Die Eignung von "Egg Races" als experimentelle Methode der Erkenntnisgewinnung in der Sekundarstufe I

Inhaltsverzeichnis

1.Einleitung

2. Der Kernlehrplan Chemie

3. Erkenntnisgewinnung
3.1 Stellenwert der Erkenntnisgewinnung im Kernlehrplan Chemie

4. Die Rolle des Schul-Experiments
4.1 Das Experiment als erkenntnisbringende Methode im Kernlehrplan Chemie

5. Das Egg Race
5.1 Erlernung naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung durch Egg Races
5.2 Schwächen der Methode und mögliche Variationen zur Verbesserung
5.2.1 Grundsätzliches
5.2.2 Technische Begebenheiten
5.2.3 Gruppenzusammenstellung
5.2.4 Wettkampf und Niederlage

6. Fazit

7. Literaturverzeichnis

1.Einleitung

Zu den im Konstanzer Beschluss von 1997 geforderten Maßnahmen zur Qualitätssicherung schulischer Bildung gehört vor allem die regelmäßige Durchführung von länderübergreifenden Vergleichsuntersuchungen zum Lern- und Leistungsstand von SuS^[1].^[2] Seitdem hat Deutschland verstärkt an internationalen Schulleistungsstudien teilgenommen. Die Ergebnisse, die Deutschland in den PISA-Studien, den TIMSS und IGLU dabei erzielen konnte, haben zu einem Umdenken bezüglich der Lehrpläne geführt. Sie sollten nicht weiter inputgesteuert bleiben, sondern ihren Fokus auf Schülerkompetenzen legen, also outputgesteuert werden.^[3] Seit 2003 hat die KMK daher fächerspezifische Bildungsstandards verabschiedet, die festlegen, welche Kompetenzen von den SuS bis zu einem bestimmten Zeitpunkt beherrscht werden sollen. Im Dezember 2004 wurden diese Bildungsstandards auch für die naturwissenschaftlichen Unterrichtsfächer für den Mittleren Abschluss verabschiedet.

In den Bildungsstandards für den Chemieunterricht bis zum Mittleren Schulabschluss ist zwischen vier Kompetenzbereichen zu unterscheiden: Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Urteilsfähigkeit. Diese Kompetenzerwartungen sind verbindlich. Die konkrete Gestaltung des Unterrichts hingegen liegt weiterhin im Handlungsspielraum der Lehrenden. Bestehende Unterrichtsmethoden müssen somit dahingehend kritisch reflektiert werden, ob sie den Kompetenzerwartungen Rechnung tragen können. Diese Arbeit konzentriert sich dabei auf den Kompetenzbereich der Erkenntnisgewinnung im Fach Chemie in der Sek I. Nach einer Betrachtung des Kernlehrplans Chemie für die Sekundarstufe I im Gymnasium soll dieser Kompetenzbereich darin verortet und charakterisiert werden.^[4] Insbesondere seine Bedeutung für die Naturwissenschaft Chemie soll dabei herausgearbeitet werden.

Im Unterricht kann die Erlernung naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung durch experimentelle und theoretische Methoden erfolgen.^[5] Die experimentelle Methode ist von zentraler Bedeutung^[6] und Gegenstand dieser Arbeit. Ihr Beitrag zur Erlernung naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung hängt allerdings von der Art des Experiments und seiner Einbettung in den Unterricht ab.^[7] Sein Potential im Unterricht vor dem Hintergrund des Kompetenzbereichs der Erkenntnisgewinnung ist daher darzustellen bevor im zweiten Teil dieser Arbeit das spezielle Beispiel des Egg Races als experimentelle Methode betrachtet werden soll. Das darzustellende Potential richtet sich dabei nach den Vorgaben der KMK sowie der fachwissenschaftlichen Literatur; es ist also als ideal anzusehen. Inwiefern dieses Ideal überhaupt durch das Experiment im Unterricht erreicht werden kann, wird in dieser Arbeit nicht diskutiert. Stattdessen soll im zweiten Abschnitt dieser Arbeit analysiert werden, inwiefern die ausgewählte Methode des Egg Races diese idealen Vorgaben erfüllen kann.

