Forschendes Experimentieren im Schülerlabor

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1 SCHULPRAXIS Literatur GAU, B & MEYER, L. (2010). Physik 7 9. Gymnasium Nordrhein- Westfahlen. Berlin und Mannheim: Duden Schulbuchverlag, 76 ff. KIRCHHOFF, G. R. (1845). Ueber den Durchgang eines elektrischen Stromes durch eine Ebene, insbesondere durch eine kreisförmige. Poggendorf s Annalen LXIV, KREITEN, M. (2012). Chancen und Potenziale web-basierter Aufgaben im physikalischen Praktikum. Dissertation. Universität Köln, 117 ff., 130 ff. MEYER, L. & SCHMIDT, G.-D. (2009). Physik. Gymnasiale Oberstufe. Berlin und Frankfurt am Main: Duden PAETEC Schulbuchverlag, 316 ff. RHÖNECK, CH. V. (1986). Vorstellungen vom elektrischen Stromkreis. Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie 34(13), SHIPSTONE, D. M., RHÖNECK, C. V., JUNG, W., KÄRRQVIST, C., DUPIN, J. J. & LICHT, P. (1988). A study of students understanding of electricity in five European countries. International Journal of Science Education 10, STARAUSCHECK, E. (2003). Elektrizitätslehre nach dem Karlsruher Physikkurs. Phydid 1(2), URBAN-WOLDRON, H. & HOPF, M. (2012). Entwicklung eines Testinstruments zum Verständnis in der Elektrizitätslehre. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaft 18, ZITZELSBERGER, S. & RABE, T. (2011). Eine Analyse des Rhöneck-Tests. In: D. HÖTTECKE (Hrsg.): Naturwissenschaftliche Bildung als Beitrag zur Gestaltung partizipativer Demokratie. Münster: Lit Verlag, FLORIAN THEILMANN ist Assistenzprofessor für Physikdidaktik an der Universität Salzburg. florian.theilmann@sbg.ac.at. gc Forschendes Experimentieren im Schülerlabor Kognitive und motivationale Effekte WALTER ZEHREN HEINZ NEBER ROLF HEMPELMANN Beschrieben sind Experimentalaufgaben zu Themen des Chemieunterrichts der Klassen 8 12, ihre Entwicklung, Lösungswege von Schüler/innen und die Ergebnisse von drei Evaluationsstudien. Eine regelmäßige selbstständige Bearbeitung der Aufgaben über einen längeren Zeitraum verbessert epistemisches Fragen, den Einfallsreichtum beim Experimentieren, den intrinsischen Wert des Chemielernens und erhöht die Vorliebe für nicht angeleitetes Experimentieren. Zudem bleibt das Interesse an weiteren Laborbesuchen erhalten. 416 MNU 66/7 ( ) Seiten , ISSN , Verlag Klaus Seeberger, Neuss

2 1 Einleitung Mehrere Untersuchungen von Schülerlaboren belegen ihre kurzzeitig anhaltende motivierende Wirkung bei Einmalbesuchern (z. B. BRANDT 2005, AUFSCHAITER, DUDZINSKA, HAUEN- SCHILD & RODE, 2007, ENGELN, 2007). Jedoch liefern Analysen von Studien über Schülerlabore keine Belege für anhaltende Interessensteigerung (SCHMIDT, DI FUCCIA & RALLE, 2011). SCHMIDT et al. sehen auch Mängel in der unterrichtlichen Vor- und Nachbereitung der Laborbesuche. GUDERIAN (2007) findet bei Mehrfachbesuchern Hinweise auf einen stabilisierenden Einfluss der Unterrichtseinbindung auf das Interesse an physikalischen Fragestellungen. Von einer inhaltlichen Verknüpfung mit dem Unterricht und von Mehrfachbesuchen wird Nachhaltigkeit der Wirkungen von Laborbesuchen (ENGELN 2007, BRANDT 2005) und ein besseres Verstehen der Praktikumsinhalte (AUFSCHAITER et al. 2007, GLOWINSKY 2007, GUDERIAN 2007, SCHARFENBERG 2005) erwartet. Hinsichtlich der Strukturierung von Aufgabenstellungen für Schülerexperimente finden sich unterschiedliche Empfehlungen. ENGELN (2007) und AUFSCHAITER et al. (2007) würden zugunsten der Authentizität der Lernsituation in den Schülerlaboren auf offene Aufgabenstellungen verzichten. BRANDT (2005) dagegen kritisiert Experimente nach Schritt für Schritt Anweisungen und fordert diesbezüglich mehr Kreativität bei der Konzeption von Aufgaben. Nach eigenen Angaben bekommen Schülerinnen und Schülern laut Pisa 2006 im regulären Unterricht regelmäßig Demonstrationsexperimente zu sehen, erhalten zum Teil aber auch Gelegenheit für»hands-on«-aktivitäten unter strukturierter Anleitung (SEIDEL, PRENZEL, WITTWER & SCHWINDT, 2007). Analysen des Naturwissenschaftsunterrichts (BAUMERT & KÖLLER 2000, SEIDEL et al. 2007) liefern ähnliche Befunde. NEBER und ANTON (2008) betonen die Bedeutung präexperimenteller Aktivitäten bei der