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EINFÜHRUNG

Grundprinzipien für die Entwicklung der Big Ideas (große Ideen) über (natur-)wissenschaftliche Prozesse

Die grundlegende Absicht des Projekts I-S.K.Y.P.E. ist die methodische Unterstützung von Lehrerinnen und Lehrern beim Unterrichten von Naturwissenschaften in der Grundschule durch innovative Unterrichtsmaterialien, die aktuelle Trends in der Didaktik des naturwis-senschaftlichen Unterrichts berücksichtigen. Eines dieser grundlegenden Instrumente, sind die vorliegenden methodischen Materialien für Lehrerinnen und Lehrer, welche direkt in der Praxis eingesetzt werden können. Bei der Entwicklung der methodischen Materia-lien selbst haben wir das Ziel verfolgt, die interaktive Bildung so zu fördern, dass von einer umfassenden Entwicklung (natur-)wissenschaftlicher Kompetenzen sowie Pro-zessfähigkeiten gesprochen werden kann, die möglicherweise auch zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigungsfähigkeit junger Menschen führen könnte.

Jüngste Forschungen im Bereich des naturwissenschaftlichen Unterrichts zeigen, dass das nachlassende Interesse an Naturwissenschaften und Technik nicht auf das Desinteresse der Schülerinnen und Schüler am naturwissenschaftlichem und technischem Unterricht während der Schulzeit zurückzuführen ist. Das Problem ist, dass sie sich bei der Wahl ei-ner Ausbildung oder eines Studiums nicht kompetent fühlen, „Wissenschaft zu machen“, auch wenn sie im Rahmen des naturwissenschaftlichen Unterrichts selbst hervorragende Noten erzielt haben (weiterführende Literatur: Archer, DeWitt, Osborne, Dillon, Willis und Wong, 2010). Das bedeutet das Problem, welches in der naturwissenschaftlichen Bildung gelöst werden muss, ist nicht auf die geringe Attraktivität der naturwissen-schaftlichen Fächer zurückzuführen, sondern ist in der Kompetenz der Schülerinnen und Schüler begründet, Forschungsaktivitäten durchzuführen. Dies zeigt unter an-derem, dass der naturwissenschaftliche Unterricht nicht nur rein formales Wissen und naturwissenschaftliche Inhalte vermitteln soll, sondern auch die Fähigkeiten zur Dur-chführung des Prozesses, durch den diese geschaffen werden, betrachten muss.

Die Absicht methodisches Material zu erstellen

Vor diesem Hintergrund war es unser Ziel, ein umfassendes didaktisches Material zu erstellen, das die aktuellen Bedürfnisse der Gesellschaft im Bereich des naturwissenschaft-lichen Unterrichts widerspiegelt und gleichzeitig alle Bereiche des naturwissenschaft-lichen Unterrichts abdeckt, sodass es unabhängig von den Lehrplänen europäischer oder sogar außereuropäischer Länder verwendet werden kann. Angesichts der Notwen-digkeit, nicht nur implizites naturwissenschaftliches Wissen, sondern auch wissenschaftli-che Prozessfähigkeiten zu entwickeln und gleichzeitig ein allgemein anwendbares Material zu schaffen, haben wir uns entschlossen, Materialien auf der Grundlage eines theoretisch angemessen verankerten und ausreichend ausgearbeiteten Konzepts zu entwickeln, welches in didaktischen Kreisen als Konzept der Großen Ideen der naturwissenschaftli seit geraumer Zeit Bestrebungen, die universell anwendbaren Kerninhalte des naturwissenschaftlichen Grundschulunterrichts zu identifizieren. Das Ergebnis sind verschiedene Listen von grun-dlegenden Konzepten, Themen, Ideen oder Erklärungen, die Schülerinnen und Schüler am Ende ihrer Grundschulzeit kennen sollten Materialien auf der Grundlage eines theoretisch angemessen verankerten und ausreichend ausgearbeiteten Konzepts zu entwickeln, welches in didaktischen Kreisen als Konzept der Großen Ideen der naturwissenschaftlichen Bil-dung bekannt ist (Big Ideas of Science Education; siehe Harlen, 2010; Harlen, 2015).

