Bereichsübergreifende Kompetenzen: Physikwissen und das Verständnis von Experimenten

Um Experimente beurteilen und gestalten zu können, muss man das Prinzip der Variablenkontrolle verstehen. Demnach darf in Experimenten nur derjenige Faktor verändert werden, der Gegenstand der Untersuchung ist. Bei diesem Verständnis handelt es sich um eine bereichsübergreifende Kompetenz, deren Entwicklung in der Primarschule beginnt – und häufig im Erwachsenenalter noch nicht abgeschlossen ist. Der Aufbau von naturwissenschaftlichem Wissen und das Verständnis der Variablenkontrolle beeinflussen sich gegenseitig. Zum einen erleichtert ein gutes Verständnis der Variablenkontrolle den Aufbau von neuem Wissen, indem es den Schülerinnen und Schülern hilft, die Ergebnisse von Experimenten zu beurteilen. Zum anderen bietet Unterricht mit gut strukturierten Experimenten Lerngelegenheiten, um durch Abstraktion das Verständnis der Variablenkontrolle zu erwerben. Im Rahmen der Schweizer MINT-Studie konnten wir bislang die folgenden Zusammenhänge belegen:

• In der ersten Studie (Edelsbrunner et al., 2018) geht es darum, welchen Einfluss das spezifische Inhaltswissen sowie das Verständnis der Variablenkontrolle auf das Lernen haben. Es zeigte sich, dass beim forschenden Lernen zum Thema «Schwimmen und Sinken» das Vorwissen vom Verständnis der Variablenkontrolle deutlich übertroffen wurde.
• In der zweiten Studie (Schalk et al., 2019) konnte gezeigt werden, dass das Verständnis der Variablenkontrolle auch durch beiläufiges Lernen gefördert werden kann, wenn die Schülerinnen und Schüler Gelegenheit haben, beim forschenden Lernen viel auf korrekte Weise zu experimentieren. Die Kinder konnten die gut strukturierten Experimente nutzen, um durch Abstraktion beiläufig ein besseres Verständnis der Variablenkontrolle aufzubauen.
• Die dritte Studie (Peteranderl et al., 2023) befasst sich damit, wie das Verständnis der Variablenkontrolle gezielt trainiert werden kann. Es zeigte sich, dass insbesondere anspruchsvolle Kompetenzen wie die Fähigkeit zur Planung kontrollierter Experimente und das Verständnis der Uneindeutigkeit konfundierter Experimente von diesem Training profitiert haben.
• In einer vierten Studie (Thurn et al., 2026) konnten wir zeigen, wie sich Physikunterricht in der Primarschule und ein Training zum Verständnis der Variablenkontrolle gegenseitig unterstützen.

In dieser Fortbildung erfahren Lehrpersonen, wie sie im Unterricht das Verständnis von Experimenten fördern können, indem sie zum Beispiel ihren Schülerinnen und Schülern den Auftrag geben, sich selbst zu überlegen, wie ein Experiment aussehen muss, das geeignet ist, um eine bestimmte Frage eindeutig zu beantworten. Siehe dazu folgendes Video.

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Abbildung 1: Welche Flaschen muss ich miteinander vergleichen, um herauszufinden, ob sich in Wasser mit zunehmender Temperatur weniger Kohlenstoffdioxid lösen lässt? (Flasche 1: kaltes Wasser + Brausetablette, Flasche 2: warmes Wasser + Brausetablette, Flasche 3: warmes Wasser ohne Brausetablette)

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