Laborarbeit im Chemieunterricht, denn dort würden auf Wissensziele ausgerichtete (epistemische) Fragen gestellt und Versuche geplant. In dieser meist vernachlässigten Anfangsphase liefen zudem aufeinander bezogene kognitive Aktivitäten ab: Problem erkennen, Untersuchungsfragen und darauf bezogene Hypothesen formulieren sowie weitere Schritte planen, um Evidenz zur Prüfung der Hypothesen zu gewinnen. Unterrichtsanalysen im Rahmen von Pisa 2006 ergeben in allen OECD-Staaten im Durchschnitt einen besonders gering ausgeprägten Forschungsaspekt der Naturwissenschaften (SEIDEL et al. 2007). Bei der Konzeption der Experimentalaufgaben für Nano Bio- Lab, dem Schülerlabor im Fachbereich Chemie an der Universität des Saarlandes, wurden beide Aspekte mit dem Ziel fokussiert, Interesse und Naturwissenschaftsverständnis gleichzeitig zu fördern. Die Aufgabenstellungen entstanden in einer dreijährigen Entwicklungsphase unter Mitbeteiligung von Schülern und Lehrerkräften unter Berücksichtigung von Kritik an Inhalten und Verlauf der Praktika, Rückmeldungen aus dem nachfolgenden Unterricht sowie der aufgrund nachgewiesener Abneigung gegenüber Chemie- und Physikunterricht (z. B. WHITFIELD 1980, ENGELN, 2007) als besonders bedeutsam eingestuften Nachfrage nach weiteren Praktika. Während dieser Entwicklungsphase ergaben sich fünf Kennzeichen nachhaltig wirkender Praktika: Mehrfachbesuche im Verlauf eines Schuljahres thematische Einbindung in den laufenden Unterricht Aufgabenstellungen zu abgeschlossenen Unterrichtsthemen offene Fragestellungen wahlfreier Zugriff auf Chemikalien und Geräte Zum Nachweis kognitiver und motivationaler Effekte infolge der Bearbeitung solcher Aufgabenstellungen wurden zunächst die Bereitschaft für weitere Laborbesuche und die Bewertung der Labormerkmale nach fünf Laborbesuchen im Verlauf des achten Schuljahres bestimmt. Nach weiteren Besuchen eines Teils dieser Schüler in der Klassenstufe 9 wurde ihre Fähigkeit ermittelt, in einer Experimentalsituation Fragen zu stellen und Lösungsstrategien zu entwickeln. Schließlich wurden Schüler/innen einer Klassenstufe 13, die das Labor von Klasse 8 an durchschnittlich zwanzigmal besucht hatten, zur Einschätzung ihres Leistungsvermögens in den Naturwissenschaften, zum Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen und zum bevorzugten Strukturierungsgrad der Experimente befragt. 2 Konzept der Studie An den evaluierten Praktika waren neun Klassen der Klassenstufe 8 (N = 173) saarländischer Gymnasien und die Teilnehmerinnen (N = 38) des sog. UniCamp (UC) (STEINMANN & GLÜNDER, 2004) beteiligt. Die Klassen kamen aus mathematisch-naturwissenschaftlichen (mn) und sprachlichen (spr) Zweigen, in denen Chemie mit drei bzw. zwei, Physik mit vier bzw. zwei und Mathematik mit fünf bzw. vier Wochenstunden unterrichtet wurde. UniCamp ist ein Projekt der Universität des Saarlandes, an dem jährlich 40 interessierte Schülerinnen der Klassenstufe 8 aus dem ganzen Saarland teilnehmen, die aus einer Gruppe von etwa 80 Interessentinnen an dem saarlandweit ausgeschriebenen Projekt ausgelost werden. Sie absolvieren halbtägige Praktika in den Fachbereichen Mathematik, Informatik, Physik, Mechatronik, Elektrotechnik, Werkstoffwissenschaften und in dem untersuchten Schülerlabor NanoBioLab des Fachbereichs Chemie. Diese Gruppe dient aufgrund des Auswahlverfahrens, das überdurchschnittliches Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen erwarten lässt, als Bezugswert (Benchmark). Bestätigt wird diese Erwartung durch die Befragung, die hohe positive Werte für intrinsische Motivation bzw. Bewertungen der Selbstständigkeit (siehe 3.4, Abb. 3 und 4) liefert. Durch ihre Praktika zu Themen, die Schritt-für-Schritt-Anweisungen erforderlich machen, verfügen sie zudem über Vergleichsmöglichkeiten bei der Bewertung der Aufgaben im NanoBioLab. 