Das Egg Race ist eine relativ junge experimentelle Unterrichtsmethode, die sich immer größerer Beliebtheit erfreut. Sie folgt in der „Stufung der experimentellen Erkenntnisgewinnung“^[8] dem Forschungsversuch, der als höchste Stufe gilt. Im Kanon experimenteller Unterrichtsmethoden ist das Egg Race obligatorisch. Aus der Bedeutung des Egg Races als Unterrichtsmethode ergibt sich daher die Notwendigkeit einer wissenschaftlichen Beschäftigung mit ihr. Ihr Potential bezüglich des Kompetenzbereichs der Erkenntnisgewinnung soll in dieser Arbeit herausgearbeitet werden. Nach einer Vorstellung dieser Unterrichtsmethode sollen daher Chancen und Grenzen der Methode herausgearbeitet werden. Inwiefern Variationen innerhalb der Methode ihr Potential steigern können, wird ebenfalls Eingang in die Darstellung finden. Basierend auf diesen Betrachtungen soll abschließend eine Bewertung des Potentials des Egg Races in Bezug auf den Kompetenzbereich der Erkenntnisgewinnung erfolgen.

2. Der Kernlehrplan Chemie

Der Wechsel von einer Input- zu einer Output-Orientierung im Schulunterricht ist im neuen, kompetenzorientierten Kernlehrplan deutlich zu erkennen. Während frühere Lehrpläne vor allem zu unterrichtende Inhalte vorgaben, beschreibt der neue Kernlehrplan „was Schüler nach dem Unterricht können sollen“^[9]. Damit reagiert er auf Ergebnisse der TIMSS und PISA-Studien, nach denen „das Anwenden von Wissen und Problemlösefähigkeiten“^[10] deutschen SuS Probleme bereiteten. Die Abkehr vom strengen Diktat zu vermittelnder Stoffinhalte lässt zudem mehr Freiräume bei der Gestaltung schulinterner Curricula zu.^[11] Strukturierend für die zu vermittelnden Inhalte in der Sek I sind die drei Basiskonzepte „Chemische Reaktion“, „Struktur der Materie“ und „Energie“, anhand derer SuS Unterrichtsinhalte ordnen und vernetzen können. Verbindlichen Inhaltsfeldern werden passende, fachliche Kontexte an die Seite gestellt, deren Lebensweltbezug den SuS den Zugang zur Chemie erleichtert. Bezüglich der fachlichen Kontexte dürfen Schulen aber auch selber kreativ werden. Übergeordnetes Ziel ist schließlich die Vermittlung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung (Scientific Literacy), also der

„Fähigkeit Wissen anzuwenden, naturwissenschaftliche Fragen zu erkennen und aus Belegen Schlussfolgerungen zu ziehen, um Entscheidungen zu verstehen und zu treffen, welche die natürliche Welt und die durch menschliches Handeln an ihr vorgenommenen Veränderungen betreffen“^[12].

Die Intention SuS zur Handlungsfähigkeit zu erziehen tritt am deutlichsten in der Formulierung von vier zu vermittelnden Kompetenzbereichen hervor: Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Bewertung und Kommunikation. Neben dem konzeptbezogenen Kompetenzbereich Fachwissen stehen nun also gleichrangig drei prozessbezogene Kompetenzen.^[13] Inwiefern der Kompetenzerwerb bei den SuS tatsächlich überprüft werden soll bzw. kann bleibt ein wichtiger Gegenstand der didaktischen Forschung.^[14]

3. Erkenntnisgewinnung

Erkenntnisgewinnung ist wesentlicher Bestandteil der Naturwissenschaft Chemie. Durch sie wird aus ihr eine dynamische Wissenschaft. Das Streben nach neuem Wissen macht die Beschäftigung mit Methoden zur Erkenntnisgewinnung notwendig. Im Zentrum der Methoden zur Erkenntnisgewinnung steht das Experiment.^[15] Trotz seiner enormen Bedeutung darf allerdings nicht vergessen werden, dass daneben noch weitere Methoden existieren.^[16] Allgemein wird zwischen induktiven und deduktiven Methoden unterschieden. Während bei induktiven Methoden vom Einzelnen auf das Ganze geschlossen wird, ist es bei der Deduktion genau umgekehrt.^[17] Das Experiment ist also eine induktive Methode. Rein deduktive Methoden sind in der Chemie dagegen nicht anzutreffen.^[18]