Im naturwissenschaftlichen Bildungsdiskurs gibt es schon seit geraumer Zeit Bestrebungen, die universell anwendbaren Kerninhalte des naturwissenschaftlichen Grundschulunterrichts zu identifizieren. Das Ergebnis sind verschiedene Listen von grundlegenden Konzepten, Themen, Ideen oder Erklärungen, die Schülerinnen und Schüler am Ende ih-rer Grundschulzeit kennen sollten oder nicht. Vor kurzem ist das oben erwähnte Konzept der Großen Ideen der naturwissenscha lichen Bildung, das unter der Schirmherrscha von Professor Wynne Harlen entwickelt wurde, diesbezüglich in den Vordergrund getre-ten. Im Vergleich zu anderen ähnlichen Ansätzen, stellt das Konzept der Big Ideas ein koheräntes und stabiles Konzept der Entwicklung wissenschalicher Kompetenz dar, we-lches die Förderung induktiver kognitiver Praktiken im wissenschalichen Unterricht be-sonders in den Fokus nimmt.

Das Autorenteam von Wynne Harlen charakterisierte den Inhalt der grundlegenden naturwissenschaftlichen Bildung in Form der Beschreibung von vierzehn Konzep-ten (Big Ideas), welche Grundschülerinnen und Grundschüler bereits während Ihrer Grundschulzeit erfahren können. Die jeweiligen Grundphänomene der Naturwissen-schaften sind auf das Entwicklungsniveau der Schülerinnen und Schüler abgestimmt und haben zum Ziel, dass sie bereits vorhandene naturwissenschaftliche Konzepte aus einer anderen Perspektive betrachten und weiterentwickeln sowie neue Konzepte ken-nenlernen können. Dabei spricht das Autorenteam absichtlich nicht von grundlegenden wissenschalichen Ideen, sondern beschreibt ganze Konzepte, die durch die Auseinan-dersetzung mit der Umwelt entstehen.

Laut Wynne Harlen (2000) werden die jeweiligen Big Ideas durch grundlegende naturwissenschaftliche Phänomene charakterisiert. Sie geben den Rahmen vor, in dem die Schülerinnen und Schüler anhand vieler Schlüsselsituationen die gesamte Big Idea untersuchen können. In diesen Situationen können die Kinder einen Teil der gesamten, komplexen Big Idea erfahren. Sie bilden somit, basierend auf ihrem Vorwissen, ein Präkonzept aus, welches sich ständig weiterentwickelt. Dieser Prozess ist mit dem Lösen eines Puzzles zu vergleichen. Die kleinen Ideen (small Ideas) sind die Puzzleteile, welche nach und nach zu einem immer größeren Teil (bigger Idea) zusammengesetzt werden, bis das gesamte Puzzle (Big Idea) fertig ist.

Innerhalb des Konzepts Großer Ideen der naturwissenschaftlichen Bildung wurden vierzehn Grundideen identifiziert, die als entscheidend für die Entwicklung grundlegender (natur-)wissenschaftlicher Erkenntnisse angesehen werden können. Sie charakterisieren das Grundwissen, welches die Schülerinnen und Schüler nach Abschluss der Grundschule haben sollten:

Big Ideas der naturwissenschaftlichen Bildung:

  1. Alle Materie im Universum besteht aus sehr kleinen Teilchen.
  2. Objekte können andere Objekte aus der Ferne beeinflussen.
  3. Eine Kraft kann die Bewegung eines Objekts ändern.
  4. Die Gesamtmenge der Energie im Universum ist immer gleich, sie kann aber während eines Prozesses von einem Energiespeicher in eine andere Form umgewandelt werden.
  5. Die Zusammensetzung der Erde und ihrer Atmosphäre sowie die dort ablaufenden Prozesse prägen die Erdoberfläche und das Klima.
  6. Unser Sonnensystem als kleiner Teil einer Galaxie.
  7. Organismen sind auf einer zellulären Basis organisiert und haben eine begrenzte Lebensdauer.
  8. Organismen brauchen Energie und bestimmte Substanzen zum Leben.
  9. Genetische Informationen werden von einer Generation von Organismen an eine andere weitergegeben.
  10. Vorkommen von Arten und deren Vielfalt ist das Ergebnis der Evolution.
    11. Big Ideas über (Natur-)Wissenschaften und ihre Prozesse:
  11. Ziel der (Natur-)Wissenschaft ist es, die Ursache von Phänomenen in der natürlichen Welt zu finden.
  12. Wissenschaftliche Erklärungen, Theorien und Modelle stellen die Grundlage für Beweise und Erklärungen (zu einem bestimmten Zeitpunkt im Forschungsprozess) dar.
  13. Ingenieurswesen und Technik nutzen das durch die (Natur-)Wissenschaft erzeugte Wissen, um Produkte zu schaffen, die den Alltag des Menschen erleichtern und nützlich sind.
  14. Wissenschaftliche Anwendungen haben oft ethische, soziale, wirtschaftliche und politische Auswirkungen

