Naturwissenschaftsdidaktisches Experiment

Begriff, Bedeutung und Ziele

Naturwissenschaftsdidaktische Experimente (NwdE) sind Experimente, Versuche oder Untersuchungen zur Vermittlung bereits bekannter naturwissenschaftlicher Kenntnisse in Schule, Hochschule und Berufsausbildung. Anders als in der Forschung sollen sie normalerweise keine genuin neuen Erkenntnisse gewinnen. Sie helfen Lernenden, naturwissenschaftliche Phänomene zu verstehen und typische Arbeitsweisen der Naturwissenschaften einzuüben.

Die Bedeutung von Experimenten unterscheidet sich zwischen den Fächern: In Chemie und Physik sind sie besonders wichtig, im Biologieunterricht werden sie vergleichsweise selten eingesetzt. Die Fächer fördern dabei unterschiedliche Fähigkeiten: Biologie betont gezieltes Beobachten und Vergleichen, Chemie verfahrensbasierte Tests und Physik den technisch-konstruktiven Aufbau einer Messapparatur. Insgesamt fördern NwdE das Verständnis experimentell-naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen.

Die Kultusministerkonferenz nennt Beobachten, Vergleichen, Experimentieren und Modellieren als fachgemäße Arbeitsweisen zur Erkenntnisgewinnung. Für die Bildungsstandards, besonders in der Sekundarstufe II, müssen in Biologie, Chemie und Physik Experimente unter Beachtung rechtlicher Vorgaben durchgeführt werden.

Experimentieren gehört zur naturwissenschaftlichen Grundbildung (Scientific Literacy). In den PISA-Rahmenkonzepten wird es als prozedurales Wissen verstanden, also als Wissen über Vorgehensweisen. Für PISA 2025 wurden die Teilkompetenzen zum Planen und Bewerten von Untersuchungen sowie zum Interpretieren von Daten zusammengeführt: „Entwürfe für naturwissenschaftliche Untersuchungen erstellen und bewerten sowie naturwissenschaftliche Daten und Evidenz kritisch interpretieren“. Nach Hodson kann Experimentieren konzeptuelles Lernen, Methodenlernen, Lernen über das Wesen naturwissenschaftlichen Wissens und die Behandlung gesellschaftlich relevanter naturwissenschaftlicher Themen ermöglichen.

Arbeitsweisen und Ablauf

Zu den wichtigen Arbeitsweisen gehören Vermuten und Prüfen, Beobachten oder Messen, Protokollieren, Zeichnen oder Erstellen von Diagrammen sowie Modellieren oder Mathematisieren. Nicht immer übernehmen Lernende alle Schritte selbst; etwa können Hypothesen vorgegeben sein.

Der Ablauf eines Experiments umfasst drei wesentliche Schritte:

• Zuerst werden Fragestellungen und Hypothesen entwickelt. Fragestellungen grenzen den Untersuchungsbereich weit ein. Hypothesen sind konkrete, begründete Vorhersagen auf Grundlage von Theorien, Modellen oder Daten. Sie müssen so formuliert sein, dass das Experiment sie widerlegen kann.
• Danach wird ein passendes Experiment geplant und durchgeführt. Dabei werden die ablaufenden Vorgänge genau beobachtet.
• Schließlich werden Daten protokolliert, aufbereitet und ausgewertet, beispielsweise durch Rechnungen, grafische Darstellungen oder Reaktionsgleichungen. Die Ergebnisse werden theoretisch interpretiert und auf die Fragestellung bezogen. Dadurch können Hypothesen bestätigt oder widerlegt werden.

Lernende haben dabei häufig Schwierigkeiten, vor allem beim Formulieren von Hypothesen, beim Planen von Experimenten und beim Interpretieren von Daten. Als Ursache wird oft ein mangelndes Verständnis erkenntnistheoretischer Zusammenhänge und experimenteller Arbeitsweisen genannt.

Beobachten, Protokollieren und Offenheit

Beobachten ist eine zentrale und anspruchsvolle Tätigkeit: Es bedeutet nicht bloßes Hinsehen, sondern das zielgerichtete, genaue und differenzierte Wahrnehmen typischer Merkmale und Veränderungen an Gegenständen, Lebewesen oder Erscheinungen. Lernende sollten dafür sorgfältig angeleitet werden, etwa durch eine Beobachtungsaufgabe oder einen Beobachtungsfokus. Dieser richtet die Aufmerksamkeit auf die Hauptbeobachtungen. Wichtig ist die Unterscheidung zwischen Beobachtung und Interpretation: Beobachtete Ergebnisse sollen nicht mit Vorwissen vermischt werden. Dokumentiert werden Beobachtungen zum Beispiel schriftlich, durch Fotos, Comics oder Videos.

Das Versuchsprotokoll hält ein Experiment schriftlich fest, meist in ganzen Sätzen und Fachsprache. Im schulischen Kontext beschreibt es normalerweise ein einzelnes Experiment. Seine Struktur ist je nach Fach unterschiedlich; grundlegend enthält es Fragestellung oder Thema, Materialien, Versuchsdurchführung, Beobachtung und Auswertung. Besonders die Auswertung verlangt, Beobachtungen mithilfe des Vorwissens kognitiv zu verarbeiten.

