Experimentieren im Sachunterricht der Grundschule. Welche Experimente erzielen einen Lernerfolg?

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Fragestellung, Ziel der Arbeit
1.2 Aufbau der Arbeit

2 Problemaufriss

3 Vorgehen Analyse

4 Festlegung des Materials und der Kriterien
4.1 Auswahl der Experimente und Analyse der Entstehungssituation
4.2 Analysekriterien

5 Analyse der exemplarischen Experimente
5.1 Klasse 1-2 Themenbereich Luft
5.2 Klasse 3-4 Themenbereich Löslichkeit von Feststoffen im Wasser

6 Diskussion der Analyse und Fazit

7 Quellen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: „Luft dehnt sich bei Erwärmung aus“

Abbildung 2: Forscherkreis

Abbildung 3: „Was löst sich besser in Wasser: Zucker oder Salz?“

Abbildung 4: Forscherprotokoll

1 Einleitung

1.1 Fragestellung, Ziel der Arbeit

Das Experimentieren begleitet unseren Alltag. Fast jeder hat in seiner Schullaufbahn oder im privaten Umfeld schon einmal Experimente durchgeführt und auch in Zeitschriften, im Fernsehen und in anderen Medien werden Experimente thematisiert (Ramseger 2010 S. 83). Experimente im Sachunterricht der Grundschule helfen Fachwissen zu erlangen und naturwissenschaftliche Arbeitsmethoden kennen zu lernen (Windt 2011 S. 38). Dementsprechend haben sie einen großen Bedeutungsschwerpunkt innerhalb des naturwissenschaftlichen Sachunterrichts der Grundschule. Sowohl Fachliteratur als auch Handbücher sowie der Bildungsplan regen dazu an, Experimente in den Unterricht zu integrieren (Köster 2010 S. 55; Ministerium für Kultus, Jugend und Sport 2016 S. 8; Windt S. 36 ff.). Eng verknüpft mit der Anregung Experimente mit in den Unterricht einzubeziehen, sind Anforderungen wie die Experimente gestaltet und durchgeführt werden sollen, um einen Lernerfolg bei den Kindern zu erzielen (Lück 2003 S. 104; Ramseger 2010 S. 86 ff.). Dementsprechend stellt sich die Frage inwieweit Experimente, welche für den Sachunterricht der Grundschule konzipiert wurden, die in der Theorie genannten Lehrziele erfüllen. Um diese Frage zu beantworten, wird in dieser Arbeit eine qualitative Inhaltsanalyse nach Mayring durchgeführt. Das Material für diese Analyse sind zwei Experimente zu den Themenbereichen Luft und Löslichkeit von Feststoffen im Wasser, welche beispielhaft für die für den Sachunterricht entwickelten Experimente stehen. Diese Experimente werden anhand von Kriterien wie dem Alltagsbezug, der Fragestellung, der Integration von naturwissenschaftlichen Methoden und der Sprache analysiert. Die Kriterien stellen ein Querschnitt der in der Literatur genannten Anforderungen dar. Ziel dieser Arbeit ist es über die qualitative Inhaltsanalyse herauszuarbeiten, ob die Lehrziele aus der Literatur in den Experimenten erfüllt werden.

1.2 Aufbau der Arbeit

Die Arbeit ist in insgesamt sechs Kapitel aufgeteilt. Die ersten drei Kapitel behandeln die Fragestellung sowie den Aufbau der Arbeit und das Vorgehen innerhalb der qualitativen Inhaltsanalyse. Das vierte Kapitel beschäftigt sich mit den zu analysierenden Experimenten und den Analysekriterien. In diesem Kapitel werden exemplarisch zwei Experimente ausgewählt, welche analysiert werden und es wird anhand von Fachliteratur, Handbüchern und dem Bildungsplan begründet, warum diese Experimente zur Analyse geeignet sind. Des Weiteren werden mit Hilfe der Literatur vier Kriterien zur Analyse der Experimente herausgearbeitet. In Kapitel fünf werden die ausgewählten Experimente über den Kriterienkatalog systematisch analysiert. Die Analyseergebnisse werden anschließend in Kapitel sechs, dem letzten Kapitel dieser Arbeit, zusammengetragen und es wird ein Fazit, welches die Forschungsfrage beantwortet, gebildet.

