Naturwissenschaftsdidaktische Experimente (NwdE) sind Experimente, Versuche oder Untersuchungen, welche für die Vermittlung bereits bekannter Kenntnisse aus den Naturwissenschaften an Lernende in Schule, Hochschule und Berufsausbildung genutzt werden. Im Gegensatz zu Experimenten, wie sie in der naturwissenschaftlichen Forschung eingesetzt werden, dienen sie in der Regel nicht der Gewinnung genuin neuer Erkenntnisse.

Zu naturwissenschaftsdidaktischen Experimenten bestehen allgemeine Methodiken bzw. didaktische Überlegungen der jeweiligen Fachdidaktiken bzw. der Didaktik der Naturwissenschaften, welche überwiegend für alle Teilgebiete der Naturwissenschaften gelten. Dennoch ist die Verankerung experimenteller Arbeitsweisen in den naturwissenschaftlichen Fächern unterschiedlich, weswegen auch die Vermittlung dieser Arbeitsweisen und damit der Einsatz von Experimenten nicht gleich ist. So weist beispielsweise die Häufigkeit, mit der Experimente in der Schule durchgeführt werden, deutliche Unterschiede auf. Während Experimente im Chemie- und Physikunterricht wichtiger Bestandteil des Fachs sind, werden sie im Biologieunterricht vergleichsweise selten eingesetzt. Chemische, physikalische und biologische Experimente können einander nicht ersetzen, sondern fördern die für die einzelnen Fächer von den Lernenden jeweils benötigten experimentellen Fähigkeiten und Arbeitsweisen. Fächerspezifische handelnde Auseinandersetzungen mit NwdE sind in der Biologie das gezielte Beobachten und Vergleichen; in der Chemie verfahrensbasierte Tests; in der Physik die technisch-konstruktive Herstellung einer Messapparatur. Insgesamt fördern sie aber das Verständnis für experimentell-naturwissenschaftliche Arbeitsweisen.

In der naturwissenschaftsdidaktischen Literatur wird teils explizit zwischen den Begriffen Experiment, Untersuchung und Versuch unterschieden. Ein Versuch wird in dieser Unterscheidung definiert als ein nicht von den Lernenden selbst geplantes, sondern ein von den Lehrenden gegebenes Vorgehen, das in der Regel der Veranschaulichung eines Phänomens sowie der Generierung und Sammlung von (Beobachtungs-)Daten dient. Ein Experiment hingehen ist ein wesentlicher Bestandteil des naturwissenschaftlichen Erkenntnisprozesses; es bezieht sich auf die Dynamik der Prozesse und Funktionen. Es ist definiert als ein planmäßiges, systematisches, zielgerichtetes und kontrolliertes Vorgehen, das dazu dient, Phänomene aus Ursachen nachvollziehbar rekonstruierbar und damit erklärbar zu machen. Untersuchungen beziehen sich dagegen auf statische Elemente eines Objekts, wobei die forschende Person ein Forschungsobjekt zerlegt und die Zustandsformen objektiv feststellt und untersucht. In diesem vorliegenden Artikel wird nicht zwischen den Begriffen Experiment, Untersuchung und Versuch unterschieden, sondern nur der Begriff „Experiment“ verwendet.

Bedeutung und Ziel Der naturwissenschaftliche Unterricht in Schule, Hochschule und Berufsausbildung sollte den Lernenden die Methoden vermitteln, mit denen naturwissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen werden. Die Kultusministerkonferenz (KMK) benennt im Bereich der Erkenntnisgewinnungskompetenz u. a. die folgenden fachgemäßen Arbeitsweisen: Beobachten, Vergleichen, Experimentieren und Modellieren. Dabei unterstreicht die KMK, dass das Experimentieren ein zentrales Element der Erkenntnisgewinnung ist und dass zur Erreichung der Bildungsstandards (insb. für die Sekundarstufe II) in den Fächern Biologie, Chemie und Physik Experimente unter Beachtung der rechtlichen Vorgaben (vgl. auch Richtlinie zur Sicherheit im Unterricht) durchgeführt werden müssen.

