesetzmäßigkeiten und Bauprinzipien (Getriebe, Übersetzung, Bewegungsformen, spezielle Bauteile, ...) in altersgemäßer Fachsprache, ggf. in gesonderten, folgenden Unterrichtseinheiten.
Fixierung ggf. als freies Protokoll.
Eine Ausstellung im Schulhaus wird vorbereitet.

Aufgaben zur Weiterführung oder Erfolgskontrolle:

	Ersetze den Kurbelantrieb durch einen Motor und nötige Übertragungsteile.
	Wie lässt sich die Anschlagfrequenz beeinflussen? (Übersetzungsverhältnis)
	Wie ließe sich die Lautstärke dämpfen? (Belag)
	Wie ließe sich eine bestimmte Anzahl von Schlägen realisieren? (Programmierung).

Zeit: eine bis mehrere Stunden, je nach Präsentationsrahmen und Anforderungsstufe für behandelte Fachbegriffe.

Tab. 6: Beispiel für den technisch-erfindenden Unterricht

Schüler haben u.a. gelernt:

Ich bin in der Lage, etwas Neues zu erfinden.
Erfinden in der Gruppe macht Spaß und führt weiter als allein.
Grundlegende Bewegungsformen sind Drehen und Pendeln. Sie können ineinander überführt werden.
Zum Festlegen bestimmter Drehzahlen oder Pendelfrequenzen dienen Getriebe.
Es gibt mehrere Lösungen für ein und dieselbe Aufgabe, wobei die ideale Lösung selten ist. Jede reale Lösung hat Vor- und Nachteile.
Ausgewählt wird durch Diskussion und abhängig von der jeweiligen Einsatzanforderung.
Ich kann andere von meinem Produkt überzeugen.

5. Die Früchte

Erhoffte Leistungen. Was den Didaktiker von naturwissenschaftlichen Fächern an Technik-Anteilen fasziniert, ist zunächst die gute Umsetzbarkeit von didaktischen Prinzipien wie Produktorientierung, Selbsttätigkeit, Alltagsorientierung und oft Schülergemäßheit – lauter Anforderungen eines schülerzentrierteren modernen Unterrichtes. In der Praxis fällt es auf, dass sich auch erfahrene Lehrer naturwissenschaftlicher Fächer teilweise schwer tun, sich von Lehrerzentrierung zu lösen und Teile des Unterrichtsgeschehens in die Hand der Schüler zu übertragen. Sicherheitsbestimmungen, Mangel an theoretischer Fundierung oder praktischer Erfahrung auf Schülerseite werden oft ins Feld geführt. Die Beschreibung von Unterrichtsmethoden wie forschend-entwickelnd, historisch-problemorientiert oder der Projektmethode hat durch ihre Existenz allein nicht wesentlich zu einer Öffnung des Unterrichts beigetragen. Auch mit der Beschreibung der technischen Methode ist nicht der endgültige Durchbruch zu erwarten, doch die Hoffnungen liegen in einer Steigerung der Akzeptanz von Selbsttätigkeit und Produktorientierung. In der Folge könnten diese Prinzipien auch in den fachlichen Chemie-, Physik oder Biologie- und Informatikunterricht einziehen.

Nicht zuletzt unterscheidet sich die Denkweise und der Auftrag eines Technikers deutlich von der bzw. dem des Naturwissenschaftlers. Eine fruchtbare Zusammenarbeit zwischen diesen Disziplinen kann nur aus einem grundlegenden Verständnis für Unterschiede und Gemeinsamkeiten erwachsen. Die fehlende fachliche Differenzierung in der Unter- und Mittelstufe (Sekundarstufe I) ist eher als Chance denn als konzeptioneller Mangel zu sehen. Sie erwächst aus der vorfachlichen Erziehung und macht letztendlich die Notwendigkeit fachlicher Spezialisierung in einem geeigneten Alter erst plausibel. Allerdings sollte der Fachunterricht in allen Fällen in der Sekundarstufe II auf das Erreichte aufsetzen, um dann später auf nochmals höherer Ebene interdisziplinäres Denken und Handeln zu begründen.

Auf internationaler Ebene werden Standards für eine technische Grundbildung diskutiert [23]. Dabei wird deutlich, dass sich viele der Standards auch dann realisieren lassen würden, wenn mit dem nötigen Verständnis geeignete Inhalte und Methoden in Lehrpläne bestehender Fächer (Natur und Technik, Werken, P/C/B...) integriert würden. Ob das nach amerikanischem Vorbild erfolgen soll, ist allerdings zu bezweifeln.

