© Copyright: zapCulture via Pixabay

Wie Experimentieren auch digital von zu Hause aus gelingen kann

Von Salome Wörner

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.

Screenshot des virtuellen Experiments

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.

Schülerexperiment, das aufgrund des digitalen Fernunterrichts nicht durchgeführt werden kann.

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.

Über die Autorin:

Salome Wörner ist Doktorandin in der Arbeitsgruppe Multiple Repräsentationen am Leibniz-Institut für Wissensmedien und in der Arbeitsgruppe Didaktik der Physik der Technischen Universität Kaiserslautern. In ihrer Forschung beschäftigt sie sich mit der Frage, wie reale und virtuelle Experimente im naturwissenschaftlichen Unterricht didaktisch sinnvoll kombiniert werden können.

Weiterführende Literatur

  • Alfieri, L., Brooks, P. J., Aldrich, N. J., & Tenenbaum, H. R. (2011). Does discovery-based instruction enhance learning? Journal of Educational Psychology, 103(1), 1–18. doi:10.1037/a0021017
  • de Jong, T., Linn, M. C., & Zacharia, Z. C. (2013). Physical and virtual laboratories in science and engineering education. Science, 340, 305–308. doi:10.1126/science.1230579
  • Furtak, E. M., Seidel, T., Iverson, H., & Briggs, D. C. (2012). Experimental and quasi-experimental studies of inquiry-based science teaching. Review of Educational Research, 82(3), 300–329. doi:10.3102/0034654312457206
  • Lazonder, A. W., & Harmsen, R. (2016). Meta-analysis of inquiry-based learning: Effects of guidance. Review of Educational Research, 86(3), 681–718. doi:10.3102/0034654315627366
  • Minner, D. D., Levy, A. J., & Century, J. (2010). Inquiry-based science instruction-what is it and does it matter? Results from a research synthesis years 1984 to 2002. Journal of Research in Science Teaching, 47(4), 474–496. doi:10.1002/tea.20347
  • Wörner, S., Scheiter, K., & Kuhn, J. (2021). Das Beste aus beiden Welten: Simulationsexperimente als Ergänzung zu Realexperimenten. In Meßinger-Koppelt, J. & Maxton-Küchenmeister, J. (Eds.), Naturwissenschaften digital – Toolbox für den Unterricht (Band 2, pp. 48-51). Joachim Herz Stiftung Verlag. https://www.mint-digital.de/fileadmin/user_upload/210617_NW_Digital_Toolbox_Band_2_Webversion.pdf

Verwendete Schlagwörter

Möchten Sie zur Diskussion beitragen?
Einen Kommentar schreiben
Bitte rechnen Sie 8 plus 5.

Verwandte Beiträge

Blog

Veröffentlicht am

Eine Lernkultur, die Schülerinnen und Schüler dabei unterstützt, ihre individuellen Potenziale zu entfalten und zu aktiven Gestaltern der Zukunft zu werden, das ist das Ziel der Deeper Learning Initiative. Was in vielen Ländern bereits erfolgreich umgesetzt wird, soll nun auch an Deutschlands Schulen etabliert werden.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Studie zeigt: Je häufiger Studierende Online-Kurse belegen, desto schneller und effizienter erreichen sie ihren Bachelorabschluss.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Warum der Einsatz von digitalen Lernplattformen zur Unterstützung von forschendem Lernen im Unterricht auch kritisch reflektiert werden sollte

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Experimente funktionieren nicht nur im Klassenzimmer: Eine neue Studie zeigt, wie Schülerinnen und Schüler auch vor dem Bildschirm experimentieren und ihr Wissen erweitern können.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Die Digitalisierung verändert nicht nur das Lernen an Schulen, sondern auch die empirische Bildungsforschung. Besonders von Vorteil sind dabei virtuelle Realitäten.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Eine Studie zeigt, wie wichtig die persönliche Beziehung im Distanzunterricht für den Lernerfolg von Schülerinnen und Schülern ist.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Gute Noten in einem Fach beeinflussen, wie Schülerinnen und Schüler andere Fächer bewerten: Neue Erkenntnisse zeigen, welche Faktoren in das Feedback von Schülerinnen und Schülern einfließen.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Das Stichwort Hochbegabung erzeugt in vielen Köpfen das Klischee, Menschen mit einem hohen IQ seien sozial schwierig und emotional labil - aktuelle Forschungserkenntnisse deuten jedoch in eine andere Richtung.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Bildungsforschung praktisch: Das Forschungsdatenzentrum (FDZ) liefert wahre Datens(ch)ätze um neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Vergleichsarbeiten bieten Schulleitungen und Lehrkräften die Möglichkeit, Lernprozesse zu verbessern. Voraussetzung dafür ist, dass die Ergebnisse richtig eingeordnet werden.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Was macht eine gute Schulleitung aus? Mit entsprechenden Weiterbildungsangeboten wollen Unis Führungkräfte im Schul- und Bildungsbereich ausbilden und in ihren Kompetenzen unterstützen.