2 Problemaufriss

Das Experimentieren ist ein wichtiger Bestandteil im Sachunterricht der Grundschule. Es ist im Bildungsplan verankert und auch in pädagogischen Praxistexten sowie in Fachliteratur herrscht weitgehend Konsens darüber, dass das Experimentieren einen elementaren Beitrag zur naturwissenschaftlichen Bildung leistet (Ministerium für Kultus, Jugend und Sport 2016 S. 8; Hartinger 2017 S. 75 f.; Windt 2011 S. 35). Das Experimentieren unterstützt durch den weitgreifenden naturwissenschaftlichen Bezug den Erwerb von verschiedenen Teilkompetenzen im Bereich der naturwissenschaftlichen Bildung und stellt somit, neben anderen naturwissenschaftlichen Erkenntnisweisen, einen wesentlichen Bestandteil der naturwissenschaftlichen Grundbildung dar (Greinstetter 2008 S. 71). Auch Köster betont, dass bei den Sachunterrichtsdidaktikern Einigkeit darüber herrscht, dass insbesondere Schülerexperimente den Lernerfolg von Schülerinnen und Schülern positiv beeinträchtigen (Köster 2010 S. 55 f.). Der Bildungsplan des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden–Württemberg hält das Experimentieren, sowohl in den Klassenstufen 1/2 als auch in den Klassenstufen 3/4, unter den „inhaltsbezogenen Kompetenzen“ fest. Des Weiteren wird eine Liste verbindlicher Experimente vorgegeben, welche innerhalb der einzelnen Schuljahre, zu den passenden Kompetenzbereichen, durchgeführt werden sollen (Ministerium für Kultus, Jugend und Sport 2016 S. 30, S. 54). Jedoch ist nicht das reine Experimentieren für den Kompetenzerwerb förderlich, sondern die Art und Weise, wie experimentiert wird, ist ausschlaggebend (Windt 2011 S. 37 f.).

Die in der Theorie formulierten Hinweise, wie beispielsweise die „Anforderungen zur Durchführung von Experimenten“ von Lück, geben Anstöße zum didaktisch konzipierten Experimentieren (Lück 2003 S. 104). Experimente für die Primarstufe sollen der Lebenswirklichkeit der Kinder entsprechen (Greinstetter 2008 S. 71 f.; Lück 2003 S. 107 f.), sie dazu anregen eigene Fragen zu stellen und zu beantworten (Ramseger 2010 S. 84 f.), ihnen Fachwissen vermitteln (Barzel/Reinhoffer/Schrenk 2012 S. 109) und ihnen die Methodiken des naturwissenschaftlichen Arbeitens näher bringen (Barzel et. Al. 2012 S. 109; Hartinger 2017 S. 76)

Anhand der Erkenntnisse, dass das Experimentieren tief in der naturwissenschaftlichen Bildung verankert ist, aber Experimentieren nicht gleich sinnvolles und zielbringendes Experimentieren ist, stellt sich die Frage inwiefern Experimente, welche für den Sachunterricht der Grundschule konzipiert wurden, die in der Theorie formulierten Lehrziele erfüllen. Werden die Forderungen der Didaktikerinnen und Didaktikern nach kindorientiertem Sachunterricht erfüllt und inwieweit ergänzen sich Theorie und Praxis zu einem stimmigen allgemeinübergreifenden Konzept der naturwissenschaftlichen Bildung?

