Offenes Experimentieren

Offenes Experimentieren

 

Keimling

Aufgabe

Überlegen Sie, welche abiotischen Faktoren vorliegen müssen, damit ein Samen keimt. Planen Sie geeignete Experimente, um ihre Vermutungen zu bestätigen. Führen Sie die Experimente durch. Protokollieren Sie ihre Ergebnisse. Diskutieren Sie ihre Ergebnisse vor dem Hintergrund ihrer Vermutungen. Kommentieren Sie den Erfolg Ihres offenen Experimentierens vor dem Hintergrund eines möglichen Einsatzes im Biologieunterricht.

Was ist das allgemein?

Beim Experimentieren werden begründete Vermutungen zu Ursachen, Wirkungen und deren Beziehungen gesucht und anschließend durch ein sogenanntes Experiment durch eine systematische Variation und Kontrolle von Variablen überprüft (vgl. Hammann 2010, S.91). Dabei ist das Experiment, im Gegensatz zur Beobachtung, ein aktiver Prozess .

Beim Experimentieren wird zumeist eine Testvariable des Ansatzes verändert und gemessen. Anschließend findet ein Vergleich zwischen dem Experiment mit der veränderten Variable und dem Kontrollexperiment statt. Durch diesen Vergleich können Schlussfolgerungen über die Wirkung der veränderten Variablen gezogen werden (vgl. ebd., S. 91). Sinn eines Experiments ist es dann, eine Erkenntnisgewinnung im Hinblick auf das Experiment zu bekommen und Aussagen zu universell geltenden Aussagen treffen zu können.

Das Experiment dient daher dazu, biologische Phänomene zu visualisieren, und oft in einer vereinfachten Form abstrakte Begebenheiten zu veranschaulichen und erfahrbar zu machen. Das problemorientierte, selbstständige Vorgehen beim Experimentieren schult die Schülerinnen und Schüler in einer experimentellen Erkenntnisgewinnung, die nicht darauf abzielt bloßen Experimentieranleitungen folge zu leisten. Vielmehr ist ein selbstständiger und aktiver Prozess gefordert (vgl. Mayer&Ziemek 2006).

Dabei sollen die Schülerinnen und Schüler vor allem drei wichtige methodische Kompetenzen entwickeln: die Hypothesenbildung, die Experimentplanung und die Datenanalyse (vgl. ebd., S. 92).

Um diese methodischen Kompetenzen und Grundprinzipien  den Schülerinnen und Schülern näher zu bringen, ist die Einführung der Idee eines Kontrollansatzes wichtig. Die Kinder müssen verstehen, dass bei einem Experiment zumeist bestimmte Variablen verändert werden. Um aber zu bestimmen, welche Variable vom Gelingen oder Misslingen des Experiments abhängt, müssen die Ergebnisse mit einem Kontrollexperiment, in dem keine Variable verändert worden ist, verglichen werden können. Bei der Experimentplanung sollten die Schülerinnen und Schüler daher unbedingt auch den Kontrollansatz bedenken.

Wie funktioniert das in diesem Fall?

Abiotische Faktoren zur Samenkeimung

Die Samenpflanzen stellen die größte Gruppe der Landvegetation mit über 250000 Arten dar (vgl. Wild 1999). Ihr Hauptmerkmal ist die Ausbildung von Samen. Diesen nutzen sie zur Vermehrung, Überdauerung und Verbreitung der Pflanze.

Die Samenkeimung, also das Entstehen einer Keimpflanze aus einem Embryo, hängt von verschiedenen abiotischen Faktoren ab. Abiotische Faktoren meinen dabei äußere Umwelteinflüsse, an denen Lebewesen nicht aktiv beteiligt sind. Die Wichtigsten sind folgende:

  1. Wasser (damit die Keimruhe überwunden wird und der Stoffwechsel des Samens beginnen kann)
  2. Sauerstoff (Versorgung des Embryos für die Atmung der Zellen)
  3. Licht (es gibt Dunkelkeimer und Lichtkeimer. Je nachdem zu welchem Typ der Samen gehört, beginnt er nur bei ausreichend viel oder wenig Licht mit der Keimung)
  4. Wärme (damit die Keimruhe überwunden wird, manche Samen brauchen Frost oder sogar große Hitze, damit sie überhaupt keimen können)

Hypothesenbildung

Für das Keimen von Samen benötigen diese Wasser, Sauerstoff, Wärme und Licht. Wenn einer dieser Faktoren fehlt, kommt es zu keiner Keimung.

Experimentplanung

Um die Hypothese zu verifizieren, mussten nun verschiedene Keimversuche angesetzt werden. Zu allen Versuchen sollten Radieschensamen benutzt werden, da diese eine recht kurze Keimungszeit (6-10 Tage) aufweisen und nicht besonders pflegebedürftig in der Keimung sind.

