Regenerative Energien als Thema in der Grundschule. Entwicklung und Erprobung einer Lernwerkstatt

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis ii

Einleitung

1. Lernwerkstätten in der didaktischen Theorie
1.1 Lernwerkstätten im naturwissenschaftlichen Sachunterricht
1.2 Differenzierung in der Lernwerkstatt

2. Regenerative Energien – fachliche und fachdidaktische Klärung zur Energiegewinnung durch Sonne, Wind und Wasser
2.1 Energiebegriffe
2.2 Erneuerbare Energien
2.2.1 Solarenergie
Exkurs: Der Generator
2.2.3 Windenergie
2.2.4 Wasserkraft
2.3 Bedeutung für die Grundschule
2.4 Energiebegriff in der Grundschule

3. Instrument, Durchführung und Analyse der Bedarfsermittlung
3.1 Die Methode der leitfadengestützten Interviews in der qualitativen Forschung
3.2 Vorstellung Interviewleitfaden
3.3 Durchführung und Analyse
3.3.1 Bedeutung des Lernens in der Lernwerkstatt
3.3.2 Bedingungen für eine gute Lernwerkstatt
3.3.3 Lehrerrolle in der Lernwerkstatt
3.3.4 Differenzierung in der Lernwerkstatt
3.3.5 Dokumentation in der Lernwerkstatt
3.3.6 Relevanz des Themas „regenerative Energien“ für die Grundschule
3.3.7 Lehrerkenntnisse zum Thema „regenerative Energien“
3.4 Zwischenfazit

4. Lernwerkstatt „Regenerative Energien“ – Analyse und Aufbau
4.1 Räumlichkeiten
4.2 Das Forscherheft
4.3 Stationen
4.3.1 Einleitung im Sitzkreis
4.3.2 Infothek
4.3.3 Energie allgemein
4.3.4 Sonnenenergie
4.3.5 Windenergie
5.3.6 Wasserkraft
4.2 Erprobung der Lernwerkstatt
4.3 Bedarfsüberprüfung und Verbesserungspotentiale

5. Maßnahmen zur praktischen Implementierung von Lernwerkstätten

6. Fazit und Ausblick

7. Literaturverzeichnis

Anhang

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Bedeutung des Lernens in der Lernwerkstatt

Tabelle 2 : Bedingungen für eine gute Lernwerkstatt

Tabelle 3 : Lehrerrolle in der Lernwerkstatt

Tabelle 4 : Differenzierung in der Lernwerkstatt

Tabelle 5 : Dokumentation in der Lernwerkstatt

Tabelle 6 : Relevanz des Themas "regenerative Energien"

Tabelle 7 : Lehrerkenntnisse zum Thema "regenerative Energien"

Tabelle 8 : Zuordnung der Symbole

Einleitung

Lernwerkstätten findet man heute in jeder Lehrinstitution von der Kindertagesstätte bis hin zu Universitäten und andere Einrichtungen für Erwachsenenbildung. So facettenreich wie ihr Einsatz ist, so sind unter dem geläufigen Begriff „Lernwerkstatt“ eine Vielzahl von Methoden gefasst, die aber meist gemeinsam haben, dass sie das selbstständige, forschende Lernen zum Ziel haben. Bisher wurde in der Forschung hauptsächlich aus Sicht der Lernenden geschaut, welche Auswirkungen, Vor- und Nachteile das Lernen in der Lernwerkstatt hat. Dabei wurden bisher einige positive Wirkungen auf das Lernen empirisch gesichert, wie z.B. die gesteigerte intrinsische Motivation und das nachhaltige Lernen. Das Thema dieser Arbeit ist die

„Entwicklung und Erprobung einer Lernwerkstatt zum Thema regenerative Energien – Eine Analyse aus Sicht der Lehrkräfte“

Ziel dieser Arbeit ist es zum Einen eine Lernwerkstatt zum Thema regenerative Energien für die Grundschule zu entwickeln und zum Anderen zu analysieren, was aktive Grundschullehrkräfte für Kriterien an eine für sie gute Lernwerkstatt haben. Also die Lernwerkstatt aus Sicht der Lehrenden genauer unter die Lupe zu nehmen. Wie sehen die Lehrerinnen und Lehrer das Lernen in der Lernwerkstatt? Wie lässt sich das Lernen in der Lernwerkstatt in den Schulalltag integrieren und was macht eine gute Lernwerkstatt aus? Unter anderem diese Fragen sollen in den nachfolgenden Kapiteln am Beispiel einer Lernwerkstatt zum Thema „regenerative Energien“ beantwortet werden.