3 Ergebnisse 3.1 Aufgabenstellungen und Laborkonzept Zunächst ließen sich die in der Entwicklungsphase ermittelten Aufgabenkennzeichen für Forschendes Experimentieren präzisieren und Rahmenbedingungen für die Praktika formulieren: Die Aufgaben sind thematisch in den laufenden Unterricht eingebunden, in höchstens 15 Minuten zu bearbeiten sowie offen und enaktiv lösbar. Zudem sind sie mit (Fehl)vorstellungen verbunden und weisen Anknüpfpunkte für weitere Untersuchungen auf. Die Arbeitsplätze ermöglichen wahlfreien Zugriff auf viele Geräte und Chemikalien und bieten drei Personen Platz. Die Praktika sollten regelmäßig und in Abständen von etwa zehn Unterrichtsstunden stattfinden. Der geringe Zeitbedarf für die einzelnen Arbeitsschritte ermöglicht es, Schüler/-innen gewähren zu lassen, bis Befunde ausbleiben oder bestehenden Vorstellungen widersprechen. Dadurch wird ein Forschungsprozess angeregt und durch Faktenwissen in Gang gehalten, das die Konzeption von Versuchen, die Bewertung von Befunden und die Planung weiterer experimenteller Schritte ermöglicht. Ohne Faktenwissen gerät selbstständiges Experimentieren zu einem ziellosen Herumhantieren. Experimentierzeiten von mehr als etwa 15 Minuten für einzelne Versuchsteile machen aus Zeitgründen eine Unterbrechung von Schüler mit einer falschen Strategie erforderlich, noch ehe 417

3 Befunde vorliegen, die den Forschungsprozess in Gang halten würden. Frei zugänglich am Arbeitsplatz sind gängiges Handwerkszeug (Spatel, Glasstäbe, Pasteurpipetten usw.), einfache Glasgeräte (Bechergläser, Erlenmeyerkolben, Stand- und Messzylinder usw.) sowie Apparaturen zum Auffangen von Gasen. Material für bestimmte Zwecke, beispielsweise die Einzelteile einer Destillationsapparatur, wird nur bei Bedarf ausgegeben; ansonsten sind die Schüler/-innen überfordert. Zudem befinden sich die Chemikalien für das gesamte Versuchsrepertoire des Labors sowie Nachweisreagenzien und Indikatoren an den Arbeitsplätzen (Abb. 1). Die Gruppengröße resultiert aus dem Platzangebot und der Vorliebe von Schülern für Dreiergruppen. Eine Mindestunterrichtszeit zwischen den Praktika ergibt sich aus der Notwendigkeit abgeschlossener Themen für Forschendes Experimentieren. Die Praktika erstrecken sich über zwei bis drei Stunden und für durchschnittlich acht Schüler steht ein Betreuer zur Verfügung. Abb. 1. Laborarbeitsplatz links mit Glasgeräten, Chemikalien und Einzelteilen einer Destillationsapparatur sowie Schublade (rechts oben) und Unterschrank (rechts unten) mit Arbeitsgeräten 3.2 Die Praktika Für die Klassenstufe 8 und 9 standen sieben bzw. sechs Versuche zur Verfügung, die in Absprache mit den Fachlehren nach dem Unterrichtsstand der Klasse ausgewählt wurden; für die in Klassenstufe 13 befragten Schüler existierten zehn weitere Versuche für die Experimentiertage im Verlauf der Klassenstufen Die Ausstattung der Arbeitsplätze ist unter 3.1 und nachfolgend ein Praktikum für die Klassenstufe 9 beschrieben Analyse von Hydroxiden (Klasse 9); Aufgabenstellung Hinweise: Feststoffmengen unter 0,2 g verwenden. Nie ein und dieselbe Pipette für unterschiedliche Stoffe benutzen. Ständig die Schutzbrille tragen. Wenn Chemikalien auf die Haut gelangen, sofort mit viel Wasser abwaschen. Aufgabe 1: Gegeben sind drei Feststoffe A, B und C. Bestimme mithilfe ihrer wässrigen Lösungen, welcher dieser Stoffe Lithium-, Natrium- bzw. Kaliumhydroxid ist. Zur Verfügung dafür stehen Salzsäure und Lackmusfarbstoff. Aufgabe 2: Überprüfe deine Befunde anhand der Flammenfärbung der Feststoffe. Aufgabe 3: Das Gas Kohlenstoffdioxid reagiert sehr gut mit den Hydroxidlösungen. Mit Hilfe dieser Reaktion kannst Du die drei Stoffe ebenfalls unterscheiden. Du benötigst dann noch nicht einmal einen Indikator. Verwende für diese Reaktion Kohlenstoffdioxid aus der Druckflasche und zwei Einmalspritzen mit einem Verbindungsstück Analyse von Hydroxiden; Vorgehensweise und Lösungsstrategien Für diesen Versuch sollten Alkali- und Erdalkalimetalle, ihre Oxide und Hydroxide, die Halogenwasserstoffssäuren, die Herstellung von Halogeniden durch Neutralisation, einige Säure-Base-Indikatoren und molare Größen bekannt sein. Dann verlaufen die Schüleraktivitäten beim selbstständigen Experimentieren in der Regel in den folgenden Phasen (NEBER & ANTON, 2008): Aufgabe erkennen, Vorwissen aktivieren, Frage stellen, präexperimentelle Aktivitäten Antwort vermuten, Vorgehen planen Versuch ausführen, Befunde analysieren, Befunde interpretieren. Bis zur vollständigen Lösung einer Aufgabe werden diese Phasen, meistens eingeleitet durch unterschiedliche Interpretationsmöglichkeiten von Befunden, häufig mehrfach durchlaufen (siehe Tabelle). Angetrieben und strukturiert wird jeder Durchlauf von Faktenwissen, ohne dass selbstständiges Arbeiten ins Stocken gerät, weil nachfolgende Fragen kein ausreichendes Niveau aufweisen. Beispielsweise fehlt einer Frage mit der Struktur»Was passiert wenn?