Es wurden zunächst zwei Kontrollversuche angelegt. Diese bestanden aus einem Topf mit gewässerter Erde und Radieschensamen. Des Weiteren wurden sie an einem lichtdurchfluteten Fenster platziert und ohne Abdeckung aufgestellt. Somit sollten bestmögliche abiotische Faktoren für die Samenkeimung bestehen.

Als Nächstes wurden folgende Experimentaufbauten vorgenommen

Foto

  1. Pflanzentopf mit gewässerten Kieselsteinen und

Radieschensamen. Dieser Topf wurde ohne

Abdeckung am Fenster platziert.

  1. Pflanzentopf mit gewässerter Watte und Radieschensamen.

Auch dieser Topf wurde ohne Abdeckung am Fenster platziert.

  1. Pflanzentopf mit gewässertem Sand und Radieschensamen.

Auch dieser Topf wurde ohne Abdeckung am Fenster platziert.

  1. Pflanzentopf mit gewässerter Erde und Radieschensamen,

allerdings luftdicht abgedichtet.

  1. Pflanzentopf mit gewässerter Erde und Radieschensamen,

allerdings luftdicht und dunkel.

  1. Pflanzentopf mit gewässerter Erde und Radieschensamen,

allerdings dunkel (abgedeckt mit Alufolie) in einem Schrank

platziert.

  1. Pflanzentop mit gewässerter Erde und Radieschensamen,

mit künstlichem Licht bestrahlt .

  1. Pflanzentopf mit gewässerter Erde und Radieschensamen,

allerdings im Kühlschrank gelagert.

  1. Pflanzentopf mit Erde und Radieschensamen, ohne

Abdeckung am Fenster platziert.

 

Datenanalyse

Nach exakt 7 Tagen wurden die Keimungsversuche jeder für sich untersucht.

Foto 1 (3)

Es ergaben sich folgende Ergebnisse:

Der Kontrollversuch keimte am zweit besten: Foto 1 (1)

  1. Eine erste Keimung erkennbar Foto 2 (1)
  2. Keimung erkennbarFoto 3 (2)
  3. Keine Keimung erkennbarFoto 1
  4. Keimung erkennbarFoto 5
  5. Keimung erkennbarFoto 4 (2)
  6. Keine Keimung erkennbar Foto 3
  7. Keimung erkennbar und deutlich erhöhte WachstumsrateFoto 2
  8. Keine Keimung erkennbarFoto 2 (2)
  9. Keine Keimung erkennbarFoto 3 (1)

 

Die Ergebnisse 1,2,6,7,8 und 9 entsprechen der zuvor aufgestellten Hypothese.

Das Ergebnis 3 verwundert in dem Maße, als dass Samen zwar zum wachsen, aber nicht zum keimen, Nährstoffe benötigen. Daher hätte eine Keimung eintreten müssen. Hier könnten zu wenig Samen oder zu tief eingebrachte Samen die Ursache für das Nicht-Keimen der Samen darstellen.

Ergebnisse 4 und 5 lassen sich dadurch erklären, dass noch genügend Sauerstoff in den Töpfen für die Keimung vorhanden war. Außerdem schloss die Frischhaltefolie den Pflanzentopf nicht vollständig luftdicht ab. Auch die Alufolie ist noch etwas lichtdurchlässig.

Fehleranalyse

Allgemein kann festgehalten werden, dass der Gruppe zur Planung des Experiments zu wenig Zeit zur Verfügung stand. Wir hätten mehr über die einzelnen abiotischen Faktoren nachdenken müssen und die Versuche gezielter und genauer durchführen müssen. Auch eine geringere Zahl an Experimenten hätte sich aufgrund der Übersichtlichkeit und besseren Vergleichbarkeit angeboten. Des Weiteren hätten die keimungsspezifischen Merkmale des Radieschen betrachtet werden müssen. So steht hinten auf der Verpackung, dass Radieschen sehr unempfindlich sind und hauptsächlich Sonnenlicht zur Keimung benötigen.Foto 2 (3)

Um eine bessere Vergleichbarkeit herzustellen, hätte die Gruppe immer jeweils gleich viele Radieschensamen in die Töpfe verteilen sollen, die Samen wurden jedoch nach Gefühl in die Töpfe eingebracht. Auch die Tiefe der Samen in den verschiedenen Untergründen hätte überall gleich sein müssen.

Statt einer Abdichtung mit Klarsichtfolie, hätten die Pflanzentöpfe im Vakuum verpackt werden müssen, da unter der Klarsichtfolie noch genügend Sauerstoff zur Keimung der Samen vorhanden war. Dieser hätte entzogen werden müssen.