Offenheit beschreibt, wie stark Aspekte des Experimentierens vorgegeben oder von Lernenden selbst entwickelt werden. Sie betrifft sieben zusammenhängende Dimensionen: Fragestellung, Hypothese, Lösungswege, Planung, Durchführung, Auswertung sowie Überprüfung der Hypothese und Beantwortung der Frage. Werden beispielsweise Fragestellung und Durchführung vorgegeben, ist meist auch der Lösungsweg festgelegt.

Vollständig offene Experimente sind in der Schule nach Hodson kaum möglich, weil Lernende ohne Unterstützung nicht unbedingt zu sinnvollen wissenschaftlichen Erkenntnissen gelangen. Banchi und Bell unterscheiden vier Ebenen:

• Beim geschlossenen Experiment erhalten Lernende Frage und Verfahren, etwa um eine bekannte Idee zu bestätigen.
• Beim strukturierten Experiment analysieren sie Daten aus einem vorgegebenen Verfahren und beantworten vorgegebene Fragen.
• Beim geleiteten Experiment entwerfen sie eigene Verfahren zu einer von der Lehrkraft gestellten Frage.
• Beim offenen Experiment entwickeln sie Forschungsfragen und Verfahren selbst, sammeln Daten und kommunizieren Ergebnisse.

Anfängerinnen und Anfänger sollen zunächst geschlossene und strukturierte Experimente durchführen. Ein hoher Grad an Offenheit setzt viel Wissen bei Lernenden und Lehrenden voraus; daher wird eine schrittweise Öffnung empfohlen.

Organisationsformen

Beim Demonstrationsexperiment führt die Lehrkraft das Experiment zentral durch, während die Lernenden beobachten. Vorteile sind gute Vorbereitung, geringer Materialbedarf, Zeitersparnis und eine bessere Kontrolle des Verlaufs. Die Lehrkraft kann außerdem die Wahrnehmung gezielt lenken. Nachteile sind die geringe aktive Beteiligung der Lernenden und eingeschränkte Beobachtungsmöglichkeiten, wenn sie weit entfernt sitzen oder Geräusche und Gerüche kaum wahrnehmen können. Große Aufbauten oder technische Hilfsmittel wie Videoprojektoren können die Wahrnehmung verbessern. Zentrale Beobachtungen sollen gut wahrnehmbar und das Experiment ästhetisch gestaltet sein.

Auch ein Demonstrationsexperiment kann von einer lernenden Person durchgeführt werden. Die Lehrkraft betreut sie, während die übrige Gruppe zusieht. Der Ablauf bleibt zentral vorgeführt; der Unterschied besteht nur in der ausführenden Person. Weil diese aus der Gruppe der Gleichaltrigen stammt, kann der Zugang niedrigschwelliger sein.

Beim Lernendenexperiment führen die Lernenden selbst Experimente durch und werten sie aus. Dadurch sammeln alle Primärerfahrungen, trainieren manuelle Experimentierfähigkeiten und können motiviert werden. Die Vor- und Nachbereitung ist jedoch aufwändiger als bei Demonstrationsexperimenten. Praktikumsexperimente gehören dazu: In Laborpraktika an Hochschulen oder berufsbildenden Schulen werden mehrere Experimente durchgeführt und meist Versuchsprotokolle geschrieben. Sie dienen dem Erwerb praktischer Kompetenzen für naturwissenschaftliche Arbeitsmethoden.

Digitale Formen und didaktische Funktionen

Virtuelle Experimente bilden biologische, chemische oder physikalische Experimente am Computer ab, etwa als Simulation, Modell oder Animation. Sie sollen möglichst realistisch sein. Sie können auf reale Experimente vorbereiten, beliebig wiederholt und von zu Hause aus durchgeführt werden. Da keine Chemikalien, Geräte oder Aufbauten verwendet werden, bestehen keine Gesundheits- oder Umweltrisiken. Es fehlen jedoch reale Primärerfahrungen und das Training manueller Fähigkeiten.

Videoexperimente sind eine Form des Demonstrationsexperiments. Sie sind sinnvoll, wenn räumliche oder materielle Voraussetzungen fehlen. Je nach Einbindung in den Unterricht können Erklärungen vorweggenommen oder vermieden werden. Materialien und Beobachtungen müssen im Video klar erkennbar sein.

Jedes Schulexperiment erfüllt eine didaktische Funktion, die die Lehrkraft vorab im Unterrichtsverlauf bestimmen muss. Dieselbe Versuchsanordnung kann je nach Fragestellung unterschiedliche Funktionen haben:

• Ein Einstiegsexperiment soll Interesse und Motivation wecken, einen Zugang zum Thema schaffen und gegebenenfalls eine Problemstellung erzeugen. Es sollte kurz und prägnant sein.
• Ein Erarbeitungs- oder Problemlöseexperiment dient dem Entwickeln von Hypothesen, Planen und präzisen Arbeiten. Es verbindet Theorie und Experiment und soll zu neuen Erkenntnissen über Theorien und Konzepte führen.
• Ein Bestätigungs- oder Prüfexperiment veranschaulicht, wiederholt und vertieft bereits behandelte Inhalte sowie theoretische Zusammenhänge.
• Wiederholungs- und Vertiefungsexperimente festigen bekannte Inhalte und Fähigkeiten. Bei Experimenten zur Leistungskontrolle können neben Ergebnissen wie Messwerten oder Stoffausbeuten auch Planung, Durchführung und Auswertung bewertet werden.