«eine epistemische Qualität mit der Folge, dass eine Vielzahl möglicher Antwortvermutungen einer zielgerichteten Versuchsplanung entgegenstehen. Forschungsfragen jedoch wie:»besteht ein Zusammenhang zwischen der Indikatorfarbe und den Stoffkonzentrationen?«reduzieren die Anzahl möglicher Antwortvermutungen. Dadurch wird das Fragestellen zur wichtigsten Phase der Sequenz, denn eine präzise Frage liefert in Verbindung mit Antwortvermutungen ein Konzept für das weitere Vorgehen. Das erklärt auch die besondere Bedeutung der ersten vier Phasen, die zunächst zusammengenommen als präexperimentelle Aktivität bezeichnet worden waren. Ihre Unterteilung wurde von NEBER und ANTON (2008) zur Strukturierung von Hilfen während des Experimentierens vorgeschlagen. Die Bearbeitung der NanoBioLab-Aufgabenstellungen verläuft nur dann selbstständig, wenn Unterstützung durch Betreuer während der präexperimentellen Phase erfolgt und auf Hilfen zum Erinnern von Faktenwissen begrenzt bleiben kann. Für den Versuch werden zunächst kleine gleiche Portionen der Stoffe in Wasser gelöst, um sie dann mit Hilfe des Indikators zu unterscheiden. Das geringe Ausmaß von Farbunterschieden zwischen den einzelnen Ansätzen aufgrund unterschiedlicher Indikatorkonzentrationen führt zu ersten Bedenken hinsichtlich der gewählten Strategie. Klarheit bringt jetzt eine Überprüfung von Konzentrationseinflüssen. Die nächste Strategie zielt auf die Neutralisation der drei Stoffe mit einem Fokus entweder auf den gebildeten Salzen oder den nachfolgend näher betrachteten Säureverbrauchswerten. Die Schüleraktivitäten verlaufen in Zyklen, die jeweils durch unerwartete Befunde aus einem vorangegangenen Experiment angeregt werden (siehe Pfeile in Tab. 1). Die falschen Zuordnungen* (Tabelle 1, letzte Zeile) der Hydroxide nach drei Forschungszyklen durch die meisten Schüler sind eine Folge der Fehlvorstellung»Kaliumhydroxidlösung benötigt die meiste Säure aufgrund der größeren Teilchen«. Die Korrektur dieser Vorstellung erfolgt in weiteren Forschungs- 418 MNU 66/7 ( )

4 zyklen, die durch die Bestimmung der Flammenfärbung eingeleitet werden. Letztlich ermöglicht Wissen über Stoffmengen, molare Massen und molare Teilchenzahlen eine plausible Interpretation der Befunde. 3.3 Ergebnisse der Evaluation Studie in Klassestufe 8 nach einjähriger Teilnahme Befragt wurden die UC-, mn- und spr-teilnehmern (siehe 2.) mit Hilfe eines Fragebogens, der bereits zur Evaluation des Teutolab eingesetzt worden war (BRANDT et al., 2008) und an die Gegebenheiten im NanoBiolab angepasst wurde. Spätestens drei Tage nach dem letzten Laborbesuch wurden die Fragebögen anonymisiert beantwortet. Interesse an Folgebesuchen in % % 87 % UC (N = 38) spr ( N = 77) Gruppen Abb. 2. Interesse an Folgebesuchen UC = UniCamp, spr = sprachliche Klassen, mn = naturwissenschaftliche Klassen 97 % mn (N = 96) Das Interesse an Folgebesuchen wurde mithilfe des Items»Würde auch im kommenden Jahr 1 bis 2 mal teilnehmen.«ermittelt. Geantwortet wurde durch Ankreuzen von»ja«oder»nein«. Insgesamt 88 % der Mädchen und 85 % der Jungen wollen das Labor weiterhin besuchen. Von den sprachlichen Klassen sind das 87 %, von den mathematisch-naturwissenschaftlichem Klassen 95 % und von den Teilnehmerinnen am UniCamp 73 % (Abb. 2). In Anbetracht einer ansonsten eher geringen Wertschätzung des Faches Chemie durch Schüler/-innen dieser Altersgruppe (z. B.: WHITFIELD 1980, ENGELN 2007) wird der Wunsch nach weiteren Laborbesuchen als aussagekräftiger Beleg für die motivationssteigernde Wirkung von NanoBioLab angesehen. Das mit 73 % geringere Interesse an Folgebesuchen in der UC-Gruppe gegenüber 87 % und 97 % in den mn- bzw. spr-klassen (Abb. 2) sollte in Verbindung mit deren anstrengender Arbeitswoche an der Universität während der Schulferien und dem Einmalbesuch im NanoBioLab gesehen werden. Auch die Bewertungen fachspezifischer Effekte der Langzeitteilnehmer aus dem mn-zweig, Intrinsische Motivation im Labor mit drei Items wie:»weil ich gerne knifflige Probleme löse«, Gefallen am Labor mit fünf Items wie:»während des Experiments verging die Zeit wie im Flug«, Relevanz der Inhalte des Labors mit vier Items wie:»ich habe etwas gelernt, was für mich persönlich wichtig ist.