Zunächst wird in Kapitel 2 das Thema „Lernwerkstatt“ theoretisch genauer in den Blick genommen. Dabei soll auch die Bedeutung von Lernwerkstätten für das Lernen im Sachunterricht und hier besonders für den naturwissenschaftlichen Sachunterricht in den Blick genommen werden. Anschließend soll in Kapitel 3 das Thema der Lernwerkstatt, in diesem Fall „Regenerative Energien“ kurz fachlich geklärt werden. Dabei wird zunächst der Energiebegriff erläutert um dann zu klären, wie durch Sonne, Wind und Wasser nutzbare Energie gewonnen werden kann. Die Bedeutung des Themas für die Grundschule wird in diesem Kapitel ebenso erläutert wie theoretische Betrachtungen zum Einführen des Energiebegriffs in der Grundschule. Um eine Bedarfsanalyse von Lehrkräften zum Thema Lernwerkstätten durchzuführen, werden qualitative Interviews anhand eines zuvor entwickelten Leitfadens geführt. Nach Analyse der Interviews werden Kriterien abgeleitet, welche die Lernwerkstatt erfüllen sollte, um dem Bedarf der Lehrpersonen gerecht zu werden. Die Vorgehensweise und die Analyse werden in Kapitel 4 erläutert. Im folgenden Kapitel 5 wird anhand dieser Kriterien die Lernwerkstatt entwickelt und in der Grundschule realisiert. Dort werden Lehrkräfte die Lernwerkstatt mit ihren Lerngruppen nutzen und im Anschluss einen Bewertungsbogen ausfüllen. Dieser soll darüber Aufschluss geben, ob der zuvor ermittelte Bedarf gedeckt wurde und wo Schwächen und Verbesserungspotentiale der Lernwerkstatt zu finden sind. Daraufhin wird versucht werden mit Hilfe dieser Ergebnisse ein Maßnahmenplan zur Implementierung von Lernwerkstätten zu erstellen. Die Arbeit schließt mit einem Fazit und einem Ausblick.

1. Lernwerkstätten in der didaktischen Theorie

Der didaktischen Diskussion der letzten Jahrzehnte ist zu entnehmen, dass der sogenannte Frontalunterricht vermehrt von anderen Unterrichtsformen abgelöst wird. In diesem Zusammenhang werden auch immer wieder Lernwerkstätten hervorgehoben, die in jedem Unterrichtsfach und in jeder Schulform einsetzbar sind. Der Begriff der Lernwerkstatt beschreibt im deutschsprachigen Raum verschiedene Arten pädagogischer Ideen und Projekte. Damit können ganze Schulen, Lernräume, Lernumgebungen, Kopiervorlagen oder Lernumgebungen an Hochschulen oder Universitäten gemeint sein. (vgl. Meier 2015, S. 13,14)

Um sich dem Begriff der Lernwerkstatt anzunähern, ist es sinnvoll sich den Ursprung und die Entwicklung von Lernwerkstätten anzusehen. Die erste Lernwerkstatt in Deutschland wurde 1981 von Karin Ernst in Berlin gegründet. Zunächst in der Erwachsenenbildung sollten Lernwerkstätten Orte sein, an denen Lehrerinnen und Lehrer aktiv, selbst handelnd und forschend Lernen konnten, um dieses auf ihren Unterricht zu übertragen. So sollte das eigenverantwortliche, selbstständige Lernen in das Zentrum pädagogischen Handelns gerückt werden. (vgl. Ernst 1990, S.8) Ausgehend von dieser Idee verbreiteten sich Lernwerkstätten erst an den Hochschulen, wurden dann jedoch auch recht bald in Einrichtungen wie Schulen und Kindertagesstätten eingerichtet.

Inzwischen sind in der Praxis unter dem Begriff „Lernwerkstatt“ zahlreiche Methoden verbreitet. So unterscheidet zum Beispiel Bönsch folgende Lernwerkstatt-Modelle: zum Einen das Arbeitsplanmodell, damit ist die Wochenplanarbeit in Partneroder Einzelarbeit gemeint. Die Schülerinnen und Schüler bekommen hier einen Plan, welchen sie innerhalb einer bestimmten Zeit durcharbeiten müssen. Die Reihenfolge in der sie die Aufgaben bearbeiten, ist ihnen freigestellt. Manchmal dürfen sie auch die Sozialform frei wählen. Das Büffet-Modell stellt den Schülerinnen und Schüler verschiedene Materialien zu einem Thema bereit. Die Kinder können selbst auswählen mit welchen Materialien sie sich einem Thema nähern, bzw. es vertiefen. Welche und wie viele Materialien auf welche Art und Weise genutzt werden, hängt vom Leistungsniveau der Schülerinnen und Schüler ab. Damit ist eine gewisse Differenzierung gegeben.

Ähnlich ist das Stationen–Modell. Auch hier liegen verschiedene Materialien zu einem bestimmten Thema vor, welche in Stationen aufgeteilt sind, die von den Kinder durchlaufen werden. Oft findet man hier eine festgelegte Reihenfolge und/oder eine bestimmte Zeit, die einzuhalten ist. Sehr frei dagegen ist das Impuls-Modell. Hier wird den Lernenden lediglich ein Impuls gegeben, um ein persönliches Lernmotiv zu finden, der anschließend in einen selbstverantwortlichen Lernprozess führt. (Schultheis/Hiebl 2016, S. 93)

Bolland kritisiert angesichts dieser Vielfalt, dass der Begriff der Lernwerkstatt stark verwässert und zum „Umbrella-Begriff“ geworden sei. (vgl. Bolland, 2008, S. 177) Unter dem Begriff seien Versuche gesammelt, bei denen es sich eher um andere Unterrichtsmethoden handele als um wirkliche Reformierung und Öffnung des Unterrichts. „Der pädagogische Anspruch, der hinter der Wortschöpfung steht, ist vielen, die von „Werkstätten“ reden, gar nicht bekannt.“ (ebd., S.177)

