1. Einführung - SINUS-Transfer Grundschule

Naturwissenschaftliches Lernen und
Lehren im Sachunterricht an
Grundschulen
Universität Münster
Seminar Didaktik des Sachunterrichts
Klaus Lemmen
Sinustagung
Neuss
14.03.2008

Agenda
1. Einführung – Zur Entwicklung des naturwissenschaftlichen Lernens und
Lehrens von der Heimatkunde bis heute
2. Naturwissenschaftliches Lernen und Lehren am Beispiel des
Unterrichtsthemas: Luftdruck und Wetter
3. Experimente zum Thema Luftdruck
Pause
4. Nachbesprechung der Versuche, Vorstellung der Unterrichtseinheit
Luftdruck und Wetter
5. Vorstellungen von Kindern vor und nach der U-Einheit (Prä-
/Postkonzepterhebungen) – Conceptual Change

1. Einführung
• Bis in die 90er Jahre: Kaum Sachunterricht mit
naturwissenschaftlich-technischem Schwerpunkt
– v.a. Biologie und Geographie
• TIMS und Pisa: Schüler im Alter von 15 Jahren haben
mittelmäßige bis schlechte naturwissenschaftliche Kenntnisse
– Forderung: Grundschulkinder sollten für einen naturwissenschaftlichen
Unterricht der Sekundarstufe besser vorbereitet werden
• Neue entwicklungspsychologische Erkenntnisse (B. Sodian,
E.Stern)
– Kinder im Grundschulalter sind zu weit anspruchsvolleren
Lernprozessen fähig, wenn Sie sich auf spezifische Erfahrungen in
dem jeweiligen Inhaltsbereich stützen können

1. Einführung
• Die Industrie beklagt den Ausbildungsstand von angehenden
Wissenschaftlern und Ingenieuren in Deutschland
– Zu wenig Interesse an Naturwissenschaften und Technik
• Sachunterrichtsdidaktiker (M.Soostmeyer, S.Thiel, W.Köhnlein,
K.Möller, H. Schreier, M.Zolg …) fordern die Vermittlung
grundlegender Kenntnisse im Bereich des
naturwissenschaftlich-technischen Lernens
– Im Besonderen: Physik, Chemie und Technik

1. Einführung
Aus Fehlern der Vergangenheit lernen
…
eine kurze Geschichte der Entwicklung
des Sachunterrichts in Deutschland

1. Einführung
• Zu Beginn der 20er Jahre: Heimatkunde
– Wichtigster Vertreter: Eduard Spranger (1882 – 1963)
• Die Kinder sollten wie in einem Brennglas ohne Trennung von
Fächern am Beispiel der heimatlichen Umgebung lernen
– V.a. geographische, biologische, historische Kenntnisse
• Grundlegende Bildung entsteht nach Spranger durch
– Verbindung des Wissenserwerbs mit den persönlichen Erlebnissen in
der Heimat
– Dadurch wird anschlussfähiges Wissen (so Spranger) aufgebaut

1. Einführung
• In den 50er Jahren: Sputnik-Schock (1957)
– In den USA wurden „geschlossene Curricula“ mit festen Vorgaben
der Inhalte und Arbeitsweisen entwickelt
– Neue Formen des naturwissenschaftlichen Lernens wurden diskutiert:
Entdeckendes Lernen (Jerome Bruner)
– Entwicklungspsychologie: Man nahm Abschied von festen
Zuordnungen einzelner Fähigkeiten zu Altersstufen der Kindheit;
Wichtiger: Gestaltung einer anregungsreichen Lernsituation.
• Diese Reformen hatten großen Einfluss auf die Entwicklung des
Sachunterrichts in Deutschland
– Reform der Lehrpläne in allen Bundesländern: ab Kl.1 Physik,
Chemie, Erdkunde, Geschichte (in NRW sogar 9 Fächer)

1. Einführung
– wissenschaftorientierter Sachunterricht, bezogen auf jede Altersstufe
– Basiskonzepte sollten vermittelt werden (z.B. dass jede Materie aus
kleinsten Teilchen besteht)
– Die Inhalte sollten nicht mehr aus der Heimat, der Lebensumgebung
der Kinder, sondern aus den Wissenschaften kommen.
• Abkehr vom Schwerpunkt des wissenschaftsorientierten
Sachunterrichts Ende der 70er Jahre
– Hauptkritik: Inhalte gingen an den Interessen der Kinder vorbei
• Kl.2: Steigt Öl in einem Kreidestück hoch?;
• Lösen sich Zucker und Salz in Spiritus?
– Die Lehrkräfte waren für diese Art des Unterrichts nicht ausgebildet
– Sachunterricht sollte Kompetenzen für die unmittelbare Bewältigung des
Alltags vermitteln (Lebens-Propädeutik)

