Wie Experimentieren auch digital von zu Hause aus gelingen kann

Experimente sind eines der Highlights im naturwissenschaftlichen Unterricht. In Zeiten des digitalen Fernunterrichts ist Experimentieren jedoch nicht so einfach möglich wie im regulären Unterricht – schließlich haben die Schülerinnen und Schüler nicht alle Materialien, die sie zum Experimentieren benötigen, auch zu Hause und Sicherheitsstandards können im Homeschooling nicht immer umgesetzt werden. Simulations- und Videoexperimente bieten daher eine wertvolle Möglichkeit, auch von zu Hause aus zu experimentieren.  

Die Ausbreitung des Corona-Virus hat das Lernen im Schuljahr 2019/2020 mehr oder weniger über Nacht auf den Kopf gestellt. Homeschooling und Fernunterricht ersetzten das gemeinsame Lernen im Klassenzimmer und obwohl der Wechsel für kein Fach leicht war, stellte der Fernunterricht besonders die Unterrichtsfächer vor große Herausforderungen, in denen regelmäßig praktisch gearbeitet wird. Allen voran die Naturwissenschaften: In den Fächern Biologie, Chemie und Physik dürfen Schülerinnen und Schüler im regulären Unterricht immer wieder selbst aktiv werden und experimentieren.

Das Experimentieren (oder auch forschendes Lernen im weiteren Sinne) ist eine etablierte und erwiesenermaßen wirksame Lernmethode für naturwissenschaftliche Inhalte und Konzepte – sofern der Lernprozess adäquat angeleitet und unterstützt wird. Forschendes Lernen bedeutet, dass Schülerinnen und Schüler ähnlich wie „echte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler“ arbeiten und dabei ein Phänomen untersuchen, indem sie den kompletten Forschungsprozess – vom Aufstellen einer Forschungsfrage, dem Sammeln und Auswerten von Daten bis zur Interpretation der Ergebnisse – eigenständig durchlaufen. Experimente spielen in diesem Prozess eine zentrale Rolle. Für die Durchführung von Experimenten im Schulkontext gibt es mehrere Möglichkeiten: In sogenannten „Demonstrationsexperimenten“ führt (meist) eine Lehrkraft vor der Klasse ein Experiment vor, während die Schülerinnen und Schüler genau zuschauen. In „Schülerexperimenten“ dürfen die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen selbst experimentieren. Beide Experimentmöglichkeiten haben ihre speziellen Vorteile, Schülerexperimente stellen aufgrund der Interaktivität und des aktiven Handelns der Schülerinnen und Schüler jedoch eine besonders attraktive Lernmöglichkeit dar.

Online Experimentieren: Von Videoaufzeichnungen bis Simulationen

Da im digitalen Fernunterricht Experimente im Klassenzimmer nicht mehr möglich sind, braucht es gerade in den Naturwissenschaften Alternativen. Digitale Technologien können hier Abhilfe schaffen. So können Demonstrationsexperiment in Form von Videoexperimenten festgehalten werden und als Ersatz für Schülerexperimente sind in den vergangenen Jahren zahlreiche Simulationsexperimente entwickelt worden.

Videoexperimente sind auf Video aufgezeichnete Demonstrationsexperimente, die im Prinzip von jeder Lehrperson mit Zugriff auf die benötigten Experimentiermaterialien aufgenommen werden können. Dabei kann die Lehrperson die Durchführung des Experiments, wie aus dem Klassenzimmer gewohnt, auch mit Erklärungen begleiten. Ein besonderer Vorteile von Videoexperimenten ist, dass sich die Schülerinnen und Schüler das Experiment in ihrem eigenen Tempo anschauen können. Zudem wird das Experiment authentisch gezeigt und die Schülerinnen und Schüler können sich auf den Inhalt des Experiments konzentrieren, ohne selbst mit dem Aufbau und dem Durchführen der Messungen beschäftigt zu sein.

Simulationsexperimente, oder auch interaktive Bildschirmexperimente, werden zum Beispiel auf den Webseiten von PhET (https://phet.colorado.edu) oder Go-Lab (https://www.golabz.eu) angeboten. Simulationsexperimente können von allen Schülerinnen und Schülern mit Zugang zu einem PC, Laptop oder Tablet durchgeführt werden. Sie sind häufig schematischer und abstrakter als das reale Experiment, welches sie simulieren, was jedoch auch den Vorteil hat, dass sich die Schülerinnen und Schüler auf das zugrundeliegende Konzept konzentrieren können. Mit Simulationsexperimenten haben die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, aktiv und selbstgesteuert bestimmte Variablen im Experiment zu verändern und die Konsequenzen der Manipulation zu beobachten. Durch diese direkte Interaktion mit dem Experiment kann das Verständnis der Schülerinnen und Schüler hinsichtlich des zugrundeliegenden Konzepts verbessert und die kognitive Aktivierung der Lernenden gesteigert werden. Kognitive Aktivierung bedeutet, dass die Schülerinnen und Schüler sich aktiv geistig mit dem Lernstoff auseinandersetzen und dadurch neues Wissen mit altem Wissen verknüpfen.