Um Merkmale und Beschreibung von Lernwerkstätten zu präzisieren, veröffentlichte der Verbund europäischer Lernwerkstätten e.V. (VeLW) 2009 ein Positionspapier zu Qualitätsmerkmalen von Lernwerkstätten und Lernwerkstattarbeit. In diesem Papier werden zunächst zwei grundlegende Begriffe unterschieden. Zum Einen wird der Begriff der „Lernwerkstatt“ definiert, als „längerfristig festgeschriebener real vorhandener gestalteter Raum“ (VeLW 2009, S. 4), zum anderen die „Lernwerkstattarbeit“, die auch außerhalb des Raumes Lernwerkstatt realisierbar ist, aber eine „durch konkrete Kriterien beschriebene pädagogische Arbeit“ (ebd.,S.4) darstellt. „Lernwerkstattarbeit als pädagogischer Prozess orientiert sich an der Idee des forschenden, entdeckenden Lernens. Sie geht von den Interessen der Kinder aus und fördert die aktive und selbstbestimmte Auseinandersetzung mit der Welt“ (Wenzel u.a., 2011, S. 8). Das Lernen in der Lernwerkstatt basiert auch laut der VeLW auf dem moderaten Konstruktivismus. Lernen wird hierbei als aktiver, konstruktiver Prozess angesehen. Bolland beschreibt die Besonderheiten von Lernprozessen in Lernwerkstätten folgendermaßen. Das Lernen ist selbstständig gestaltet und zu darf sich auf eigenwillige Weise entfalten. Es finden „forschend-entdeckende Lern- und Suchbewegungen zu generativen Themen“ (Bolland 2008, S. 180) statt. Das Wissen wird nicht in den Vordergrund gerückt, sondern es geht vielmehr darum, dass aufkommende Fragen exemplarisch in die Tiefe gehend durch eigene Hypothesenbildung und Denkprozesse beantwortet werden. Das Lernen in der Lernwerkstatt findet nebeneinander statt, das heißt, nicht alle Schülerinnen und Schüler erarbeiten zur gleichen Zeit die gleichen Dinge. Das ermöglicht Dialoge und die Selbstverantwortlichkeit wird entwickelt. (vgl. ebd., S. 2008) Auch Petra Hiebl weist darauf hin, dass Lernwerkstätten das selbstorganisierte Lernen ermöglichen und dass die originäre Methode der Lernwerkstätten das entdeckende Lernen ist. Dies ergibt sich „aus lerntheoretischen Annahmen, die einen intrinsisch motivierten, aktiv handelnden Zugriff auf die Welt als Lernen verstehen und dabei die persönliche Bedeutsamkeit von Lernprozessen als deren zentrale Grundlage verstehen“ (Hiebl 2017, S. 138). Lernwerkstätten eröffnen Lernenden daher einen gewissen Freiraum. Sie geben Lernenden die „Möglichkeit, Unterrichtsinhalte und eigene Forscher-Themen handlungsorientiert und mit allen Sinnen zu erarbeiten.“ (Schultheis, Hiebl 2016, S. 93)

Das Wesentliche der Lernwerkstattarbeit, ob in oder außerhalb einer Lernwerkstatt, besteht also aus der „Freiheit der Schülerinnen und Schüler, aus einem gewissen Kontingent an Aufgaben, Medien und Arbeitsmaterialien interessen- und begabungsbegleitend auswählen zu dürfen.“ (Klippert 2010, S. 108) Die Gestaltung des Raumes Lernwerkstatt ist hier von zentraler Bedeutung. Hiebl weist darauf hin, dass das Lernen in der Lernwerkstatt auch von der räumlichen Atmosphäre beeinflusst wird und daher auch auf eine lernförderliche Umgebung geachtet werden sollte. (Hiebl 2017, S. 138/139)

Reichen beschreibt die Lernwerkstatt als eine Lernumwelt „in der den Kindern jeweils zu einem bestimmten Thema ein vielfältiges Arrangement von Lernsituationen und Lernmaterialien für die Arbeit in unterschiedlichen Sozialformen zur Verfügung steht.“ (Hinrichs u.a. 1997, S. 5) Auch der Verbund europäischer Lernwerkstätten weist in seinem Positionspapier auf die Wichtigkeit der räumlichen Gestaltung einer Lernwerkstatt hin.

Demnach sollte die Lernwerkstatt inspirierende Gegenstände bereithalten, die alle Sinne ansprechen und dadurch die Kreativität fördern. Außerdem soll sie den Lernenden individuelle Zugänge ermöglichen. Dazu werden unterschiedliche Materialien bereitgehalten, welche zum Experimentieren und zur kreativen Gestaltung geeignet sind. (VeLW 2009, S. 9) Vielfältiges Material gleich einer „Materialbörse“ sollte bereitgestellt werden. Der Raum sollte einerseits Rückzugsmöglichkeiten bieten, andererseits aber auch dazu einladen gemeinsam zu arbeiten und Gelegenheit zur Kommunikation geben. (vgl. ebd., S. 9) Schultheis und Hiebl sehen in dem Lernort Lernwerkstatt die Möglichkeit „Unterrichtsinhalte und eigene Forscher-Themen handlungsorientiert und mit allen Sinnen zu erarbeiten“ (Schultheis/Hiebl 2016, S. 93), durch die Vielfältigkeit des Materials, der Anregungen und der Sozialformen wird die Möglichkeit geschaffen, dass „Schülerinnen und Schüler nachhaltig in der Schule und für das Leben lernen.“ (ebd., S.93).