Von insgesamt vierzehn sind vier der Big Ideas auf die (Natur-)Wissenschaft und ihre Prozesse selbst gerichtet („Ideas about Science“). Die Notwendigkeit, in die grundlegenden (natur-)wissenschaftlichen Konzepte auch solche, die den Begriff des Inhalts und den Prozess der Wissenschaft selbst hervorbringen, einzugliedern, ist das Ergebnis der Tatsache, dass das Konzept der Großen Ideen der naturwissenschaftlichen Bildung nicht nur die komplexe Entwicklung einer naturwissenschaftlichen Kompetenz fokussiert, sondern sich gleichzeitig mit wissenschaftlichen Praktiken, den sogenannten Prozessfähigkeiten (z.B. Fragen stellen, Hypothesen entwickeln, analysieren etc.) beschäftigt, die bereits in der Grundschule ausgebildet werden können.

Drei Dimensionen der Naturwissenschaftskompetenz

Laut Harlen‘s Team besteht die wissenschaftliche Kompetenz und ihre Entwicklung aus drei Dimensionen. Das Verständnis einer Reihe von Großen Ideen (Big Ideas) in der (Natur-) Wissenschaft, die Big Ideas der naturwissenschaftlichen Bildung selbst und die Big Ideas über die (Natur-)Wissenschaft, ihre Prozesse sowie ihre Rolle in der Gesellschaft, bilden die erste Dimension. Die zweite, ebenso wichtige Dimension, repräsentiert das prozedurale Wissen. Harlen‘s Team übertrug sehr allgemeine und komplexe (Prozess-) Fähigkeiten der naturwissenschaftlichen Bildung in spezifischere Kompetenzen, die sich auf wissenschaftliche Fähigkeiten von Schülerinnen und Schülern konzentrierten sowie die Erfassung und Nutzung empirischer Daten zum Begründen der eigenen Voraussagen und Hypothesen, in den Blick nehmen (Harlen 2010, 2015). Die dritte Dimension wird durch eine wissenschaftliche Einstellung repräsentiert, die spezifisch mit den Inhalten und Prozessen in der Wissenschaft verbunden ist und garantiert, dass die wissenschaftliche Forschung objektiv beginnt und durchgeführt wird. Nur wenn alle drei Dimensionen in der praktischen Unterrichtsintervention gemeinsam angewendet werden, kann die Entwicklung einer naturwissenschaftlichen Kompetenz und die Stärkung des Kompetenzgefühls der Schülerinnen und Schüler gewährleistet werden. Es ermöglicht ihnen, sich über ihre Fähigkeiten zur Lösung einfacher Forschungsfragen sicher zu sein, ihr Wissen zu verbessern und ihre Neugierde zu befriedigen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass sie in der Lage sind, kleinere Forschungsprobleme zu lösen, und somit ihre Kenntnisse fortlaufend verbessern und ihre Neugier nach Wissen befriedigen können.

Wissenschaftliche Inhalte (in unserem Fall die Großen Ideen der naturwissenschaftlichen Bildung) werden vor allem durch die ersten beiden Dimensionen der wissenschaftlichen Kompetenz geschaffen und modifiziert, daher ist ihre potenzielle Entwicklung an die Umsetzung der Entwicklung der wissenschaftlichen Kompetenz in einer umfassenden Form gebunden. Die Neuausrichtung zur Erreichung dieses Ziels ist die sinnvolle und systematische Umsetzung von induktiven Lernformen. (Harlen, 2013)

Die Schaffung von pädagogischen Aktivitäten, die ausschließlich darauf abzielen, Ideen über die (Natur-)Wissenschaft und ihre Prozesse (11. – 14. Big Idea) zu betrachten, ist ein ineffektiver Ansatz. Ein effektiver Weg, um richtige Vorstellungen von der (Natur-) Wissenschaft und ihren Prozessen zu entwickeln, ist die Anwendung induktiver Lehrtätigkeiten anhand der Erforschung bestimmter Phänomene. Aus diesem Grund haben wir hinsichtlich der Big Ideas 11 – 14 keine spezifischen pädagogischen Aktivitäten konzipiert, sondern ihre grundlegenden Aspekte zusätzlich bei der Entwicklung der pädagogischen Materialien von Big Idea 1 – 10 berücksichtigt. Somit haben die Schülerinnen und Schüler beim Untersuchen der naturwissenschaftlichen Phänomene 1-10 die Möglichkeit gleichzeitig Ideen und Konzepte über die Wissenschaft und ihre Prozesse zu entwickeln sowie individuelle (Prozess-)Fähigkeiten des wissenschaftlichen Forschens aufzubauen.