«und Labor Selbstkonzept mit sechs Items wie:»solche Experimente würde ich lieber machen, wenn sie etwas leichter wären«, liegen deutlich über dem Skalenmittel von 3,5 Phase Inhalte 1. Forschungszyklus 2. Forschungszyklus 3. Forschungszyklus Aufgabe erkennen Analyse von Hydroxiden Faktoren bestimmen mit Einfluss auf Indikatorfarbe Vorwissen aktivieren Lösungen, Indikatoren Massen- und Stoffmengenkonzentration Frage stellen Antwort vermuten Vorgehen planen Welche Farbe hat der Indikator in Lösungen der drei Hydroxide? Die Farben sind unterschiedlich Hydroxid in Wasser lösen und Indikator hinzufügen. Tab. 1. Phasen der Schüleraktivitäten beim Experimentieren Besteht ein Zusammenhang zwischen der Indikatorfarbe und den Konzentrationen der Stoffe? vier Möglichkeiten: beide, keiner, eine der beiden Konzentrationen beeinflussen Farbe Vergleich der Farben mit bestimmten Konzentrationen der Stoffe Versuch ausführen Material zusammenstellen Stoffportionen mit gleichen Massen einwiegen Befunde analysieren Befunde interpretieren * siehe nachfolgenden Text Unterschiedliche Farbintensitäten?/-töne?/ Farben? Indikatorfarbe hängt vom Hydroxid ab? Farbunterschiede kommen anders zustande? Indikator hat immer die gleiche Farbe. Unterscheidung anhand der Indikatorfarbe ist nicht möglich Stoffe bestimmen, die mit/aus Hydroxiden reagieren/entstehen. Säuren, Neutralisation, Salze Verbrauchen die Hydroxide unterschiedliche Säuremengen? KOH verbraucht die meiste Säure Neutralisation mit bestimmten Wasser-, Feststoff- und Indikatormengen Lösungen herstellen, Säureverbrauch bestimmen Säureverbrauch steigt in der Reihenfolge A, B, C A* = LiOH, B = NaOH, C* = KOH Erklärungen Teilchengrößen Elektronenschalen Basenstärken 419

5 (Abb. 3). In Anbetracht eines ansonsten kontinuierlichen Rückgangs des Interesses an den Naturwissenschaften im Verlauf der Sekundarstufe (z. B. GARDNER 1998, PRENZEL, SCHÜTTE & WALTER 2007) lässt sich dieser Befund als Bestätigung des Laborkonzeptes werten. Die Teilnehmer aus dem spr-zweig zeigen gegenüber denen des mn-zweiges ein signifikant geringeres Interesse an den naturwissenschaftlichen Inhalten (Abb. 3), stimmen aber den fachunabhängigen Kriterien zu (Abb. 4) und bestätigen damit regelmäßige selbstständige Arbeit an offenen Aufgabenstellungen als mögliche Voraussetzung für die Entstehung von Interesse. Intrinsische Motivation im Labor Gefallen am Labor Relevanz der Inhalte des Labors Labor-Selbstkonzept Unicamp naturwissenschaftlich sprachlich (N = 69) an fünf, drei, bzw. einem weiteren Praktikum teil und wurden im Anschluss daran in einer kombinierten Interview- Fragebogenstudie gegen 3 mn-klassen (N = 59) untersucht, die nicht an den Praktika teilgenommen hatten (Kontrollgruppe). In einer 20-minütigen Vorbereitung auf Interview und schriftliche Befragung sollten die Schüler mit zwei unterschiedlichen Gasfeuerzeugen und einem Stück Kupferblech experimentieren, dabei für einen zukünftigen Experimentiertag in einem gut ausgestatteten Labor eine Forschungsfrage mit chemischer Bedeutung formulieren, einen Versuch zur Beantwortung dieser Frage konzipieren sowie den Versuchsverlauf vorhersagen und interpretieren. Nachfolgend sind nur die Ergebnisse des Fragebogenteils berichtet. Die Überlegungen der Schüler während der Vorbereitung wurden mit einem von NEBER (2002) übernommenen Fragebogen erfasst. Z. B.:»Zuerst habe ich mir vorgestellt, was man mit den Feuerzeugen und dem Blech alles machen kann. Ich habe mir vorgestellt, was ich zu der Situation nicht genau weiß. Es war mir wichtig, eine Frage zu stellen, die sich durch einen Versuch eindeutig beantworten lässt. Es ist mir schwer gefallen, eine passende Frage zu überlegen. Mir sind mehrere Fragen dazu eingefallen.