Auf die Rolle der Lernenden in der Lernwerkstatt oder bei der Lernwerkstattarbeit, geht auch der VeLW noch näher ein. Auf Basis der zuvor beschriebenen Lerntheorien sollen die Schülerinnen und Schüler lernen selbst Fragen an für sie bedeutsame Themen zu stellen. Die Schülerinnen und Schüler agieren in der Lernwerkstatt weitestgehend selbstständig. (vgl. Wenzel u.a. 2011, S. 12). Wie schon zuvor beschrieben lernen die Kinder nach dem Prinzip des entdeckenden Lernens. (vgl. VeLW 2009, S. 7) Qualitätsmerkmale einer gelungenen Lernwerkstattarbeit sind demnach, dass die Schülerinnen und Schüler

1. lernen Fragen zu stellen
2. Selbstständig und selbstverantwortlich arbeiten
3. sowohl individuell, als auch gemeinsam arbeiten
4. Den eigenen Lernprozess sowohl reflektieren, als auch dokumentieren

(vgl. ebd., S.7).

Petra Hiebl schreibt dazu, dass in einer Lernwerkstatt so nicht nur die Sachkompetenz, sondern auch die Selbst-, Sozial- und Medienkompetenz gefördert werden kann. (vgl. Hiebl 2017, S. 10) Peschel u.a. entwickelten auf der Basis des „Forscher-Kreislauf-Modell“ nach Marquadt-Mau (2011) ein eigenes auf Kinder abgestimmtes Experimentiermodell als „Wege zur (gemeinsamen) Erkenntnis“. Es macht das Kind zum „aktiven Konstrukteur seines Lernweges“ (Peschel 2018, S.73) und beschreibt wie das Lernen in einer Lernwerkstatt aussehen könnte. Dafür unterteilen sie den Prozess in drei Phasen. In der Eintrittsphase wird dem Kind die Möglichkeit gegeben sich zu orientieren. Dies geschieht sowohl räumlich, um sich mit der Lernumgebung und der Atmosphäre vertraut zu machen, wie auch inhaltlich-thematisch. (vgl. Peschel 2018, S. 75) Über verschiedene Zugänge soll Interesse und Neugier geweckt werden, so dass der Sachverhalt für das Kind bedeutsam wird und es „mehr über diese Sache herausfinden möchte“. (Peschel 2018, S. 77) Die zweite Phase ist die Phase des Experimentieren/Forschen. Hier sollen die Kinder die Möglichkeit haben, ihren eigenen Fragen nahzugehen und verschiedene Methoden nutzen können, um so ihre eigene Lernwege zu gehen und Erkenntnisse zu gewinnen. (vgl. ebd. S. 77 ff.) Die Austrittsphase schließlich beinhaltet das Präsentieren und Publizieren der Forschungs- und Lernergebnisse. Hierbei können die Kinder nicht nur ihren Forschungsprozess gemeinsam mit anderen reflektieren. Es können auch weiterführende Fragen aufgegriffen und ihnen nachgegangen werden. (vgl. ebd. S. 80)

Lehrpersonen fungieren in diesem Modell als Lernbegleiter, die das Kind an passender Stelle unterstützen und Impulse geben, welche das Weiterexperimentieren ermöglichen. (vgl. ebd. S. 80/81) Demnach verändert sich mit der Eigenverantwortlichkeit und der Selbstständigkeit der Lernenden natürlich auch die Rolle der Lehrenden. Während beim klassischen Frontalunterricht die Lehrerinnen und Lehrer in der aktiven Rolle stehen, agieren sie mit zunehmender Eigenaktivität der Schülerinnen und Schüler eher im Hintergrund, haben hier jedoch durchaus sehr wichtige Aufgaben. Nicht nur, dass der Erfolg der Lernwerkstatt von der Vorbereitung und Aufbereitung der Lernmaterialien und des Lernortes abhängt und damit in der Verantwortung der Lehrenden liegt, sie begleiten auch den Lernprozess der Kinder in beratender Funktion. Dabei geben sie Hilfestellungen, ohne Lernwege oder Ergebnisse vorzugeben, stehen im Dialog mit einzelnen Schülerinnen und Schülern oder Gruppen, beobachten und analysieren dabei die Arbeits- und Lernprozesse in der Gruppe und jedes Einzelnen. Sie reflektieren gemeinsam mit den Kindern deren Lernwege, um dann eine systematische und wertschätzende Rückmeldekultur zu entwickeln. (vgl. VeLW 2009, S. 8)

„Pädagoginnen und Pädagogen in der Lernwerkstatt sind Lernbegleiter und aufmerksame Dialogpartner aller Kinder“ (Wenzel u.a. 2011, S. 14). Das heißt auch, dass Lehrende ihre Rolle flexibel auf die Lerngruppe und die individuellen Stärken der einzelnen Kinder anpassen müssen. Es besteht sonst die Gefahr, dass die offene Werkstattsituation „aus dem Ruder laufen und eine Übermaß an Nichtstun oder vordergründiger Pseudobeschäftigung Einzug“ halten (Klippert 2010, S. 108). Die Lehrenden sollten die Lernenden dahingehend begleiten, dass diese „ihr Vorgehen weitgehend selbst bestimmen, eigene Lernwege erproben und dabei nicht nur ihr Wissen erweitern, sondern auch das Lernen lernen.“ (Wenzel u.a. 2011, S. 3)

Es ist also so, dass bei aller proklamierten Offenheit „die Größe der Wahlfreiheit abhängig ist von Lernvoraussetzung der Klasse und Intentionen der Leitung“ (ebd., S. 108). Je nach Lerngruppe und Intention der Lehrenden können die Lernangebote „eng oder weit, Arbeitsmaterialen vielfältig oder eher weniger, Lehrerlenkung straff oder defensiv sein“ (Klippert 2010, S. 109).