Theorie großer wissenschaftlicher Ideen und ISCED 1

In Anbetracht unserer Absicht, die naturwissenschaftliche Grundbildung von Schülerinnen und Schülern auf der Grundlage des Konzepts der Großen Ideen der naturwissenschaftlichen Bildung nach Wynne Harlen zu entwickeln, werden im Folgenden die Ideen über (Natur-)Wissenschaft und ihre Prozesse im Rahmen der „International Standard Classification of Education (ISCED 1)“ betrachtet.

  1. Ziel der (Natur-)Wissenschaft ist es, die Ursache von Phänomenen in der natürlichen Welt zu finden.

    Nach dem Konzept der Großen Ideen der naturwissenschaftlichen Bildung (Harlen, 2015) sollten Grundschülerinnen und Grundschüler verstehen, dass es in der Wissenschaft darum geht, zu suchen und zu erklären, warum Dinge so geschehen, wie sie geschehen, oder warum sie so sind, wie sie sind. Sie sollten erkennen, dass jedes Ereignis oder Phänomen eine oder mehrere Ursachen hat und dass es einen Grund gibt, warum die Dinge eine bestimmte Form annehmen. Gleichzeitig sollten sie lernen, dass es nicht ausreicht, eine bestimmte Vermutung aufzustellen, sondern diese auch durch entsprechende Ergebnisse erklärt werden muss. Die Lehrkraft trägt auch zur Entwicklung dieser Idee bei, indem sie/er den Schülerinnen und Schülern verschiedene Wege aufzeigt diese Ergebnisse und Erkenntnise zu gewinnen und ihnen somit nicht nur ermöglicht zu entdecken WAS geschieht, sondern vor allem herauszufinden WIESO das so ist.

    Aus der Beschreibung wird deutlich, dass das Ziel darin besteht, dass die Schülerinnen und Schüler eine durch induktive Tätigkeiten gleitete, selbstständige Forschung durchführen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Beobachtung und Messung von Ereignissen, die dazu dienen, Erklärungen zu den beobachteten Tatsachen zu finden. Die vorgeschlagenen Verfahren führen die Schülerinnen und Schüler somit nicht nur zu einem einfachen Verständnis der Naturphänomene selbst, sondern bieten ihnen auch die Chance zu verstehen, wie sie wissenschaftlichen Erkenntnisse für ihre Erklärungen generieren. Dieses Grundprinzip haben wir bei der Entwicklung unserer methodischen Materialien berücksichtigt.

  2. Wissenschaftliche Erklärungen, Theorien und Modelle stellen die Grundlage für Beweise und Erklärungen (zu einem bestimmten Zeitpunkt im Forschungsprozess) dar.

    Nach Wynne Harlen (2015) ist es bei einem Forschungsprozesses von 5- bis 7-Jährigen zentral, dass sie Fragen stellen können, was in der Natur vor sich geht, und auch, dass sie wissen, dass sie selbst etwas tun können, um geeignete Antworten und Erklärungen zu finden. Dieses Konzept wird im naturwissenschaftlichen Grundschulunterricht (7 – 11 Jahre) weiterentwickelt, damit die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass wissenschaftliche Erklärungen durch systematische Forschung gewonnen werden können, bei der Daten beispielsweise durch Beobachtung oder Messung der Eigenschaften der beobachteten Objekte oder durch die Verwendung von Daten aus anderen Informationsquellen gesammelt werden. Ob eine wirksame Erklärung erstellt wird, hängt zusätzlich davon ab, welche Daten erfasst wurden und welche Hypothese oder Prognose dem Forschungsprozess zugrunde lag.

    Die Lehrkraft ermutigt die Schülerinnen und Schüler selbstständig Forschungsprozesse durchzuführen und begleitet sie dabei durch anregende Fragen. Bei der Durchführung der Forschungstätigkeiten selbst, weist sie/er die Schülerinnen und Schüler darauf hin, dass die Forschung durchgeführt werden muss, um Erklärungen für das vorhandene Problem zu ermutigt die Lehrkraft die Schülerinnen und Schüler, ihre Vorkenntnisse bei der Gestaltung und Durchführung ihres Forschungsverfahrens zu nutzen, um erfahrungsbasierte Annahmen zu erstellen. ZGleichzeitig verstehen die Schülerinnen und Schüler die grundlegenden Schritte des Forschungsprozesses, die sowohl bei der Untersuchung eines einfachen, als auch eines komplexen Forschungsproblems gleich sind.