Seit den 1980er Jahren werden die Gestaltung von Lernumgebungen mit Experimenten und deren Lernwirkungen in den Naturwissenschaftsdidaktiken, der Kognitions- und Entwicklungspsychologie sowie der Pädagogischen Psychologie erforscht. Spätestens seit Beginn des 21. Jahrhunderts hat das forschend-entdeckende Lernen (Inquiry Based Learning) international zunehmend an Bedeutung gewonnen. Darüber hinaus sind experimentelle Kenntnisse und Fähigkeiten wichtiger Teil einer naturwissenschaftlichen Grundbildung (Scientific Literacy). Die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) als internationale Organisation definiert mit der naturwissenschaftlichen Rahmenkonzeption der PISA-Studien Kompetenzen, die im Naturwissenschaftsunterricht erworben werden. Diese werden als zentrales Bildungsziel angesehen, damit die Lernenden in der Lage sind, sich mit naturwissenschaftlichen Themen und Ideen auseinanderzusetzen und diese für fundierte Entscheidungen zu nutzen. Die naturwissenschaftliche Grundbildung bildete die naturwissenschaftliche Rahmenkonzeption für die früheren PISA-Studien. In der PISA-Studie 2006 wurde der allgemeine Begriff „scientific knowledge“ in der Definition ausdifferenziert in „knowledge of science“ (Naturwissenschaftliches Wissen) und „knowledge about science“ (Wissen über die Naturwissenschaft), wobei beide sich auf die Anwendung wissenschaftlicher Kenntnisse beziehen, um die natürliche Welt zu verstehen und fundierte Entscheidungen darüber zu treffen. Darunter fällt eben das Experiment als Teil der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung bspw. zur Untersuchung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Erklärung naturwissenschaftlicher Phänomene. Vor dem Hintergrund der PISA-Studie 2015 wurde „Naturwissenschaftliches Wissen“ in prozedurales Wissen (hierzu zählt das Experimentieren) und epistemisches Wissen unterschieden. Als Teilkompetenzen, die im naturwissenschaftlichen Unterricht erworben werden sollen, waren in Bezug auf das Experimentieren „Naturwissenschaftliche Untersuchungen planen und evaluieren“ und „Daten und Belege naturwissenschaftlich interpretieren“ Bestandteil des PISA-Rahmenkonzepts. Das Rahmenkonzept für PISA 2025 bezieht sich nicht mehr auf die naturwissenschaftliche Grundbildung, sondern auf die allgemeinen Ergebnisse der naturwissenschaftlichen Bildung. In diesem Rahmen wurden die oben genannten zwei Teilkompetenzen im Bezug auf das Experimentieren zu einer zusammengefasst: „Entwürfe für naturwissenschaftliche Untersuchungen erstellen und bewerten sowie naturwissenschaftliche Daten und Evidenz kritisch interpretieren“. Diese Zusammenführung der beiden Kompetenzen wurde vorgenommen, um die Bewertung von Untersuchungen stärker zu betonen und, weil nur wenige Erwachsene etwas mit der Planung von Experimenten zu tun haben.

Experimente werden in den Fächern der Naturwissenschaften u. a. als eine Erkenntnismethode genutzt, um zu – für die Lernenden – neuen Erkenntnissen und Einsichten zu gelangen. Somit werden durch das Experimentieren nicht nur naturwissenschaftliche Arbeitsweisen erlernt, sondern auch Phänomene aufgezeigt und fachliche Fragestellungen in den Betrachtungshorizont der Lernenden gerückt. Der Wissenserwerb beim Experimentieren erfolgt durch eine Wechselwirkung zwischen bereits vorhandenem Wissen und den Erfahrungen, die beim Experimentieren gemacht werden. Nach Hodson kann das Experimentieren vier Lernzielbereiche ansprechen. Nämlich das Experimentieren als Anlass (1) zum konzeptuellen Lernen (learning science), (2) zum Methodenlernen (learning to do science) und (3) zum Lernen über das Wesen naturwissenschaftlichen Wissens (learning about science), was wiederum (4) die Thematisierung gesellschaftlich relevanter Themen mit naturwissenschaftlichem Bezug (addressing socio-scientific issues) ermöglicht.