Auch im Schulunterricht wird zwischen zwei Arten von erkenntnisbringenden Methoden unterschieden, nämlich den experimentellen und den theoretischen Methoden.^[19] Verschiedene experimentelle Methoden vertreten hier somit alleinig den induktiven Zweig, was die Bedeutung des Experiments noch einmal unterstreicht. Die verschiedenen experimentellen Methoden sind außerdem nach ihrem Beitrag zur Erkenntnisgewinnung zu ordnen, wobei forschungsnahen Versuchen der größte Stellenwert einzuräumen ist.^[20] Das Arbeiten mit Modellen und theoretische Lernprogramme gehören zu den theoretischen Methoden.^[21]

3.1 Stellenwert der Erkenntnisgewinnung im Kernlehrplan Chemie

Dem Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung wird im Kernlehrplan vergleichsweise eine große Bedeutung beigemessen. Als eine von drei prozessbezogenen Kompetenzen wird er der konzeptbezogenen Kompetenz Fachwissen nicht nur gleichwertig gegenüber gestellt^[22], sondern auch an verschiedenen Stellen aufgegriffen und konkretisiert. Wie bei allen prozessbezogenen Kompetenzen steht „die Handlungsfähigkeit von Schülerinnen und Schülern in Situationen, in denen naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen erforderlich sind“^[23] im Vordergrund. Welche Fähigkeiten konkret darunter zu verstehen sind, wird in zehn Punkten aufgeführt.^[24] So sollen SuS bis zum Ende der Jahrgangsstufe 9 in der Lage sein chemische Fragestellungen zu entwickeln und zu beantworten. Dazu werden die Fähigkeiten aufgelistet, die hierfür nötig sind wie beispielsweise die Planung geeigneter Experimente, die Deutung dieser oder auch hierzu notwendiges Recherchieren. Darüber hinaus sollen Zusammenhänge zu Alltag und Gesellschaft hergestellt werden können.^[25]

Das Ziel der naturwissenschaftlichen Grundbildung greift den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung gleich zweimal auf: Zum einen sollen SuS „Methoden der Erkenntnisgewinnung und deren Grenzen“^[26] erfahren, zum anderen sollen sie vor allem das Experiment als eine solche Methode kennenlernen^[27]. Damit wird der Erkenntnisgewinnung eine zentrale Bedeutung innerhalb der Naturwissenschaften eingeräumt. Auf eine Unterscheidung zwischen induktiver und deduktiver Methode wie auch auf eine kompaktere Definition des Begriffs Erkenntnisgewinnung wird im Kernlehrplan allerdings verzichtet. Dieser Verzicht ist vor allem Form und Zweck des Kernlehrplans zuschulden und nicht mit einer Wertung zu verwechseln. Ohne diese Differenzierung vorzunehmen werden neben dem Experiment auch „andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen“^[28] als Methoden zur Erkenntnisgewinnung zumindest genannt.

4. Die Rolle des Schul-Experiments

Dass Experimente Bestandteil des Chemieunterrichts sein müssen ist zweifellos^[29], auch aus Perspektive der SuS.^[30] Dies gilt im Besonderen im Rahmen der Erkenntnisgewinnung, welche zu den wichtigsten Funktionen eines Experiments gehört.^[31] Wie bereits dargestellt wurde existieren neben dem Experiment zwar weitere, erkenntnisbringende Methoden, dennoch nimmt es in der Chemie den größten Stellenwert ein. Allein wird das Experiment jedoch nicht zum erkenntnisbringenden Akt. Stattdessen setzen bereits seine Planung, Durchführung, Beobachtung und Deutung Wissen voraus.^[32] Neugier, die natürlicherweise jeder Fragestellung vorausgeht, ist dabei Ausgangspunkt experimenteller Erkenntnisgewinnung.

Es deutet sich an, dass vor allem die Rahmenbedingungen in großem Umfang bestimmen, inwiefern ein Experiment für SuS zum erkenntnisbringenden Akt werden kann.^[33] Tatsächlich besteht nämlich „kein signifikanter Zusammenhang zwischen der reinen Durchführung eines Experiments und dem Lernerfolg der Schülerinnen und Schüler“^[34]. Neben den schulspezifischen Voraussetzungen gehören zu diesen Rahmenbedingungen vor allem das Fachwissen der SuS und ihr experimentelles Geschick. Beides wird im Laufe der Zeit vertieft, sodass den SuS ein immer selbstständigeres Vorgehen auf allen Ebenen des Experimentierens ermöglicht wird. So kann auch das Experiment in der Schule für SuS Erkenntnisgewinnung im Sinne der Naturwissenschaft Chemie bedeuten.^[35]

[...]