3 Vorgehen Analyse

Zur Beantwortung der Fragestellung wird eine qualitative Inhaltsanalyse durchgeführt. Orientiert wird sich dabei an dem Prinzip von Mayring. Nach Mayring hat die qualitative Inhaltsanalyse das Ziel Kommunikation zu analysieren. Dabei wird besonders darauf geachtet systematisch, theoriegeleitet und regelgeleitet vorzugehen, um am Ende der Analyse ein nachvollziehbares Ergebnis aufzuzeigen (Mayring 2010 S. 12 f.)

Für die Analyse der ausgewählten Experimente wird sich an den Ablaufschritten von Frequenzanalysen orientiert, diese werden jedoch an das vorliegende Material angepasst, da jedes Analysematerial individuell ist und es daher keine allgemeingültige Vorlage gibt. (Ebd. S. 15, S. 49). Der erste Schritt ist die Formulierung der Fragestellung, unter der das Material analysiert wird. Die Fragestellung hilft die Richtung der Analyse zu bestimmen und die Analyse in den theoretischen Hintergrund einzubetten (Ebd. S. 56-58). Die Fragestellung dieser Arbeit wurde bereits in Kapitel 2 innerhalb des Problemaufrisses aufgestellt. Danach wird das zu analysierende Material bestimmt und wenn nötig, eingegrenzt. Wichtig ist hierbei, dass das zu nutzende Material nicht nur festgelegt wird, sondern dieses auch hinsichtlich seiner Entstehungssituation und der formalen Charakteristika analysiert wird (Ebd. S. 52 f.). Die Bestimmung des Materials und die Analyse der Entstehungssituation werden in Kapitel 4.1 vorgenommen. Hierbei werden zwei Experimente ausgewählt, welche repräsentativ für Experimente innerhalb des Sachunterrichts der Primarstufe stehen. Im nächsten Schritt wird unter Einbezug der Fragestellung ein Kategoriesystem entworfen, welches dazu dient, die Inhaltsanalyse zu strukturieren und nachvollziehbar zu machen (Ebd. S. 49). Dieses Kategoriesystem wird in Kapitel 4.2 anhand von Fachliteratur, Handbüchern und dem Bildungsplan zusammengestellt.

Danach erfolgt der Hauptteil der Analyse, in dem das Material mit Hilfe des vorher aufgestellten Kategorieystems systematisch durchgearbeitet wird (Ebd. S.15). Diese Analyse findet sich in Kapitel 5 wieder. Hierbei werden die in Kapitel 4.1 herausgearbeiteten Experimente anhand der festgelegten Kriterien aus Kapitel 4.2 systematisch analysiert. Am Ende der Analyse stehen die Zusammenfassung und Interpretation der Ergebnisse im Hinblick auf die vorangestellte Fragestellung (Ebd. S.15). In Kapitel 6 werden die Analyseergebnisse aus Kapitel 5 zusammengefasst und hinsichtlich der Fragestellung interpretiert. Aus den Ergebnissen der Analyse wird am Ende der Arbeit ein Fazit gebildet.

4 Festlegung des Materials und der Kriterien

Kernpunkte einer qualitativen Inhaltsanalyse sind das systematische Vorgehen und die Strukturierung, damit das Endergebnis der Analyse nachvollziehbar ist. Um dies zu erreichen, werden in diesem Kapitel die zu analysierenden Experimente festgelegt und beschrieben sowie die Analysekriterien herausgearbeitet.

4.1 Auswahl der Experimente und Analyse der Entstehungssituation

Das zu analysierende Material setzt sich aus zwei verschiedenen Experimenten zusammen. Beide Experimente stehen exemplarisch für Experimente, die für den Sachunterricht der Grundschule innerhalb von Handbüchern und dem Bildungsplan empfohlen werden.