Arbeitsweisen und Schritte Zu NwdE gehören verschiedene Arbeitsweisen. Darunter zählen Vermuten und Prüfen, Beobachten bzw. Messen, Protokollieren, Zeichnen bzw. Diagramme erstellen sowie Modellieren bzw. Mathematisieren. Diese Arbeitsweisen werden von den Lernenden ganz oder in Teilen beim Durchführen solcher Experimente angewendet (in Teilen, weil bspw. das Vermuten in manchen Experimenten den Lernenden auch vorgegeben wird). Diese Arbeitsweisen kommen in den drei wesentlichen Schritten von NwdE zur Anwendung.

Eine Fragestellung und Hypothesen (auf der Basis einer Theorie) generieren: In diesem Schritt werden eine oder mehrere Forschungsfragen und begründete Hypothesen aus bekannten Theorien und Modellen oder aus Daten abgeleitet. Die Forschungsfragen dienen der Eingrenzung des Untersuchungsbereichs, sprich sie sind weit gefasst. Die Hypothesen hingegen sind als konkrete Vorhersagen über die zu erwartenden Versuchsergebnisse zu formulieren. Solche Hypothesen sind so zu formulieren, dass sie durch das Experiment auch widerlegt werden können. Ein Experiment planen und durchführen: Im nächsten Schritt muss ein Experiment geplant und durchgeführt werden, welches die formulierte Forschungsfrage überprüfen kann. Während der Durchführung werden die im Experiment ablaufenden Vorgänge genau beobachtet. Daten protokollieren, auswerten und interpretieren: Im letzten Schritt werden die Daten, die aus dem Experiment gewonnen wurden, in geeigneter Weise aufbereitet (durch eine Rechnung, grafische Darstellung, Reaktionsgleichung). Diese Ergebnisse werden dann anhand von theoretischen Überlegungen ausgewertet und interpretiert sowie auf die Fragestellung bezogen. Abschließend können die Hypothesen bestätigt oder widerlegt werden. Beim Durchlaufen der wesentlichen Schritte von NwdE treten bei Lernenden Schwierigkeiten auf. Ein großer Teil dieser Schwierigkeiten ist auf ein mangelndes Verständnis erkenntnistheoretischer Zusammenhänge und der Arbeitsweisen des Experimentierens zurückzuführen. Typische Schwierigkeiten sind bspw. das Generieren von Hypothesen, da Lernende oft keine Vorstellung davon haben, wie eine Hypothese zu formulieren ist, oder das Planen von Experimenten und das Interpretieren von Daten.

Genaues Beobachten von Experimenten

Die Beobachtung ist von zentraler Bedeutung bei NwdE und auch eine der anspruchsvollsten Arbeitsweisen. Beobachten in Experimenten ist eine zielgerichtete Tätigkeit, die das genaue und differenzierte Wahrnehmen von typischen Merkmalen und Veränderungen an einem Gegenstand, einem Lebewesen oder einer Erscheinung beinhaltet. Frischknecht-Tobler und Kollegen geben an, dass es wichtig ist, die Lernenden beim Beobachten sorgfältig anzuleiten. Deswegen ist die Übung des Beobachtens von großer Bedeutung, um diese Fähigkeiten zu fördern. Diese Anleitung kann durch eine Beobachtungsaufgabe oder einen Beobachtungsfokus erfolgen, die von den Lernenden selbstständig oder gemeinsam mit der Lehrkraft entwickelt werden kann. Dieser Beobachtungsfokus soll dazu führen, dass sich die Lernenden auf das Wichtige bzw. die Hauptbeobachtungen beim Experiment konzentrieren. In der Fachliteratur wird allgemein hervorgehoben, dass es wichtig ist, die Lernenden anzuleiten, zwischen Beobachtung und Interpretation zu unterscheiden und die Beobachtungsergebnisse nicht mit ihrem Vorwissen zu vermischen. Beobachtungen werden meist von den Lernenden dokumentiert, indem sie diese schriftlich notieren, fotografieren, Comics erstellen oder Videos von ihnen filmen.

Protokollieren und Dokumentieren

mini|Grobstruktur eines Chemie-Beispielprotokolls