«in Abbildung 5 sind die Experimentierabsichten der Schüler, die empfundenen Schwierigkeiten bei der Formulierung einer Forschungsfrage und die Häufigkeiten dargestellt, mit der mehrere Forschungsfragen gefunden wurden. Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse einer detaillierten 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Bewertung 4,5 5,0 5,5 6,0 Abb. 3. Chemiespezifische Laborbeurteilung, Skala von 1 6 (steigende Zustimmung) nach fünf Besuchen. Abgeschwächte Färbung: signifikante Unterschiede zwischen benachbarten Gruppen, p < 0,01, (einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) mit dem Zwischen subjektfaktor Gruppe (UC, mn, spr)). 1 Frage experimentell beantwortbar nach mir Unbekanntem Formulierung schwierig mehrere gefunden Teilnehmer Kontrollgruppen Hilfestellung durch die Betreuer Zustimmung Disziplin im Labor Bewertung der Selbstständigkeit Selbstständigkeit beim Arbeiten im Labor Kleingruppenarbeit 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Bewertung Unicamp naturwissenschaftlich sprachlich 4,5 5,0 5,5 6,0 Abb. 4. Allgemeine Laborbeurteilung, Skala von 1 6 (steigende Zustimmung) nach fünf Besuchen. Abgeschwächte Färbung: signifikante Unterschiede zwischen benachbarten Gruppen, p < 0,01, (einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) mit dem Zwischen subjektfaktor Gruppe (UC, mn, spr)) Studie in Klassenstufe 9 nach zweijähriger Teilnahme In Klassenstufe 9 nahmen von den Teilnehmern aus Klassenstufe 8 des Vorjahres zwei mn-klassen und eine spr-klasse Abb. 5. Fragen stellen, Skala von 1 5 (steigende Zustimmung). Abgeschwächte Färbung: signifikante Unterschiede, p < 0,01 (einfaktorielle Varianz analyse ( ANOVA) mit dem Zwischensubjektfaktor Gruppe (Teilnehmer, Kontrollgruppe)) Frage Versuche Beantwortbarkeit Fachliche Tiefe Anzahl Materialbedarf Beschreibung 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Bewertung Teilnehmer Kontrollgruppen 3,0 3,5 Abb. 6. Bewertung von Schülerangaben. Abgeschwächte Färbung: signifikante Unterschiede, p < 0,01, (einfaktorielle Varianz analyse (ANOVA) mit dem Zwischensubjektfaktor Gruppe (Teilnehmer, Kontrollgruppen)) 1 Bei einer einfaktoriellen Varianzanalyse wird der Einfluss einer unabhängigen Variable (Faktor, hier der Laborbesuch) mit k verschiedenen Stufen auf die Ausprägungen einer davon abhängigen Zufallsvariablen (hier die Aspekte der Laborbeurteilung) untersucht. 420 MNU 66/7 ( )

6 Bewertung dieser Fragen, konzipiert in Anlehnung an Befragungen NEBERs (2002, 2008), nach Beantwortbarkeit und fachlicher Tiefe. Beantwortbarkeit umfasst die zunehmende Spezifität der Antworterwartungen und den Tiefgang der Fragen im Hinblick auf geplante Analysen nach folgender Abstufung: 1. keine Angaben, 2. Fragen ohne Antworterwartung: Was passiert wenn?, 3. Fragen mit nicht spezifizierter Ant worterwartung: Was entsteht?, Welche Reaktionen laufen ab?, Wie reagiert?, Welche Eigenschaften hat?, 4. Fragen mit spezifizierter Antworterwartung: Handelt es sich um Kupfer?, Leitet Kupfer Wärme? und 5. komplexe Fragen: Wie viel Sauerstoff kann Kupfer aufnehmen?, Reagiert das Blech mit Luft oder der Flamme? Die fachliche Tiefe und damit der Fragenwert steigen mit der Reichweite der Frage im Hinblick auf eine chemische Analyse. Sie reichen von trivial, d. h. ohne Fachkenntnisse beantwortbar, über chemische Aspekte ohne Angabe von Messgrößen über stoffcharakteristische Eigenschaften bis hin zu komplexen Versuchen mit zum Teil quantitativen Aspekten. Berücksichtigt wurden zudem die Anzahl der Fragen, der Materialbedarf fürs Experimentieren und die Beschreibung des Versuchs. Danach suchen die Praktikumsteilnehmer vermehrt nach unbekannten Zusammenhängen, empfinden das Formulieren geeigneter Forschungsfragen als schwieriger, finden jedoch häufiger mehrere Forschungsfragen. Diese Befunde werden als intensiveres Nachdenken infolge tieferen Verständnisses naturwissenschaftlicher Sachverhalte gedeutet. Gestützt wird diese Interpretation durch die Ergebnisse der oben erwähnten Interviews (ZEHREN, 