Mehr lesen
Junge mit Kopfhörern sitzt mit einem Stift in der Hand vor einem Computerbildschirm
Blog

Veröffentlicht am

Digitale Lernumgebungen können die kognitive Entwicklung von Schülerinnen und Schülern unterstützen - besonders, wenn sie dabei die Tiefenstrukturen des Lernen berücksichtigen.

Mehr lesen
Ein Kind bedient auf dem Tablet das Lerntool "Scratch"
Blog

Veröffentlicht am

Richtig eingesetzt, lernen Schülerinnen und Schüler mit Lerntools für digitales Storytelling auch spielerisch Kenntnisse im Programmieren.

Mehr lesen
Startbildschirm der App "Twitter"
Blog

Veröffentlicht am

Auf sozialen Plattformen können sich Lehrkräfte mitunter erfolgreicher weiterbilden als in Präsenzveranstaltungen. Worauf es dabei ankommt und was es zu beachten gilt.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

An der Universität Tübingen untersucht ein neues Forschungsprojekt, wie kontextbasierter Physikunterricht den Lernerfolg beeinflusst.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Verstehen und Anwenden anstatt Auswendig lernen: Beim Forschenden Lernen entdecken Lernende naturwissenschaftliche Zusammenhänge selbst – sowohl im Unterricht, als auch virtuell im Netz.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Videospiele machen süchtig, faul und gewalttätig? Neuere Erkenntnisse zeigen: Aus Videospielen lässt sich viel über Motivation lernen.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Ein neues Unterrichtskonzept für das Schulfach Physik knüpft gezielt an die Alltagserfahrungen von Schülerinnen und Schülern an, um ihnen ein besseres Verständnis der elektrischen Spannung und von einfachen Stromkreisen zu ermöglichen.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Mit der Lernapp 'Prosodiya' lernen Grundschülerinnen und Grundschüler ihre Rechtschreibschwäche spielerisch zu überwinden.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Im virtuellen Klassenzimmer überprüft die Bildungsforschung welche Bedigungen eine effektive Lernumgebung ausmachen.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Interview - Wenn begabte und hochbegabte Kinder unter ihren Möglichkeiten bleiben, spricht man in der Psychologie und Pädagogik von „Underachievement“. Untersuchungen gehen davon aus, dass etwa 15 Prozent aller Hochbegabten betroffen sind. Luisa Wottrich gibt Einblicke in die aktuelle Forschung.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

In Deutschland distanziert, in Taiwan freundschaftlich: Die Lehrer-Schüler-Beziehung hat einen Einfluss auf die Motivation im Schulalltag.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Weltweit halten digitale Medien Einzug in Klassenräume und verändern das Lernen und Lehren im Schulalltag. Auf dem Weg ins digitale Klassenzimmer braucht es jedoch nicht nur die technische Infrastruktur, die Kompetenzen von Lehrerinnen und Lehrern spielen eine entscheidende [...]

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Mit dem digitalen Programmierkurs „Spielplatz Informatik“ können kleine Informatiker - und die, die es noch werden wollen - auch bei geschlossenen Schulen Programmieren lernen.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Für den Lernerfolg spielt Begabung eine wichtige Rolle. Aber diese ist bei weitem nicht allein entscheidend.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Lernen ohne Motivation? Das kann bisweilen ganz schön zäh sein. Wer motiviert ist, lernt wesentlich leichter. Sogenannte Interventionen, kurze Eingriffe in den Unterricht, können hier unterstützen.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Mit dem lebensgroßen Brettspiel „Schildkröten & Krabben“ unternehmen Grundschulkinder erste Schritte im Programmieren.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Der Big Fish-Little-Pond-Effekt beschreibt das Phänomen, dass Schülerinnen und Schüler in einer leistungsschwächeren Klasse ein besseres schulisches Selbstkonzept besitzen - aber ziehen leistungsstarke Schülerinnen und Schüler schwächere Kinder immer mit?