Es wird daher deutlich, dass beim offenen Experimentieren einige Fehler auftreten können. Es stellt sich daher die Frage, ob die SuS bei dieser Methode etwas lernen können oder ob diese frustriert.

Eigene Reflexion und Bewertung für den Unterrichtseinsatz

Es konnte durch das eigene offene Experimentieren festgestellt werden, dass man sich über viele Faktoren und Bedingungen bewusst sein muss, um einen solchen Versuch frei ansetzen zu können. Auch wir, alle fünf bereits ein Biolgie-Bachelorstudium erfolgreich abgeschlossen, fiel es schwer, einen gelungen Experimentaufbau herzustellen. Es fand zunächst einmal eine Überforderung durch die Fülle an möglichen Material statt. Da man so viele Möglichkeiten hatte, Versuche mit unterschiedlichsten Bedingungen anzusetzen, fiel es schwer sich auf einige geeignete zu fokussieren. Auch die SuS werden vermutlich durch die Fülle an Experimentiermöglichenkeiten überfordert sein. Zudem ist ein explizites Vorwissen über das Thema von elementarer Bedeutung sowie das Wissen über den Ablauf von Experimenten. Somit kann zunächst festgehalten werden, dass das offene Experimentieren nicht zum Anfang einer Unterrichtseinheit durchgeführt werden kann (außer man möchte die Fehler nutzen und in einer der letzten Stunden der Unterrichtseinheit diese Fehler dank des erlernten Wissens revidieren). Außerdem ist es ungeeignet für Klassen, die nicht viel Erfahrung mit dem Experimentieren an sich haben.

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So müsste eigentlich zwingend bei der Planung von offenen Experimentieren mit zwei Experimenten gerechnet werden. Zunächst ein Experiment, bei dem die Kinder Fehler machen und zum anderen ein weiteres Experiment nach der Auswertung des ersten Versuchs , in dem die Kinder nun die Chance haben, aus ihren Fehlern zu lernen. Das fördert im erheblichen Maße den Kompetenzerwerb.

Es bleibt jedoch die Frage offen, wie die SuS auf einen so ungeleiteten Unterricht reagieren. Sind die Klassen generell offene Unterrichtsformen gewöhnt, so fällt ihnen das Arbeiten mit dem offenen Experiment mit Sicherheit leichter. Dennoch besteht hier die Gefahr, dass vor allem leistungsschwächere SuS vernachlässigt werden, da die leistungsstärkeren SuS ihr Wissen abrufen und die Experimentleitung an sich nehmen können. Wie hoch der Lernwert dann für diese SuS ist, ist fraglich.

Zudem bleibt zu beobachten,was sich die SuS wirklich notieren, oder inwieweit sie einfach herum experimentieren ohne dieses zu protokollieren. Eine Ergebnissicherung ist daher bei dieser Methode unbedingt notwendig!

Ich persönlich werde das offene Experimentieren daher in seiner Reinform nicht einsetzen. Ich kann mir gut vorstellen mit einer Klasse, die ich bereits seid mehreren Jahren unterrichte, und die mit dem Experimentieren vertraut sind, ein offenes Experiment durchzuführen. Dieses würde allerdings aus Gründen der didaktischen Reduktion eine Fragestellung beinhalten, damit die SuS bspw. nicht jeden abiotischen Faktor untersuchen, sondern sich nur auf den Faktor Licht oder Wasser beschränken. Außerdem würden die SuS von mir einen Vordruck bekommen, wo noch einmal der wesentliche Aufbau eines Protokolls aufgezeigt wird. In diesem Vordruck sollen sie dann Hypothesen, Materialien, Versuchsaufbauten etc. eintragen. Hier könnte man daher von einer halb geöffneten Form des Experimentierens sprechen. Die SuS können sich selbst überlegen, wie sie die Fragestellung am besten beantworten können, haben allerdings auch eine klare Fokussierung, keine überdurchschnittliche Menge an Material sowie einen Protokollvordruck zur Verfügung.

Ich denke, dass so die Selbstständigkeit und das selbstständige Denken zum Themengebiet gefördert wird. Daher strebe ich an, einen halbgeöffneten Experimentunterricht in meiner Klasse durchzuführen.

Literatur:

Hammann,M. (2010). – Experimentieren. In: Spörhase, U.; Ruppert, W. (Hrsg.). Biologie-Methodik. Handbuch für die Sekundarstufe I und II. Cornelsen: Scriptor, Berlin, S. 91-96.

Mayer, J. ; Ziemek, H. (2006).- Offenes Experimentieren-Forschendes Lernen im Biologieunterricht.  In: Unterricht Biologie 217: Friedrich Verlag, Seelze.

Wild, A. (1999). -Pflanzenphysiologische Versuche in der Schule. Quelle & Meyer, Wiebelsheim.

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