2009), die in diesem Artikel nicht berichtet werden. Alle Befunde lassen sich in ein»modell vollständigen Wissens«(NEBER, 1994, NEBER & ANTON, 2008) einbinden, wonach Faktenwissen in so bezeichnetes Objektwissen (= anwendbares Wissen) transformiert wird. Diese Erweiterung soll aktiv erfolgen und nach einem Vorschlag NEBERs in einer sog. präexperimentellen Phase, welche auch die Formulierung einer Forschungsfrage beinhaltet, angestoßen werden (NEBER & ANTON, 2008, S. 145). Im NanoBioLab, darauf deuten die Befunde der vorliegenden Arbeit hin, werden solche Fragen infolge wiederholter Bearbeitung offener Experimentalaufgaben spontan angeregt Studie in Klassenstufe 13 nach fünfjähriger Teilnahme Beteiligt waren 26 Schülerinnen und Schüler, die in den Klassenstufen acht bis dreizehn das Labor regelmäßig besucht und dabei die Labor- und Aufgabenentwicklung bei durchschnittlich 20 Besuchen miterlebt hatten. Diese Gruppe wurde im Verlauf der Klassenstufe 13 gegen den Rest der Jahrgangsstufe, die in den Klassenstufen 12 und 13 Biologie oder Physik belegt hatte (N = 46), befragt. Zur Messung der auf die Naturwissenschaften bezogenen motivationalen Variablen Selbstwirksamkeit (z. B.:»Ich bin mir sicher, dass ich die Inhalte des Faches verstehe«) und intrinsischer Wert (z. B.:»Was ich in dem Fach lerne, hat für mich einen wirklichen Wert«) wurden zwei Subskalen mit elf bzw. sieben Items des»motivated Learning Strategy Questionnaire«(NEBER, 2008) verwendet. Die Präferenz für offenes Experimentieren wurde mit einer aus zehn Items (z. B.:»Ich bevorzuge Experimente, bei denen ich meine eigene Fragestellung entwickeln kann«, bzw.» bei denen die einzelnen Schritte genau vorgeschrieben sind.«) bestehenden Skala von NEBER (2002) überprüft. Abbildung 7 zeigt die Ergebnisse einer Varianzanalyse (M T /M NT = Mittelwert der Teilnehmer/Nichtteilnehmer). Für die Schüler/innen der Interventionsgruppe hat das Lernen in den Naturwissenschaften einen signifikant höheren intrinsischen Wert M T = 4,61; SD = 1,09/M NT = 4,06; SD = 1,07; F = 5,52; p = 0,02 und sie präferieren Experimente ohne Schritt-für- Schritt-Vorgaben (M T = 3,39; SD = 0,78, M NT = 2,70; SD = 0,76; F = 9,90; p = 0,00). Der intrinsische Wert ist ein Maß für das empfundene Leistungsvermögen»Ich bin mir sicher, dass ich die Inhalte des Faches verstehe«und die Einschätzung im Vergleich zu den Mitschülern»Verglichen mit anderen sind meine Lernfertigkeiten in diesem Fach ausgezeichnet«. Auch das signifikant größere Interesse an offenen Aufgabenstellungen,»Ich bevorzuge Experimente, bei denen ich meine eigenen Fragestellungen entwickeln kann.«oder» bei denen ich mir die einzelnen Schritte selbst überlegen muss.«belegen ihr Vertrauen in die eigene Leistungsfähigkeit. Bestätigt werden die Angaben durch die höhere Ablehnung von Experimenten nach detaillierter Anleitung (M T = 2,65; SD = 0,76, M NT = 3,42; SD = 0,85; F = 6,29; p = 0,02). Selbstwirksamkeit Intrinsischer Wert Präferenz für offenes Experimentieren Präferenz für strukturiertes Experimentieren 2,0 2,4 Teilnehmer Nicht- Teilnehmer 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 Bewertung Abb. 7. Ergebnisse einer Befragung in Klassenstufe 13. Abgeschwächte Färbung: signifikante Unterschiede, p < 0,01, (einfaktorielle Varianz analyse (ANOVA) mit dem Zwischensubjektfaktor Gruppe (Teilnehmer, Kontrollgruppen)) Keine Unterschiede finden sich hinsichtlich der naturwissenschaftsbezogenen Selbstwirksamkeit, die als die subjektive Erwartung zu verstehen ist, in den Naturwissenschaften gut/leicht lernen zu können (Abb. 7), (M T = 4,32; SD = 1,31, M NT = 4,10; SD = 1,40; F = 0,13; p = 0,71). Dieser Befund ist wohl darauf zurück zu führen, dass sich die Schüler durch Items wie»verglichen mit anderen in dem Fach (den Fächern) schneide ich gut ab«, innerhalb einer Gruppe vergleichen. Ein Vergleich zwischen Interventions- und Vergleichsgruppe ist somit nicht aussagekräftig. 