Das erste Experiment „Luft dehnt sich bei Erwärmung aus“ stammt aus der Handreichung „Experimente für den Sachunterricht der Grundschule Klassen 1 und 2“, herausgegeben vom Landesinstitut für Schulentwicklung im Jahre 2016. In der „Liste der verbindlichen Experimente für die Klassen 1/2“, im Bildungsplan der KMK, findet sich unter dem Abschnitt „Naturphänomene“ die Anregung, Experimente zum Thema Luft und ihrer Eigenschaften durchzuführen (Ministerium für Kultus, Jugend und Sport 2016 S. 30). Auch in verschiedenen Handbüchern für den Sachunterricht finden sich Experimente zum Thema Luft. Lück empfiehlt in ihrem „Handbuch der naturwissenschaftlichen Bildung“ eine Experimentierreihe zu den Themengebieten Luft und Gas, Feuer und Lösungen, bei der Grundlagen des Experimentierens vermittelt werden und erste Phänomene, wie das Gesetz der Massenerhaltung, geklärt werden (Lück 2003 S. 108). Der zweite Experimentiertag dieser Reihe widmet sich komplett dem Thema Luft und den Eigenschaften dieser (Ebd. S. 113-116). Auch der Band „Experimentieren im Sachunterricht“, der Reihe „Lehrerbücherei Grundschule“, von Haider und Hartinger, beinhaltet ein Kapitel mit Experimenten zum Thema Luft (Haider/Hartinger 2010 S. 6-13).

Das zweite Experiment, welches analysiert wird, stammt aus dem Lehrwerk „Schlag nach im Sachunterricht 3/4“ des Oldenbourg Verlags und trägt den Titel „Was löst sich besser in Wasser: Zucker oder Salz?“. Experimente zur Löslichkeit von Feststoffen im Wasser fallen im Bildungsplan unter das Kapitel der Naturphänomene in der „Liste der verbindlichen Experimente für die Klassen 3/4“ (Ministerium für Kultus, Jugend und Sport 2016 S. 54). Sowohl der Band „Gute Aufgaben im Sachunterricht“ als auch der Band „Experimentieren im Sachunterricht“ der Reihe Lehrerbücherei Grundschule, enthalten Beispielexperimente zur Löslichkeit von Feststoffen im Wasser. In der Ausgabe „Experimentieren im Sachunterricht“ wird dieses Thema als Phänomenkreis mit mehreren zusammenhängenden Experimenten behandelt (Grygier/Hartinger 2009 S. 68; Haider/Hartinger 2010 S. 18-21). Auch Lück widmet dem Thema Löslichkeit von Feststoffen im Wasser einen Experimentiertag, bei dem verschiedene Stoffe und ihre Löslichkeit experimentell erforscht werden (Lück 2003 S. 125).

Die ausgewählten Experimente stehen dementsprechend exemplarisch für typische Experimente, die in der Grundschule behandelt werden. Sowohl im Bildungsplan als auch in diversen Handbüchern finden sich ähnliche Experimente zu den gleichen Themengebieten. Dadurch ist es gut möglich beispielhafte Experimente zu finden, die das Experimentieren in der Grundschule exemplarisch darstellen. Da das Experimentieren sowohl in den ersten beiden Klassenstufen als auch in der dritten und vierten Klasse seine Bedeutung hat, wurden Experimente ausgewählt, die alle Klassenstufen der Primarstufe ansprechen. Dies dient dazu, ein möglichst breit gefächertes Bild der möglichen Experimente zu bekommen und die gesamte Primarstufe zu repräsentieren.