Erfahrungen. Die beschriebenen Beispiele für das technisch-forschende und technisch-erfindende Verfahren sind bis zur Drucklegung mit 5 Klassen der Jgst. 5 und 6 am Lernort Universität im Rahmen des Projektes „Chemie vernetzt Naturwissenschaften und Technik“ (C#NaT) [24] erprobt worden. Ziel war es, Erkenntnisse über altersabhängige Lernschwierigkeiten und die Zuordnung zu Schwierigkeitsgraden zu erhalten. Aufgaben:

Schwierigkeitsstufe 1: Bauen von Laufmaschinen nach original LEGO-Anleitung, anschließend Untersuchen von Teilfunktionen.
Schwierigkeitsstufe 2: Optimieren eines Autos. Das an sich bekannte Prinzip eines Autos wird auf Leichtlauffunktionen optimiert: es soll auf einer schiefen Ebene beschleunigen und möglichst weit kommen.
Schwierigkeitsstufe 3: Erfinden einer Anschlagmaschine für eine Glocke. Dabei muss Dreh- in Pendelbewegung umgewandelt werden.

Von den 144 Schülern waren 70 weiblich. Davon hatten 22 (31%) Erfahrungen mit LEGO technik, von den männlichen Schülern 50 (68%). Beide Geschlechter trauten sich gleichermaßen (durchschnittlich 3-4 Schüler/innen) die Lösung der höchsten Schwierigkeitsstufe zu. Mädchen gehen geplanter vor und erreichen zielgerichteter das Ergebnis. Bei Erfolg oder Misserfolg reagieren Mädchen extremer (Erfolg: Jubel bei besseren Werten als Jungen bzw. „Und dann sagt man immer ‚Frau und Technik’“. Misserfolg: „Die (Steine) halten nicht.“) Jungen gehen gewagtere Konstruktionen an, kommen aber in der zur Verfügung stehenden Zeit oft nicht zu wesentlich besseren Ergebnissen. Die beste Abstraktion zur Konstruktionsregeln liefern die Jungen („Eigentlich reicht eine Achse mit zwei Rädern“).

Die Gruppe der Unerfahrenen hat Probleme beim Umsetzen der LEGO-Bauanleitung: es fehlt an Vorgehensplanung (erst Teile für den Bauabschnitt heraussuchen, dann verbauen), an Orientierung („Achse in das fünfte Loch von links“ bzw. spiegelverkehrte Lösungen) und Fehlersuchstrategien. Alle drei Fertigkeiten könnten mit wenigen Stunden LEGO dacta, unterstützt durch das Lehrerbegleitmaterial, erreicht werden. Daran kann sich fachliche Ausformung in Physik, Chemie oder Informatik anschließen.

Eine wissenschaftliche Evaluierung steht aus. Die Frage, ob die Methode zu einer erhöhten Aufgeschlossenheit gegenüber technischen und naturwissenschaftlichen Inhalten führt, wäre in einer langfristigen Untersuchung zu klären und von großem Interesse – die gerade empfundene Begeisterung steht den Kindern jedenfalls ins Gesicht geschrieben. Die Ziele von C#NaT sind eher affektiver, nicht methodischer Natur, so dass Aussagen zur praktischen Handhabbarkeit der Methode im Schulalltag zunächst nur zufällig entstehen. Breite Erfahrungen in skandinavischen Ländern lassen Nachhaltigkeit auch für deutsche Schüler vermuten.

Autorendaten: Walter Wagner ist Fachvertreter für Didaktik der Chemie an der Universität Bayreuth. Schwerpunkte seiner Arbeit sind die Aufbereitung lebensmitteltechnologischer Themen für den Unterricht, die Erstellung von Unterrichtsmedien, vor allem Lehrprogramme, und die Konzeption von offeneren Experimentieranleitungen. Anschrift: Didaktik der Chemie, NW2, Universität, 95440 Bayreuth, Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de.