4 Zusammenfassung, Diskussion und Ausblick NanoBioLab ermöglicht Schülern eine selbstständige Bearbeitung ergebnisoffener Fragestellungen aus dem laufenden Unterricht. Die Entwicklung der unterrichtsbezogenen Aufgabenstellungen orientierte sich an Erfahrungen mit gymnasialem Experimentalunterricht, Rückmeldungen von Mehrfachbesuchern der Mittelstufe und deren Fachlehrern über den Einfluss der Praktika auf den nachfolgenden Schulunterricht. Kennzeichnend für die Aufgabenstellungen ist die thematische Einbindung in den laufenden Unterricht, die Bearbeitungsdauer von höchstens 15 Minuten, ihr offener Charakter und die enaktive Lösbarkeit. Häufig sind sie mit (Fehl)vorstellungen verbunden und weisen Anknüpfpunkte für weitere Untersuchungen auf. Die Arbeitsplätze ermöglichen wahlfreien Zugriff auf viele Geräte und Chemikalien und bieten drei Personen Platz. Die Praktika sollten regelmäßig in Abständen von etwa 421

7 10 Unterrichtsstunden stattfinden. Diese Unterrichtsnähe, die zu Beginn der Studie von den Lehrkräften der teilnehmenden Schüler ausdrücklich gewünscht worden war und sich im Nachhinein als wichtige Voraussetzung für das selbstständige Experimentieren erwiesen hat, ermöglicht inzwischen eine Einbindung des Schülerlabors in die Fachdidaktikausbildung der Lehramtsstudenten im Fach Chemie und begünstigt dadurch auch die Zusammenarbeit mit Schulen, weil immer mehr Lehrer das Labor bereits aus ihrer Ausbildungszeit kennen. In drei Evaluationsprojekten mit Kontrollgruppendesign nach Mehrfachbesuchen über Besuchszeiträume von einem, zwei und fünf Jahren konnten eine positive Bewertung der Labormerkmale, ein höherer intrinsischer Wert des Chemielernens und eine Präferenz von Experimenten ohne Schritt-für-Schritt- Vorgabe nachgewiesen werden. Zudem zeigt sich eine Verbesserung der Qualität epistemischer Fragen dahingehend, dass vorausschauendes Denken mit einem Fokus auf beobacht- und messbare Größen erkennbar ist, was wiederum eine Vorhersage von Ergebnissen ermöglicht, die dann zum eigentlichen Forschungsgegenstand werden. Die daraus resultierende Beantwortbarkeit der Fragen ist das Ergebnis von experimentstrukturierenden präexperimentellen Aktivitäten, die durch die Praktika angeregt werden und von NEBER und ANTON (2008) als unverzichtbar eingestuft werden, weil sie intentionales Lernen ermöglichen. Der Wunsch nach weiteren Laborbesuchen im Anschluss an mehrere zeitaufwendige Praktika zu scheinbar trivialen Aufgabenstellungen aus dem laufenden Unterricht ist als Beleg für Sachinteresse zu werten. Eine Analyse von 21 Studien aus den Jahren durch SCHIEFELE, KRAPP und SCHREYER (1993) zeigt einen Zusammenhang zwischen thematischem Sachinteresse und erfolgreichem akademischen Lernen insbesondere für die Fächer Mathematik, Physik und Chemie; d. h. dieses Sachinteresse trägt viel zum Lernerfolg in den genannten Fächern bei. Gesehen wird auch ein Zusammenhang zwischen thematischem Sachinteresse und intrinsischer Motivation, die nach gegenstands- und tätigkeitszentriert unterteilt wird (HASSELHORN & GOLD, 2006). Vertreter kognitivistischer Ansätze nehmen an, dass intrinsisch motivierte Lerner tieferes Verständnis erreichen, weil sie sich auf höherem Niveau mit dem Lernstoff auseinander setzen. Zukünftig sollten universitätsbasierte Schülerlabore, das empfehlen auch BRANDT et al. (2008), als Plattform für weitere Studien dienen. Untersuchungsbedarf besteht für das Ausmaß des Einflusses einzelner effektverursachender Faktoren wie der Strukturierungsgrad der Problemstellungen (NEBER, 2006), Wechselwirkungen mit dem regulären Chemieunterricht, die Formulierung der Aufgabenstellungen, die Struktur der Hilfestellungen und die Teilnahmehäufigkeit. Literatur AUFSCHAITER, C. V., DUDZINSKA, M., HAUENSCHILD, S. & RODE, H. (2007). Lernprozesse im Schülerlabor anregen und evaluieren. Eine Untersuchung zum TechLab der Universität Hannover. MNU, 60(3), BAUMERT, J. & KÖLLER, O. (2000). Unterrichtsgestaltung, verständnisvolles Lernen und multiple Zielerreichung im Mathematik- und Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe. In J. BAUMERT, BOS, W. & R. LEHMANN (Hrsg.), TIMSS/lll. Dritte Internationale Mathematik- und Naturwissenschaftsstudie. Mathematisch und naturwissenschaftliche Bildung am Ende der Schullaufbahn. 2, Opladen: Leske + Budrich. BRANDT, A. (2005). 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