1.1 Lernwerkstätten im naturwissenschaftlichen Sachunterricht

Auch wenn Lernwerkstätten in jedem Fach und auch fächerübergreifend realisierbar sind, so ist „eine besondere Affinität zum Sachunterricht nicht von der Hand zu weisen“ (Bolland 2008, S. 180) Methoden wie Explorieren, Laborieren und Experimentieren werden in der Sachunterrichtsdidaktik an der Universität gelehrt. In der Praxis oft aus Zeitmangel und zu hohem Vorbereitungs- und Nachbereitungsaufwand nicht eingesetzt, eignen sie sich jedoch in der offenen Unterrichtssituation einer Lernwerkstatt eingesetzt zu werden.

Auch wenn diese Freiheit durch Bildungspläne, Schulordnungen und andere Erlasse und Handreichungen eingeschränkt wird, so erlauben die Kompetenzorientierungen der aktuellen Bildungsstandards, Schülerinnen und Schülern handlungsbetont und exemplarisch nach ihren Interessen lernen und arbeiten zu lassen. (vgl. Klippert 2010, S. 109) Lernwerkstätten ermöglichen Schülerinnen und Schülern handlungsorientiert und somit nachhaltig zu lernen. Laut Kornelia Möller lernen Kinder dann nachhaltig, wenn sie an ihr vorhandenes Wissen anknüpfen können und ihre bisherigen Vorstellungen durch probierendes Handeln überprüfen können. (vgl. Möller 2006, S. 274) Dabei geht es nicht in erster Linie darum, ein fertiges Produkt herzustellen, sondern „den Aufbau von Wissen und Verstehensprozessen zu begünstigen“ (ebd., S. 275) Auch der Lehrplan für Sachunterricht des Landes NRW schlägt für den Sachunterricht Lernarrangements vor, die es den Schülerinnen und Schülern ermöglichen „ihr Interesse und ihre Freude an der forschenden und handelnden Auseinandersetzung mit ihrer Umwelt“ (schulentwicklung.nrw.de) zu wecken und zu fördern. „Teamfähigkeit, Arbeitsteilung und soziale Kooperation werden im Sachunterricht gezielt gefördert“ (ebd.).

Laut Möller heißt das Lernen von Naturwissenschaften „Vorhandene Vorstellungen überprüfen und verändern“ (Möller 2006, S. 275). Lernwerkstätten als „konstruktivistisch orientierte Lehr-Lernumgebung“ (ebd, S. 276) bieten die Möglichkeit nach der didaktischen Theorie des Conceptual Change nach Posner. Nach dieser Theorie sollten Schülerinnen und Schüler zunächst mit ihren bisherigen Vorstellungen unzufrieden sein. Das heißt, dass die Kinder die Möglichkeit bekommen müssen ihre vorhandenen Konzepte zu überprüfen. Durch eigenes Handeln und mehrfaches Ausprobieren merken sie, dass ihre Konzepte nicht belastbar sind. (vgl. Möller 2006, S. 277)

Neue Konzepte müssen für die Kinder verständlich sein, damit diese die alten ersetzen können. Dazu müssen die Kinder die Möglichkeit bekommen, die neuen Konzepte durch Experimente oder Versuche selbst zu erfahren, um so zu der Einsicht zu gelangen, dass diese neuen Konzepte belastbar sind (vgl. ebd., S. 278). Die dritte Konzeptwechselbedingung ist, dass die Kinder das neue Konzept als wirklich überzeugend anerkennen müssen. Durch wiederholendes Ausprobieren, wenn möglich auch in verschiedenen Variationen wird jeder Zweifel an der neuen Vorstellung ausgeräumt. (vgl. ebd., S. 278/279) Durch Handlungen können Lernende auch die vierte Konzeptwechselbedingung, die Fruchtbarkeit von neuen Konzeptwechseln, erfahren, indem sie in der Lernwerkstatt das Gelernte auf eigene Ideen und Erfindungen anwenden dürfen. (vgl. Möller 2006, S. 279) Die Konzeptwechseltheorie wurde später um eine weitere Bedingung erweitert, nämlich die Bedeutung von Motivation und Rahmenbedingungen. Da laut Hiebl von Kinder das Lernen in der Lernwerkstatt überwiegend sehr geschätzt und aktiv angenommen wird, eignen sich Lernwerkstätten auch hier für den naturwissenschaftlichen Sachunterricht. (vgl. Hiebl 2017, S. 139) Auch der Lehrplan NRW bezieht sich auf diese Theorie wie folgt: „Bereits vorhandene Vorstellungen, Erfahrungen, Deutungsmuster und Handlungsmöglichkeiten der Schülerinnen und Schüler werden genutzt, erweitert und so ausgebaut, dass sie zu sachgerechten, nachvollziehbaren und überprüfbaren Arbeitsergebnissen kommen können.“ (schulentwicklung.nrw.de) Das Lernen in Lernwerkstätten ist also sowohl durch didaktisch theoretische Überlegungen, sowie auch durch den Lehrplan zu rechtfertigen.

1.2 Differenzierung in der Lernwerkstatt

Nach der gesetzlichen Bestimmung zur Inklusion nach der UN-Konvention stehen Schulen und damit auch die Lehrerinnen und Lehrer in der Pflicht, die Teilhabe aller Kinder am Regelunterricht zu ermöglichen. Unter welchen Bedingungen kann das gelingen? Es müssen dazu Bedingungen geschaffen werden, die „Herkunft, Interessen, Erfahrungen, Fähigkeiten und Wissen jedes einzelnen Kindes wahrnehmen, aufgreifen und fördern“ (Hiebl 2015, S. 13).