Studie untersucht Vorteile von Online-Experimenten

Welche Experimentiermöglichkeit ist für den Fernunterricht nun am besten geeignet? In einer Studie, die in Kooperation des Leibniz-Instituts für Wissensmedien in Tübingen und der Technischen Universität Kaiserslautern durchgeführt wurde, wollten wir wissen, ob die Kombination von Simulations- und Videoexperiment hilfreicher für das Verständnis von Lerninhalten ist, als die alleinige Durchführung eines Simulationsexperiments und welche Rolle dabei begleitende Videos und unterstützende Arbeitsblätter spielen.

Im Rahmen der Studie entwickelten wir dafür eine Lerneinheit zu „Abbildungen durch Sammellinsen“, wie sie für gewöhnlich innerhalb einer Doppelstunde im Physikunterricht der 7. Klasse im Themengebiet „Optik“ durchgeführt wird. Um eine geeignete Anleitung und Unterstützung beim Experimentieren innerhalb der Lerneinheit zu gewährleisten, wurden begleitende Videos und Arbeitsblätter für die Schülerinnen und Schüler erstellt.

Anschließend teilten wir die Teilnehmenden – 184 Schülerinnen und Schüler, die ein Gymnasium oder eine Gesamtschule in Baden-Württemberg oder Rheinland-Pfalz besuchen – in drei Gruppen ein: In Gruppe 1 arbeiteten die Schülerinnen und Schüler zunächst mit dem Videoexperiment und anschließend mit dem Simulationsexperiment. Gruppe 2 verfolgte die umgekehrte Arbeitsweise, sie arbeitete zunächst mit dem Simulationsexperiment und anschließend mit dem Videoexperiment. Die Schülerinnen und Schüler der 3. Gruppe bearbeiteten alle Experimentieraufgaben ausschließlich mit dem Simulationsexperiment.

Experimentieren im Fernunterricht fördert Wissenszuwachs

Die Ergebnisse der Studie zeigen: Die Schülerinnen und Schüler aus allen drei Gruppen konnten ihr Verständnis durch die Unterrichtsstunde stark verbessern. Auch nach acht Wochen erwies sich das Wissen der Teilnehmenden noch als recht stabil und die Schülerinnen und Schüler aus allen drei Gruppen erreichten weiterhin hohe Punktzahlen in dem von uns durchgeführten Konzepttest (16 Multiple-Choice-Fragen zum Verständnis von Sammellinsen).

Trotz der herausfordernden Situation des digitalen Fernunterrichts können Videos und Arbeitsblätter die Schülerinnen und Schüler beim Experimentieren also so gut anleiten und unterstützen, dass sie einen deutlichen Lernfortschritt zeigen.

Unterschiede zwischen den drei Gruppen konnten wir in unserer Studie keine feststellen. Die Schülerinnen und Schüler lernten also gleich gut, egal, ob sie mit einer Kombination aus dem Simulationsexperiment und dem Videoexperiment lernten oder ausschließlich mit dem Simulationsexperiment. Auch das langanhaltende Konzeptverständnis war bei den Schülerinnen und Schülern aus allen drei Gruppen ähnlich. Lehrkräfte können Videoexperimente somit als Ergänzung zu Simulationsexperimenten einsetzen, aber auch Simulationsexperiment alleine bringen das forschende Lernen bereits nach Hause.

Online-Experimente auch im Präsenzunterricht gefragt

Obwohl viel Schülerinnen und Schüler lieber in der Schule als digital von zu Hause aus lernen, wird der digitale Unterricht womöglich auch in Zukunft ein fester Bestandteil des Schulsystems werden. Für den Fernunterricht ist dabei besonders wichtig, dass nur solche Lernformen umgesetzt werden, die auch einen Wissenszuwachs ermöglichen. Für das forschende Lernen bedeutet das: Simulations- und Videoexperimente stellen eine geeignete Alternative für klassische Unterrichtsformate dar. Vorausgesetzt, das Experimentieren wird mit geeigneten Videos und Arbeitsblättern unterstützt. Diese Erkenntnis kann auch für den Präsenzunterricht wichtig werden, wenn Lehrerkräfte Experimente zur Vor- oder Nachbereitung des Schulunterrichts als Hausaufgabe aufgeben möchten und Schülerinnen und Schüler sich diese in Onlineexperimenten selbst erarbeiten sollen.