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Interessen haben einen großen Einfluss darauf, was wir in (und aus) unserem Leben machen. Am Hector-Institut für Empirische Bildungsforschung werden Interessen als wichtiger Schlüssel zum Lernerfolg untersucht.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Spielerisch Mathe lernen, das klingt vielversprechend. Am Fachbereich Mathematik der Universität Tübingen haben wir mit Ganita ein Lernspiel für den Mathematikunterricht entwickelt und seine Wirkweise untersucht.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Im Gespräch: Benjamin Fauth über seine Arbeit am Institut für Bildungsanalysen Baden-Württemberg (IBBW) und das Verhältnis von Bildungsforschung, Bildungspraxis und Bildungspolitik.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Digitale Medien halten zunehmend Einzug in deutsche Klassenzimmer. Dabei ergibt sich die Frage, wie lernwirksame Medien und Einsatzmöglichkeiten aussehen.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Obwohl sich die Mathematikleistungen von Jungen und Mädchen in der Regel nicht oder nur kaum voneinander unterscheiden, sind Mädchen häufig weniger motiviert für Mathematik als Jungen. Eine Erklärung für diese Unterschiede können unterschiedliche geschlechtsstereotype [...]

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Egal, ob eine Karte gelesen, ein Zimmer umgeräumt oder ein Kofferraum beladen werden soll – für all diese und viele andere Herausforderungen im Alltag wird gutes räumliches Denken benötigt. Ergebnisse aus internationalen Studien deuten sogar darauf hin, dass gutes [...]

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Verantwortungsvolle Schülerinnen und Schüler haben nicht nur bessere Noten, sondern sind auch später im Beruf erfolgreicher und haben ein höheres Einkommen. „Sekundärtugenden“ wie Fleiß oder Verantwortungsgefühl scheinen daher einen erheblichen Einfluss auf das spätere [...]

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Die Meldungen der Empirischen Bildungsforscher aus Tübingen erregen immer wieder Aufmerksamkeit - ein Gespräch mit dem Direktor des Tübinger Hector-Instituts, Ulrich Trautwein.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Wo lernen Schülerinnen und Schüler mehr – in der Schule oder in einem Schülerlabor? Lohnt sich der Aufwand für Lehrkräfte, einen außerschulischen Lernort zu besuchen? Wissenschaftlich belastbare Erkenntnisse zu diesen Fragen gibt es bisher wenig.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Drei Fragen an Claudia Diehl - In der öffentlichen Debatte um die Integration von Zuwanderern rückte in den letzten Jahren immer mehr die Religion in den Blickpunkt. Besonders der Islam wird als Barriere gesehen, auch für die Integration muslimischer Schülerinnen und Schüler in das [...]

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Würden Schülerinnen und Schüler von einem späteren Unterrichtsbeginn profitieren? Ein Blogbeitrag über den Einfluss der inneren Uhr auf die Schulleistung.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Mobbing und Hate-Speech machen auch vor Schulen keinen Halt. Wie können wirksame Mobbing-Präventionsprogramme an Schulen aussehen? Sieben Schlüsselfaktoren sollen Mobbing reduzieren.

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Viel hilft nicht immer viel: Wenn Eltern ihre Kinder bei den Hausaufgaben unterstützen, kommt es nicht vorranging auf Intensität an. Ihre Kinder beim Lernen zuhause und ihren Hausaufgaben zu unterstützen, ist für viele Eltern eine Selbstverständlichkeit. Schließlich möchten sie [...]

Mehr lesen
Blog

Veröffentlicht am

Kinder, die in der Schule fleißig, gewissenhaft und leistungsorientiert sind, leben wahrscheinlich länger als ihre Mitschülerinnen und Mitschüler. Die Erklärung kann in einem verantworterungsbewussten Lebensstil liegen.

Mehr lesen

Verwandte Veranstaltungen

Online und Präsenz (verschiedene Orte)

Ziel ist es, die Kompetenzen von Lehrpersonen beim Einsatz von digitalen Medien im Unterricht zu stärken. Dabei werden nicht nur die Grundlagen zum Lehren und Lernen mit digitalen Medien vermittelt, sondern auch die fachspezifische Erprobung digitaler Medien im Unterrichtskontext gefördert. Anmeldung möglich ab September 2022.

10 Jahre LEAD - Jubiläumsretreat

Museumsgesellschaft Tübingen, Wilhelmstraße 3, 72074 Tübingen

Save the Date! LEAD feiert 10-jähriges Bestehen mit einem großen Jubiläums-Retreat in Tübingen.

Mehr in Kürze....

Bildungshorizonte: Befunde aus der Bildungsforschung – verständlich und kompakt.

Das Magazin Bildungshorizonte erscheint einmal im Jahr und berichtet kurz und prägnant über aktuelle Ergebnisse aus der Bildungsforschung in der Regel mit einem Themenschwerpunkt.

Magazine erkunden