Aufgrund ihrer Offenheit und der damit verbundenen Individualisierung von Lernwegen, haben Lernwerkstätten das Potential „Heterogenität als Chance und nicht als Behinderung für Lernprozesse zu sehen“ (ebd., S.13). Im Sinne der natürlichen Differenzierung nach Krauthausen und Scherer (2010), kann sich jedes Kind in der Lernwerkstatt auf seinem Niveau mit selbst ausgewählten Lerngegenständen beschäftigen und so einen individuellen Lernzuwachs erzielen. Laut Hiebl kommt die Lernwerkstattarbeit dabei als Form von offenem Unterricht auch den grundlegenden Bedürfnissen nach „Empfinden von Selbstbestimmung, Kompetenz und sozialer Eingebundenheit“ (Hiebl 2017, S.14) nach und trägt so zur Motivation der Schülerinnen und Schüler bei. (vgl.ebd., S. 14) Dieses wird auch von Schülerantworten zur kindlichen Wahrnehmung von Lernwerkstattarbeit belegt (Hiebl 2014). Die Aussagen der Schülerinnen und Schüler lassen darauf schließen, „dass sie Lernwerkstätten als Lernumgebungen erfahren, welche sie leiblich und kognitiv ansprechen und zum Lernen auffordern. Sie erleben sich dort sozial, methodisch und fachlich kompetent“ (Hiebl 2017, S. 14) Das Lernen in der Lernwerkstatt scheint sich daher zu eignen, den inklusiven Unterricht so zu gestalten, dass jedes Kind im Rahmen seiner individuellen Möglichkeiten die Chance erhält sich auch komplexere Themen anzueignen.

2. Regenerative Energien – fachliche und fachdidaktische Klärung zur Energiegewinnung durch Sonne, Wind und Wasser

Die Diskussionen rund um regenerative Energien sind aus dem Alltag kaum noch wegzudenken. Sowohl auf der politischen Ebene, als auch im privaten Umfeld werden nicht nur Erwachsene sondern auch Kinder damit konfrontiert, wie Energie gespart werden kann und von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energien gewechselt werden kann. In diesem Kapitel soll zunächst erklärt werden, welche nutzbaren Energieformen durch Sonne, Wind und Wasser gewonnen werden können und wie diese Energiegewinnung technisch möglich ist. Da das Thema sehr komplex ist und den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde, wird sich auf die Punkte beschränkt, die später für die Lernwerkstatt relevant sind. Dabei sollen zunächst einige Grundbegriffe zum Thema Energie geklärt werden. Anschließend geht es um die Nutzung von Sonnen- und Windenergie, sowie Wasserkraft. Es wird erklärt wie diese zur Stromerzeugung genutzt werden oder in andere Energieformen umgewandelt werden können. Im Anschluss daran soll noch kurz auf das fachdidaktische Potential und die Bedeutung des Themas für Grundschulkinder eingegangen werden. Auch die Einordnung in den Lehrplan findet in diesem Kapitel statt.

2.1 Energiebegriffe

„Unter Energie wird nach Max Plank die Fähigkeit eines Systems verstanden, äußere Wirkungen zu verrichten.“ (Kaltschmitt 2014, S. 2) Damit ist Energie die Kraft die nötig ist um Arbeit zu verrichten. In der Praxis zeigt sie sich als Kraft, Wärme und Licht. (vgl. ebd., S. 2) Die Einheit von Energie ist Joule (vgl. Wesselak u.a. 2013, S. 2):

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Es werden dabei verschiedene Energieformen unterschieden. Für die Inhalte der Lernwerkstatt wichtig sind folgende:

- Potenzielle Energie à Sie wird auch Lageenergie genannt. Sie beschreibt die Fähigkeit eines Körpers, aufgrund seiner Lage, Arbeit zu verrichten, z.B. „die Energie, die ein Körper besitzt, weil er sich in einer bestimmten Höhe befindet und von dort herunterfallen kann, oder die Energie, die eine gespannte Feder besitzt und die beim Zurückschnellen der Feder frei wird.“ (Harms 2016, S. 28)
- Kinetische Energie à Sie wird auch als Bewegungsenergie bezeichnet. Um einen Körper zu beschleunigen muss Energie eingesetzt werden. Beim Abbremsen des Körpers wird diese Energie wieder frei. (vgl. ebd., S. 31)
- Thermische Energie à Sie „beruht auf den Schwingungen der Moleküle“ (Harms 2016, S. 69), dabei „steht die Temperatur in Beziehung zur kinetischen Energie der Moleküle“ (ebd., S. 69)
- Elektrische Energie à Sie entspricht „dem Fluss von elektrischen Ladungsträgern“ (ebd., S. 97) in einem elektrischen Feld.
- Strahlungsenergie à Strahlungsenergie kommt in Form von langwelliger, kurzwelliger und Teilchenstrahlung vor. (vgl. ebd., S. 150 ff.) (vgl. Kaltschmitt 2014, S. 2)

Um Energie zu nutzen, müssen Energieformen meist von einer Form in eine andere umgewandelt werden. So werden fossile Energieträger, wie Kohle oder Erdgas, aber auch erneuerbare Energieträger wie Sonnenstrahlung oder Wind, durch technische Prozesse in Kraftstoffe oder elektrische Energie umgewandelt. (vgl. Wesselak u.a. 2013, S. 3) Energieformen in ihrem ursprünglichem Zustand werden Primärenergie genannt. Endenergie ist die Energie, die dem Endverbraucher zugeführt wird, dieser nutzt die ihm zugeführte Energie weiter, z.B. als Wärme oder Licht. Diese wird als Nutzenergie bezeichnet. (vgl. ebd., S. 4)

2.2 Erneuerbare Energien

Als Erneuerbare oder regenerative Energien werden solche Primärenergien bezeichnet, „die gemessen in menschlichen Dimensionen als unerschöpflich angesehen werden“ (Kaltschmitt u.a. 2014, S. 5).