1. Einführung
– Nicht mehr fächerspezifisch, sondern fächerübergreifend sollte
gelernt werden.
• Wichtigste Methode: Projektunterricht
– Rückbesinnung: Stärkerer Heimatbezug, emotionale Verbindung
(Migranten wurden dabei nicht berücksichtigt):
Lebensweltorientierter Sachunterricht
• Problem des Lebensweltorientierten Sachunterrichts
– Der Begriff Lebenswelt hat viele Facetten (Edmund Husserl:
„Es handelt sich um eine spezifisch subjektive Weltsicht,
Menschen führen ihr Leben in ihrer Welt eher unreflektiert, man
kann sogar sagen, es ist ein naives Hineinleben in den Alltag“

1. Einführung
– Subjektives Erleben wird stark betont, Bewusstmachen von
Strukturen und Reflexion des Alltagsverhaltens auf begründete
Regeln und Wertorientierung hin stehen dagegen zurück.
– Z.T. finden sich triviale Themen in den Lehrplänen:
» „Erzählen vom Schwimmbad“
» „Spielzeug aus Müll“
» Ein Didaktiker hat beim Thema Hunde sogar eine
„subjektive Hundekunde“ empfohlen
– Wenn man beim Subjektiven stehen bleibt, entstehen falsche
Konzepte

1. Einführung
• Lebenswelt-Sachunterricht allein
– läuft Gefahr, nur Alltagswissen zu wiederholen und evtl. Projekte
hervorzubringen, die zwar „hübsch“ sind, aber wenig Bildungswert
enthalten
• Wissenschaftlicher Sachunterricht allein
– läuft Gefahr, den Kindern fachliche Themen überzustülpen, die in ihrem
Alltag nicht vorkommen und die in bloße Arbeit mit Begriffen und
Merksätzen münden.
Wie soll also der moderne naturwissenschaftliche
Sachunterricht aussehen?

1. Einführung
• Anfang 2000 entwickelte die Gesellschaft für die Didaktik des
Sachunterrichts (GDSU) in Kommissionen und Arbeitskreisen für
ganz Deutschland einen Rahmenplan und gemeinsame
Zielsetzungen
– „Perspektivrahmen Sachunterricht“ 2002
– Kein Curriculum, sondern offener Rahmen für detaillierte Ausarbeitung
von Lehrplänen
– 5 Bereiche:
• Sozial- und kulturwissenschaftliche Perspektive
• Raumbezogene Perspektive
• Naturwissenschaftliche Perspektive
• Technische Perspektive
• Historische Perspektive

1. Einführung
– Anstelle des Fachunterrichts tritt das Vernetzungsmodell,
Querverbindungen zwischen den Bereichen werden aufgezeigt.
• Viele Lehrpläne werden zur Zeit überarbeitet bzw. treten gerade in
Kraft, folgende Entwicklungen können charakterisiert werden:
– Keine Fächer mehr, sondern Vernetzung von Lebenswelt mit
mehreren Fachperspektiven.
– Keine geschlossenen Curricula, aber gemeinsame Grundlagen in
wichtigen Ziel- und Inhaltsbereichen.
– In allen Bundesländern wieder viel stärkere Betonung
naturwissenschaftlicher Themen.
– In der Didaktik wird die Anschlussfähigkeit des Wissens gefordert;
Strukturwissen soll vermittelt werden.

1. Einführung
– In der Pädagogischen Psychologie wendet man sich gegen naive
Methoden von Anschauungsunterricht und entwickelt eine
forschungsbasierte Unterrichtstheorie, nach der die Schüler nicht nur
sinnlich erfahren,
• sondern z.T. abstrakte Denkstrukturen aufbauen.
• Aktuellen Untersuchungen (Hardy, Jonen, Möller & Stern 2006) zum
naturwissenschaftlichen Lernen:
– Strukturierungshilfen: Die Lehrerin weist auf sinnvolle Abfolge von
Teilthemen hin und fokussiert auf die wichtigsten Aspekte
– Kognitive Aktivierung: Die Lehrerin fordert immer wieder zur
kognitiven Durchdringung der Probleme auf: Vergleichen von
Ergebnissen; Hinweise, aus Beobachtungen etwas abzuleiten;
Anleitung zum wissenschaftlichen Denken, d.h. Vermutung
überprüfen; Aufforderung zu Schlussfolgerungen

1. Einführung
Wie können Lehrkräfte unterstützt
werden, die anspruchsvollen
modernen
naturwissenschaftlichen
Sachunterricht unterrichten
möchten?