Um die ausgewählten Experimente genauer zu betrachten und in den Kontext einzubetten, ist eine Analyse der Entstehungssituation sinnvoll. Das Experiment „Luft dehnt sich bei Erwärmung aus“ wurde vom Landesinstitut für Schulentwicklung, innerhalb der Handreichung „Experimente für den Sachunterricht Grundschule Klassen 1 und 2“, herausgegeben. Erscheinungsdatum war das Jahr 2016. Die Handreichung entstand unter Mitarbeit des staatlichen Seminars für Didaktik und Lehrerbildung Heilbronn, die Grafiken wurden aus Lehrwerken der Chemie-Verbände Baden-Württemberg entnommen (Landesinstitut für Schulentwicklung 2016). Das Landesinstitut für Schulentwicklung ist eine, 2005 gegründete, rechtsfähige Anstalt des öffentlichen Rechts, welche dem Kultusministerium unterliegt. Die Hauptaufgaben lagen bei der Entwicklung der Bildungspläne, der Lehrstandserhebung, der Entwicklung von pädagogischen Umsetzungshilfen, dem Angebot von Informationen für Lehrer*innen und am Bildungswesen Interessierter und der Bildungsberichterstattung in Baden-Württemberg. Im Jahre 2019 wurde das Landesinstitut für Schulentwicklung als Institution geschlossen und Teile wurden in das Zentrum für Schulqualität und Lehrerbildung und in das Institut für Bildungsanalysen Baden-Württemberg integriert (Institut für Bildungsanalysen Baden-Württemberg; URL 1). Das staatliche Seminar für Lehrerbildung hat als Ziel die Aus- und Weiterbildung von Lehrkräften sowie die mithilfe bei der Entwicklung von Bildungsplänen und Konzepten der Fort- und Weiterbildung für Lehrkräfte (Ministerium für Kultus, Jugend und Sport; URL 2) Die Zielgruppe des Materials sind einerseits die Lehrkräfte, die das Material für den Sachunterricht nutzen, andererseits wurde das Lehrwerk für Kinder der 1. und 2. Klasse verfasst und ist daher von der Darstellung für diese Zielgruppe konzipiert. Die Handreichung gibt es im gedruckten Format mit zusätzlichem, online zum Download bereitgestelltem, Begleitmaterial (Zentrum für Schulqualität und Lehrerbildung; URL 3).

Das Experiment „Was löst sich besser in Wasser: Zucker oder Salz?“ ist ein Experiment aus dem Lehrwerk „Schlag nach im Sachunterricht 3/4“. Das Lehrwerk wurde im Jahre 2017 vom Oldenbourg Verlag herausgegeben und ist für das Land Baden-Württemberg konzipiert (Cornelsen; URL 4). Der Oldenbourg Schulbuchverlag gehört zu dem Cornelsen Verlag, welcher einer der größten Anbieter von Bildungsmedien ist (Cornelsen; URL 5). Das Lehrwerk „Schlag nach im Sachunterricht 3/4“ ist eine Neubearbeitung des Sachbuches „Schlag nach Mensch, Natur, Kultur Band 2“. Zusätzlich gibt es aus der Reihe einen Band für die 1. und 2. Klasse. Das Lehrwerk richtet sich an Grundschülerinnen und Grundschüler und ist so konzipiert, dass es den gesamten Lehrplan für den Sachunterricht der dritten und vierten Klasse abdeckt und die Kinder über diese zwei Jahre themengeleitet begleitet. Das Lehrwerk erscheint in einer gebundenen Druckausgabe. Ergänzend zum Lehrwerk gibt es eine Ausgabe mit Lehrermaterialien, welche zusätzliche fachliche und didaktische Anreize gibt (Oldenbourg 2017).

4.2 Analysekriterien

Für die qualitative Inhaltsanalyse wurden verschiedene Analysekriterien mit Hilfe wissenschaftlicher Literatur und Handbüchern ausgewählt. Diese Kriterien stellen die wichtigsten und in der Literatur am häufigsten genannten Lehrziele und Anforderungen an Experimente dar.