^[1] SuS steht für Schülerinnen und Schüler. Aus Gründen der Leserlichkeit wird in dieser Arbeit die Abkürzung verwendet.

^[2] KonstanzerBeschluss.Onlineunter:http://www.kmk.org/fileadmin/veroeffentlichungen_beschluesse/1997/1997_10_24‑Konstanzer‑Beschluss.pdf (29.6.2013, 17:05).

^[3] Bildungsstandards. Online unter: http://www.iqb.hu-berlin.de/bista?reg=r_4 (29.6.2013, 17:52).

^[4] Hier wie im Folgenden wird unter „Kernlehrplan“ stets der Kernlehrplan für das Gymnasium – Sekundarstufe I in Nordrhein-Westfalen Chemie verstanden. Online unter: http://www.standardsicherung.schulministerium.nrw.de/lehrplaene/upload/lehrplaene_download/gymnasium_g8/gym8_chemie.pdf (3.7.2013, 13:08).

^[5] J. Kranz/J. Schorn (Hrsg.), Chemie Methodik. Handbuch für die Sekundarstufe I und II, 1. Aufl. Berlin 2008, S. 24.

^[6] W. Kandt, Offenes Experimentieren im Anfangsunterricht. Entwicklung und Evaluation von Lernaufgaben zur Einführung naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen, in: I. Parchmann(Hrsg.)/C. Hößle/M. Komorek/K. Wloka, Studien zur Kontextorientierung im naturwissenschaftlichen Unterricht, Bd. 5, Tönning 2008, S. 11 f.

^[7] Kranz/Schorn, Chemie Methodik, S. 114 f.

^[8] Ebd., S. 115.

^[9] Kandt, Offenes Experimentieren, S. 5.

^[10] Ebd., S. 5.

^[11] MNU Deutscher Verein zur Förderung des mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts e.V. (Hrsg.)/R. Stephani, Bildungsstandards Chemie. Konkretisierung der Bildungsstandards und Kompetenzbereiche an Beispielen für den Chemieunterricht. Empfehlungen für die Umsetzung der KMK‐Standards Chemie S I., Neuss 2007, S. 5. Online unter: http://www.mnu.de/images/Dokumente/rubberdoc/mnupublmnutrbschemieisbn16022.pdf (3.7.2013, 13:41).

^[12] Kernlehrplan für das Gymnasium – Sekundarstufe I in Nordrhein-Westfalen Chemie, S. 8.

^[13] Vgl. Kandt, Offenes Experimentieren, S. 6.

^[14] Vgl. MNU, Bildungsstandards Chemie, S. 20 f.

^[15]. Kandt, Offenes Experimentieren, S. 11.

^[16] Vgl. P. Pfeifer/B. Lutz/H. J. Bader, Konkrete Fachdidaktik Chemie, Neubearbeitung, München 2002, S. 90.

^[17] Ebd., S. 93.

^[18] Ebd., S. 93.

^[19] Kranz/Schorn, Chemie Methodik, S. 24.

^[20] Ebd., S. 115.

^[21] Vgl. Kranz/Schorn, Chemie Methodik., S. 25.

^[22] Kernlehrplan für das Gymnasium – Sekundarstufe I in Nordrhein-Westfalen Chemie, S. 13.

^[23] Ebd., S. 16.

^[24] Vgl. ebd. S. 17.

^[25] Vgl. ebd., S. 17.

^[26] Ebd., S. 8.

^[27] Ebd., S. 9.

^[28] Ebd., S. 17.

^[29] Kandt, Offenes Experimentieren, S. 18.

^[30] Ebd., S. 23.

^[31] V. Merge, Untersuchung der Fähigkeit zur Auswertung experimenteller Befunde bei Gymnasiasten, Münster 2010, S. 12.

^[32] Pfeifer/Lutz/Bader, Konkrete Fachdidaktik, S. 91.

^[33] Vgl. Merge, Untersuchung der Fähigkeit, S. 12.

^[34] M. Walpuski/A. Schulz, Erkenntnisgewinnung durch Experimente – Stärken und Schwächen deutscher Schülerinnen und Schüler im Fach Chemie, chimica didacticae 104 (2011), S. 22.

^[35] Vgl. Merge, Untersuchung der Fähigkeit, S. 12.