Service

	die Abb. in Farbe und animiert, ppt 182k
	mehr Abb., Folien zu einem Vortrag von 90 Minuten, ppt 3,27M

[1]	Die verwendete fachdidaktische Terminologie entspricht den Vereinbarungen der Arbeitsgemeinschaft Bayerischer Chemie-Didaktiker (ABayCD) wie sie festgelegt sind unter: http://www.uni-bayreuth.de/departments/abaycd/lexikon/0_einfuehrung.htm
[2]	Lehrplan für Gymnasien in Bayern, Fach Natur und Technik http://www.isb.bayern.de/gym/nt/index.htm, 24.01.2004
[3]	Schmayl, W.; Wilkening, F.: Technikunterricht. Klinkhardt, Bad Heilbrunn, 2. Auflage, 1995.
[4]	Ropohl, G.: Technik als Bildungsaufgabe allgemeinbildender Schulen. In: Traebert, W. E.; Spiegel, H.-R. (Hrsg.): Technik als Schulfach, Bd. 1, S. 7-24.
[5]	Sachs, B.: Legitimation und Strukturen von Technikunterricht. In: Traebert, W. E.; Spiegel, H.-R. (Hrsg.): Technik als Schulfach, Bd. 4, S. 51-69.
[6]	Traebert, W. E.: Auswahlkriterien für Lehr- und Lerninhalte des Technikunterrichts. In: Traebert, W. E.; Spiegel, H.-R. (Hrsg.): Technik als Schulfach, Bd. 1, S. 53-74.
[7]	Der Brockhaus multimedial 2001 Premium. Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, 2001.
[8]	Mengert, R. In: Traebert, W. E.; Spiegel, H.-R. (Hrsg.): Technik als Schulfach, Bd. 4, S. 1-10.
[9]	KMK: „Entwurf einer Vereinbarung zur Neugestaltung der gymnasialen Oberstufe in der Sekundarstufe II“
[10]	Biester, W.: Zur Ausprägung intelligenten Verhaltens durch die Auseinandersetzung mit technischen Sachverhalten. In: Traebert, W. E.; Spiegel, H.-R. (Hrsg.): Technik als Schulfach, Bd. 1, S. 25-39.
[11]	Glöckel, H.: Vom Unterricht. Klinkhardt, Bad Heilbrunn, 3. Auflage, 1996.
[12]	Flintjer, B.; Jansen, W.: Die Arbeiten von Clément und Désormes – eine historisch-problemorientierte Unterrichtskonzeption zum Thema Schwefelsäure. MNU 42, 1989, S. 87ff.
[13]	Thiemann, F.; Peper, R.; Fickenfrerichs, H.; Jansen, W.: „Luft und Sauerstoff“ nach dem historisch-problemorientierten Unterrichtsverfahren. NiU-Chemie 11, 2000, S. 9ff.
[14]	Schmidkunz, H.; Lindemann, E.: Das forschend-entwickelnde Unterrichtsverfahren. Westarp-Verl., Essen 1992.
[15]	Pfeifer, P. et al. (Hrsg.): Konkrete Fachdidaktik Chemie, Oldenbourg, München 2002.
[16]	Füssel, M.: Naturwissenschaft und Technik. Überschneidungen und Abgrenzungen aus technikdidaktischer Sicht. In: Traebert, W. E.; Spiegel, H.-R. (Hrsg.): Technik als Schulfach, Bd. 4, S. 79-105.
[17]	Lehrplan für Grundschulen in Bayern, http://www.isb.bayern.de/isb/index.asp ?MNav=3&QNav=4&TNav=0&INav=0&Fach=&LpSta=6&STyp=1, 15.12.2004
[18]	Weltner, K.: Technik und naturwissenschaftlicher Unterricht, MNU 24. Band, Heft 2, 1971, 56-75.
[19]	http://www.bom.gov.au/lam/Students_Teachers/Worksheet6.shtml, 29.11.2004
[20]	http://www.sciencenorth.on.ca/discoverycamp/barometer.htm, 29.11.2004
[21]	http://media.nasaexplores.com/lessons/04-063/5-8_2.pdf, 29.11.2004
[22]	Bezugsquelle: Fa. LPE Technische Medien GmbH, Schwanheimer Str. 27, 69412 Eberbach. http://www.technik-lpe.com/, Pfad LEGO Schulprogramm, 29.11.2004
[23]	Höpken, G.; Osterkamp, S.; Reich, G. (Hrsg.): Standards für eine allgemeine technische Bildung. Neckar-Verl., Villingen-Schwenningen 2003.
[24]	C#NaT: http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/cnat/einfuehrung.htm, 26.01.2004

Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 15.12.04