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Abbildung 1: Nutzungsmöglichkeiten erneuerbarer Energien. KALTSCHMITT. 2014, S. 13

Als wichtigste Primärenergiequelle ist dabei die Solarenergie zu nennen, da aus dieser zahlreiche andere regenerative Energieträger ableitbar sind. So gehen Wind, Wasser, die in Biomasse gespeicherte Energie, so wie die elektromagnetische Strahlung selbst aus dieser hervor. (vgl. Wesselak u.a. 2013, S. 109) Die zweite Energiequelle stellt die innere Energie der Erde da, welche als Erdwärme genutzt wird. In Form von Gezeiten spielen auch die Gravitationskräfte des Mondes eine Rolle, welche zur Meeresenergie beitragen. (vgl. ebd., S. 109) Einen Überblick über die regenerativen Primärquellen, die daraus abzuleitenden Energieträger und wie diese nutzbar sind, gibt Abbildung 1 wieder. In den folgenden Unterkapiteln wird auf die Technologien, die Energiegewinnung aus Solarenergie möglich machen, näher eingegangen. Wind- und Wasserenergie werden eigene Unterkapitel gewidmet, auch wenn sie streng genommen der Solarenergie zuzuordnen sind.

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Abbildung 2: Energieströme eines bestrahlten Körpers. Kaltschmitt. 2014, S. 140

2.2.1 Solarenergie

Die Sonne ist als Fixstern für die Erde von großer Bedeutung, denn ohne sie wäre auf der Erde kein Leben möglich (vgl. Kaiser u.a. 2015, S.19) Ein Teil der Strahlungsenergie der Sonne erreicht die Erdoberfläche und kann in andere nutzbare Energieformen umgewandelt werden (vgl. Kaltschmitt u.a. 2014, S. 57). Die Strahlungsenergie der Sonne kann in Wärmeenergie umgewandelt werden und mit Hilfe technischer Prozesse auch in elektrische Energie.

Die Grundlage der Wärmeenergiegewinnung ist die Absorption der elektromagnetischen Strahlung an einer festen Oberfläche. Dabei wird die Energie der elektromagnetischen Welle in innere Energie eines Körpers umgewandelt. Dieser Vorgang wird als Absorption bezeichnet. Die Fähigkeit eines Körpers Sonnenstrahlung in Wärme umzuwandeln wird daher Absorptionsvermögen genannt. (vgl. Kaltschmitt u.a. 2014, S. 182) Beschrieben wird das Absorptionsvermögen mit dem Absorptionskoeffizienten Definiert ist dieser als Anteil der absorbierten Strahlung der Strahlung, die insgesamt auf eine Materie trifft. Ein idealer schwarzer Körper hat den Absorptionskoeffizienten 1, da er 100% der auftreffenden Strahlung absorbiert. (vgl. ebd., S. 182) Ein Teil der Strahlung wird von Körpern reflektiert. Das Verhältnis zwischen der reflektierten zur einfallenden Solarstrahlung wird vom Reflexionskoeffizienten beschrieben. Kann ein Teil der Solarstrahlung das Objekt durchdringen, wird von Transmission gesprochen. Der Transmissionskoeffizient gibt dabei das Verhältnis dieser Strahlung zur Gesamtstrahlung an. In der Abbildung 2 sind die Energieströme eines bestrahlten Körpers zu sehen.

Damit gilt (vgl. ebd., S. 182) :

Im Inneren des Körpers wird die durch Absorption gewonnene Wärme durch Wärmeleitung verteilt und auch gespeichert. Steigt die Temperatur des Körpers über die der Umgebung an, so wird diese wieder „über Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeleitung an die Umgebung ab.“ (Kaltschmitt u.a. 2014, S. 140) Dieser Vorgang wird als Emission bezeichnet. Das Verhältnis der abgestrahlten Leistung eines Körpers zu der abgestrahlten Leistung eines schwarzen Idealkörpers wird als Emissionskoeffizient beschrieben. Diese sogenannte fotothermische Wandlung kann technologisch genutzt werden. Dabei reicht das Spektrum der Anwendungsgebiete von der Erwärmung von Trinkwasser oder Schwimmbecken bis hin zu solarthermischen Kraftwerken, die über Generatoren Strom erzeugen. (vgl. Wesselak u.a. 2013, S. 256)