Das erste Kriterium ist der Alltagsbezug. Die in den Experimenten untersuchten Phänomene sollen Phänomene darstellen, welche auch im alltäglichen Leben zu beobachten sind (Muckenfuß 2010 S. 33). Dieser Alltagsbezug sensibilisiert die Kinder darin, auch in ihrem Alltag nach naturwissenschaftlichen Phänomenen zu forschen und eigene Fragen zu stellen (Suhr 2010 S. 13). Nach Giest bildet die Lebenswirklichkeit der Kinder den Ausgangspunkt und den Endpunkt des naturwissenschaftlichen Forschens. Anhand eines im Alltag auftretenden Problems lässt sich eine naturwissenschaftliche Problemstellung herausarbeiten, mit der die Kinder schon Vorerfahrungen haben, die aber noch soweit ungeklärt ist, um den Kindern neue Aspekte der Naturwissenschaft beizubringen. Diese neu gewonnen Erfahrungen lassen sich dann wiederum auf die Alltagsprobleme der Kinder übertragen und die Problemstellung kann durch den neuen Wissenszuwachs beantwortet werden (Giest 2009 S. 74-76). Ein weiterer Aspekt des Alltagsbezuges ist der Umgang mit Alltagsmaterialien. Lück rät dazu, Experimente mit Alltagsmaterialen durchzuführen, um zum einen den Alltagsbezug herzustellen und zum anderen, da Kinder die Experimente oftmals noch einmal zu Hause durchführen, wenn die benötigten Materialien im Haushalt einfach zu finden sind (Lück 2003 S. 104-107). Der letzte Aspekt, welcher eng verknüpft ist mit dem zweiten Kriterium der Fragestellung ist, dass Kinder mehr dazu angeregt sind eigene Fragen zu stellen, wenn sie das Phänomen, das sie im Unterricht behandeln, in ihrem eigenen Alltag schon einmal wahrgenommen haben (Grygier/ Hartinger 2009 S. 17 f.; Hartinger 2017 S. 76). Um den Alltagsbezug zu analysieren werden demnach folgende Fragen gestellt:

1. Was hat das Experiment mit dem Alltag der Kinder zu tun?
2. Kann das untersuchte Phänomen im Alltag beobachtet werden?
3. Werden im Experiment Alltagsmaterialien genutzt?

Die Fragestellung bildet das zweite Analysekriterium. Wie innerhalb des vorangegangenen Textabschnitts bereits erläutert, stellt das Fragenstellen einen wichtigen Bestandteil des Experimentierens dar. Das Aufstellen einer Forschungsfrage oder einer Hypothese, welche man mit Hilfe des Experiments beantwortet, ist fest im Ablauf des Experimentierens eingebettet (Windt 2010 S. 37). Nach Hartinger ist ein Ziel des naturwissenschaftlichen Sachunterricht, die Kompetenz eine eigene Fragestellung oder Hypothese zu formulieren. Des Weiteren stellt die Fragestellung/Hypothese den ersten der drei grundlegenden Schritte des Experimentierens dar und steht daher generell am Anfang des Experimentiervorgangs (Grygier/Hartinger 2009 S. 9, S. 13, S. 18). Experimente, die ohne Forschungsfrage durchgeführt werden oder Experimente, die zwar eine konkrete Frage beantworten, diese allerdings nicht in dem Interessensgebiet der Kinder liegt, gehören zu Problematiken, die im Sachunterricht auftreten. Kinder stellen oftmals von selbst interessante naturwissenschaftliche Fragen, welche im Sachunterricht aufgegriffen werden können (Ramseger 2010 S. 84 f.). Wenn eine Fragestellung für die Kinder relevant und interessant ist, können bildende Erfahrungen gemacht werden. Es ist nicht zwingend, dass diese Art von Fragen direkt von den Kindern kommt, sondern auch die Lehrkraft hat die Möglichkeit mit Hilfe spannender Phänomene die Fragehaltung der Kinder zu beeinflussen und diese zum Fragenstellen anzuregen (Ebd. S. 88). Auch Giest betont, dass dem Fragenstellen im naturwissenschaftlichen Unterricht wieder mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden soll, da selbst gestellte Fragen dabei helfen erkenntnisgeleitet zu handeln (Giest 2009 S. 75). Anhand dieser Erkenntnisse stellen sich die Leitfragen zur Analyse der Fragestellung zusammen:

1. Wozu wird das Kind über die Fragestellung aufgefordert?
2. Hat das Kind die Möglichkeit selbst Fragen zu stellen?

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