  3. Ingenieurswesen und Technik nutzen das durch (Natur-)Wissenschaft erzeugte Wissen, um Produkte zu schaffen, die den Alltag des Menschen erleichtern und nützlich sind.

    Nach dem Konzept der Großen Ideen der naturwissenschaftlichen Bildung (Harlen, 2015) sollte ein Vorschulkind (5 – 7 Jahre) bereits die Idee haben, dass Technologien von Menschen entwickelt wurden, um ihnen die Dinge zu liefern, die sie benötigen oder verwenden können, wie zum Beispiel Lebensmittel, Werkzeuge, Kleidung, Lebensraum und Kommunikationsmittel. Das Kind sollte sich bewusst sein, dass es Beispiele dafür gibt, wie Materialien um uns herum verändert wurden, damit sie für einen bestimmten Zweck verwendet werden können. Im Primarbildungsbereich (7 – 11 Jahre) sollte dieses Konzept und seine Verknüpfung mit Technologie weiterentwickelt werden, damit die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass Technologie (z.B.) durch das Ingenieurswesen entwickelt wird, welches zuerst Probleme identifiziert und anschließend die Wissenschaft zum Entwerfen und Erarbeiten der bestmöglichen Lösung dieser Probleme verwendet. Die Schülerinnen und Schüler sollten auch eine Idee davon entwickeln, dass es immer verschiedene Möglichkeiten gibt, Probleme zu lösen, was bedeutet, dass mehrere Optionen ausprobiert werden müssen. Bei der Beurteilung der besten Lösung ist es wichtig, über das erwartete Ergebnis nachzudenken und daraufhin einen geeigneten Lösungsweg auszuwählen.

    Somit ist es zentral, die Schülerinnen und Schüler auch zu Bildungsaktivitäten zu ermutigen, bei denen sie ihre (natur-)wissenschaftlichen Kenntnisse nutzen, um einfache technische Lösungen zu entwerfen und so eine Vorstellung bezüglich der Bedeutung der Wissenschaft für das menschliche Leben entwickeln.

  4. Wissenschaftliche Anwendungen haben oft ethische, soziale, wirtschaftliche und politische Auswirkungen.

    Die Schülerinnen und Schüler sollten durch die naturwissenschaftliche Bildung ein Verständnis dafür entwickeln, dass die Wissenschaft es uns ermöglicht, zu erklären, wie einige Dinge funktionieren oder wieso bestimmte Phänomene auftreten. Dieses Verständnis kann oft genutzt werden, um Dinge zu verändern oder hervorzurufen, die zur Lösung verschiedener menschlicher Probleme beitragen können. Während sich solche technologischen Lösungen auf das Leben und die Gesundheit vieler Menschen in Ländern auf der ganzen Welt auswirken, ist es wichtig zu erkennen, dass für die Realisierung dieser Lösungen beispielsweise auch Materialien/Rohstoffe aus der Natur verwendet werden, die in naher Zukunft erschöpfbar sind oder bei der Forschung auch Materialien entstehen, die der Natur schaden. Deshalb ist es wichtig, dass sich die Lehrkraft auch mit dem Kontext und den Folgen naturwissenschaftlicher Aktivitäten, nicht nur in natürlichen Ökosystemen (ökologische Erziehung), sondern auch im Rahmen der spezifischen Eingriffe des Menschen in die Natur (Umwelterziehung), befasst. Die Schülerinnen und Schüler sollten somit vor allem dazu ermutigt werden, die Konsequenzen bestimmter Eingriffe in die Natur, auf der Grundlage ihres Verständnisses der Naturgesetze, zu reflektieren.

    Aus den Merkmalen der Großen Ideen der naturwissenschaftlichen Bildung sowie der Ideen über die Wissenschaft und ihrer Prozesse selbst geht hervor, dass die Art und Weise, wie Naturwissenschaften in der Grundschule gelehrt werden, nicht nur das implizite naturwissenschaftliche Wissen selbst betrachten, sondern auch den Prozess, durch den diese Erkenntnisse geschaffen und entwickelt werden, mit aufgreifen sollte. Die Schülerinnen und Schüler lernen somit aus eigener Erfahrung heraus, wie Wissenschaft funktioniert, womit die zuvor vernachlässigte Entwicklung einer sogenannten „Do-Science-Kompetenz“ sichergestellt wird, indem sie ihre eigenen Erfolge wahrnehmen. Dieses Grundprinzip haben wir bei der Entwicklung unserer methodischen Materialien ebenfalls berücksichtigt.

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