Elektrische Energie kann jedoch auch mit Photovoltaik gewonnen werden. So wird die direkte Umwandlung aus Solarer Strahlung in Elektrizität mittels Solarzellen bezeichnet. (vgl. Schabbach/Wesselak 2012, S. 70) Solarzellen sind aus Halbleiter-materialien hergestellt, meistens aus sehr reinem Silizium. Die Silizium-kristalle werden dafür zu Scheiben mit einer Dicke von nur 200 – 300 gesägt. Um eine positiv-Dotierung zu erhalten werden Bor-Atome eingebracht, für die gewünschte negativ-Dotierung wird die Oberseite der Scheibe einer phosphorhaltigen Atmosphäre ausgesetzt. (vgl. ebd., S. 71) So entstehen zwei unterschiedliche Halbleiterschichten. Im n-dotierten Silizium dominiert die Zahl der negativ geladenen Elektronen, während im p-dotierten Silizium die Zahl der Elektronenlöcher dominiert. Elektronen und Elektronenlöcher diffundieren jeweils zur anderen Seite und so entsteht ein elektronisches Feld und damit ein Feldstrom, der den Diffusionsstrom im Gleichgewichtszustand aufhebt, da er ihm entgegengerichtet ist. (vgl. ebd., S. 71/72) Wird die Solarzelle nun solarer Strahlung ausgesetzt, bilden sich in der n- und p-Schicht Elektronen-Lochpaare, die durch das elektrische Feld getrennt sind. So wandern die negativen Ladungsträger zur Vorderseite und die positiven Ladungsträger zur Hinterseite der Solarzelle. Wird nun ein Verbraucher an beide Pole angeschlossen fließt elektrischer Strom. (vgl. ebd., S. 72) Dabei erzeugt eine einzelne Zelle eine Spannung von ca. 0,6 Volt.

Durch serielle Verschaltung entstehen Solarmodule die Spannungen zwischen 12 und 120 Volt produzieren. Diese können dann wieder seriell und parallel verschaltet werden um Gesamtspannungen von 400 – 900 Volt zu erhalten. Um den so gewonnen Strom in das Stromnetz einspeisen zu können generieren Wechselrichter aus der Gleichspannung den Wechselstrom mit der üblichen Netzspannung. (vgl. ebd., S. 73.) Die typische blaue Färbung entsteht durch eine Antireflexionsbeschichtung die das Modul einerseits vor Witterungseinflüssen schützt und gleichzeitig den Transmissionsgrad für Lichtquanten erhöht. (vgl. ebd., S. 72)

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2.2.3 Windenergie

Wind gleicht auf der Erde die unterschiedlichen Energieeinträge der Sonne aus. Am Äquator ist die Sonneneinstrahlung am intensivsten, zu den Polen hin nimmt sie ab. Außerdem beeinflussen lokale Begebenheiten die aufgenommene Strahlung. So wird zum Beispiel Festland schneller erwärmt als Wasser. (vgl. Wesselak 2013, S. 170) So entstehen Gebiete mit unterschiedlichem Luftdruck. Es entsteht ein Druckgradient und die Luftmassen strömen von Gebieten mit höherem Luftdruck in die Gebiete mit geringerem Luftdruck. (vgl. Kaltschmitt u.a. 2013, S. 75) „Die ein den bewegten Luftmassen enthaltene Energie, die beispielsweise durch Windkraftanlagen in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt werden kann, stellt also eine sekundäre Form solarer Energie dar (d.h. indirekte Nutzung der Sonnenenergie)“ (Kaltschmitt u.a. 2013, S. 75)

Die kinetische Energie des Windes ist abhängig von der Luftmasse und der Windgeschwindigkeit zum Quadrat. Daraus ergibt sich (vgl. ebd., S. 83):

Ein Teil dieser kinetischen Energie kann von Windkraftanlagen in nutzbare Energie umgewandelt werden. Windkraftanlagen können darin unterschieden werden, ob sie nach dem Widerstandsoder dem Auftriebsprinzips arbeiten. Bei einer Windkraftanlage die den Widerstand nutzt, müssen die Flügel auf der Rückseite einen geringeren Strömungswiderstand aufweisen, als auf der Vorderseite. Dann wird das Flügelrad durch die Kraft des anströmenden Windes in Bewegung gesetzt und kann ein Getriebe oder Ähnliches antreiben. (vgl. Schabbach 2012, S., 95) Diese Windkraftnutzung durch einfache Windräder lässt sich im asiatischen Raum bis ins 6. Jahrhundert zurückverfolgen. Wind ist damit neben Wasser eine der ältesten Möglichkeiten mechanische Arbeit zu verrichten ohne Mensch oder Tier einzusetzen. (vgl. ebd., S. 95) In Abbildung 4 ist links ein Widerstandsläufer zu sehen. „Die geöffnete Halbkugelschale setzt dem Wind eine größere Widerstands-kraft entgegen als die konvexe Kugelaußenfläche, was zur Drehung des Schalenkreuzes in Richtung der größeren Kraft führt.“ (Wesselak 2013, S. 562)

Moderne Windkraftanlagen arbeiten allerdings fast ausschließlich mit Auftriebsläufern. Sie nutzen dabei die gleichen physikalischen Gesetzte wie ein Flugzeug. Die Rotorblätter sind auf der Oberseite gewölbt und damit so geformt wie ein Flugzeugflügel. Sind die Rotorblätter in den Wind gestellt, so zwingt die Wölbung die Luft einen längeren Weg zu nehmen als auf der Unterseite. Damit erhöht sich auf der Oberseite die Strömungsgeschwindigkeit und so sinkt gleichzeitig der statische Luftdruck. (s. Abb. 4) Auf der Unterseite ist dieser nun höher und durch die Druckdifferenz entsteht eine Auftriebskraft, welche den Flügel in Bewegung setzt. (vgl. Schabbach 2012, S. 95/96) Mit dem Anstellwinkel der Flügel kann die Rotorgeschwindigkeit an die Windverhältnisse angepasst und der Betrieb der Windkraftanlage geregelt werden. (vgl. ebd., S.96) Windkraftanlagen lassen sich in verschiedene Kategorien unterteilen. Neben den schon genannten Auftriebsprinzipien ist auch die Achsenstellung ein Unterscheidungsmerkmal. Diese kann vertikal oder horizontal sein.

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