1. Einführung
„Von Chirurgen verlangen wir nicht, dass sie
sich auf ihrem Weg zur Arbeit Verbandstoff und
scharfe Skalpelle besorgen, aber wir erwarten
das entsprechende von Lehrern.
Das funktioniert nicht.“
(Physics Today Online, 29.1.2002)

1. Einführung
Hindernisse auf dem Weg zur Implementation vom
naturwissenschaftlichem Sachunterricht
– Das Sammeln und Besorgen der Materialien für die Experimente –
Sehr zeitaufwändig.
– Viele Grundschullehrkräfte haben nicht ausreichende fachliche und
didaktische Vorkenntnisse im Bereich Naturwissenschaften/Technik
– Lehrerinnen und Lehrer müssen selbst erfahren, dass
Naturphänomene verstehbar sind (Fortbildungen in der 3.ten Phase
sind notwendig)
– „untaugliche“ Experimente in Experimentierbüchern

1. Einführung
Was Grundschullehrerinnen und –lehrer für anspruchsvollen
naturwissenschaftlichen Sachunterricht brauchen:
– (fast) alle für den Unterricht benötigten Materialien
– Fachliche Hintergrundinformationen, verständlich aufbereitet – am
konkreten Unterricht orientiert
– Organisatorische Hinweise für den Unterricht und detaillierte
Unterrichtsvorschläge
– Arbeitsblätter und Demonstrationsmaterialien

1. Einführung
– Didaktische und methodische Hilfen
– Hinweise auf typische Schülervorstellungen, Schülerfragen und
Lernschwierigkeiten

2. Luftdruck und Wetter
Warum dieses Thema?
- Lehrplan
- alle Kinder haben bereits Erfahrungen mit Luft gemacht
- starke Neugierde , Motivation
Welche Vorstellungen haben Kinder zu diesem Thema?
- Luft nimmt keinen Platz ein
- Luft ist nur da, wenn der Wind weht
- Luft hat kein Gewicht
- Luft enthält Sauerstoff, ohne Luft kein Leben
- Luft kann etwas bewegen, antreiben, bremsen

2. Luftdruck und Wetter
Kurzbefragung (nur für sich selbst)
Wie funktioniert ein Wandhaken?

2. Luftdruck und Wetter
Wiegt Luft etwas?
- Luft hat Gewicht
- eine wichtige Erkenntnis für den weiteren Unterricht

2. Luftdruck und Wetter
Aufbau der Luftschichten
Wir leben auf dem Grund eines Meeres
aus Luft …

2. Luftdruck und Wetter
Otto von Guericke
- lebte vor ca. 350 Jahren
- war Bürgermeister von Magdeburg
- war begeisterter Naturwissenschaftler
- ging der Frage nach:
Kann es einen Raum ohne Luft
geben?

4. Unterrichtseinheit zu Luftdruck und Wetter
- 1. Sequenz: Hat Luft Gewicht?
- 2. Sequenz: Das Luftmeer
- 3. Sequenz: Wir entdecken das „Nichts“
- 4. Sequenz: Die Entdeckung des Vacuums durch Otto von Guericke – Die
Magdeburger Halbkugeln
- 5. Sequenz: Die Wirkung des Luftdrucks anhand verschiedener Versuche
erfahren
- 6. Sequenz: Ottos erste Wettervorhersage – das Barometer
- 7. Sequenz: Der Luftdruck verändert sich mit der Höhe

Veränderung in unseren Vorstellungen
Wie funktioniert der Wandhaken?
Vergleich der Vorstellungen Prä-Postkonzepte

Veränderung in unseren Vorstellungen
Was passiert wohl, wenn du diesen Wandhaken hier auf die Platte
drückst?
� vor dem Unterricht � nach dem Unterricht
Ja. .. Das da drinnen keine Luft ist,
und dann saugt sich das so an.
(Felix 2000)
Dann geht da drinnen die Luft raus,
ja, dann bleiben die kleben. Ja,
auch weil das dann so drückt, von
außen, die Luft. (Felix 2000)
Die bleiben kleben! (Aria, prä 2000) Ich glaub, weil wenn man da dran
drückt, kommt die Luft raus und
die äußere Luft drückt das dran.
(Aria, 2000)
Die Luft wird darunter
zusammengedrückt, sozusagen,
deshalb bleibt das genauso kleben
wie das Glas. (Pia 2004)
Weil da wieder keine Luft drunter
ist und die Luft von außen den
herunter drückt. (Pia 2004)

Was verstehen wir unter lernen?
Lernen ist Verändern von Vorstellungen
Falsche Vorstellungen werden als nicht belastbar erkannt und
verändert
• Neue Vorstellungen, Erklärungen und Zusammenhänge werden
entdeckt
• Vorhandene Vorstellungen werden präzisiert, ausdifferenziert, feiner
abgestimmt
• Vorstellungen werden in verschiedenen Situationen angewendet
und
• Vorstellungen werden integriert

Im Unterricht das Verändern von Vorstellungen unterstützen
• Entdeckendes Lernen ermöglichen
• Motivierende Aufgaben und Fragen
• Gemeinsam denken und diskutieren
• Lernmaterialien als Unterstützung
• Anwendungen und sinnvolle Kontexte
• Reflexion fördern
Lernen als Conceptual Change und
konstruktivistische Ansätze als theoretische Basis

Im Unterricht das Verändern von Vorstellungen unterstützen
Solche Lernprozesse …
• fördern Kinder anspruchsvoll
• fördern Kinder in ihrer kognitiven Entwicklung
• entwickeln bei Kindern Interesse für naturwissenschaftliches
Denken
• gleichen vorhandene Erfahrungsdefizite bei Kindern aus
• und verfolgen darüber hinaus auch soziale und affektive Lernziele.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!