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Lucycity-eine Konzeption für den forschenden Unterricht am Beispiel Nanotechnologie

Authors:
Nicole MARMÉ, Heidelberg; Jens-Peter KNEMEYER, Heidelberg
Lucycity eine Konzeption für den forschenden Unterricht
am Beispiel Nanotechnologie
1. Einleitung
Die Gesellschaft und das verfügbare Wissen wandeln sich durch Globalisie-
rung und Digitalisierung in nie dagewesener Geschwindigkeit. Durch zu-
künftige Entwicklungen, bspw. künstliche Intelligenz, dürfte sich dieser Pro-
zess noch weiter beschleunigen. Dies führt dazu, dass sich die Anforderun-
gen an die jungen Generationen dramatisch ändern. So werden heute auf dem
Arbeitsmarkt neben fachlichem Wissen viele weitere Kompetenzen, beson-
ders die Fähigkeit zu lebenslangen Lernen gefordert (Barell, 2010). Dies
führte dazu, dass sich neuere Bildungspläne stärker auf die Vermittlung von
Kompetenzen fokussieren. Viele der geforderten Kompetenzen können
durch forschendes Lernen gefördert werden. Dies gilt insbesondere wenn der
Forschungsprozess möglichst umfassend abgebildet wird. Dazu gehört ei-
genständiges Arbeiten an längeren wissenschaftlichen Projekten, inklusive
(eigener) Fragestellung, Planung und Durchführung von Experimenten/Un-
tersuchungen, Auswertung, Interpretation der Daten und Kommunikation
der Ergebnisse. Forschendes Lernen kann aber auch zu Schwierigkeiten füh-
ren, beispielsweise bezüglich der Ergebnissicherung, Erfüllung des Lehr-
plans oder des Zeitmanagements. Mit Lucycity ist ein Lehr/Lernkonzept ent-
standen, dass vielen der genannten Schwierigkeiten entgegenwirkt (Kne-
meyer, Keller, & Marmé, 2010; Marmé, Kneißel, & Knemeyer, 2011). Das
Konzept wird im Folgenden an einem Umsetzungsbeispiel aus der Nano-
technologie erläutert.
Nanotechnologie ist zurzeit nur selten Thema in der Schule und findet sich
kaum in den Bildungsplänen, obwohl sie als Schlüsseltechnologie des 21.
Jahrhunderts mit vielen Chancen und Risiken gilt. Für das Jahr 2020 wird
mit einem Weltmarktvolumen von Nano-Produkten von bis zu drei Billionen
US-Dollar gerechnet (Roco, Mirkin, & Hersam, 2011). Vor diesem Hinter-
grund wurden spezielle Angebote (einwöchige Nano-Orientierungs-Akade-
mien) entwickelt, um Mädchen der gymnasialen Oberstufe an das Thema
heranzuführen und zur Aufnahme eines entsprechenden Studiums zu moti-
vieren. Aus den Akademien lassen sich zwar einzelne Bausteine, beispiels-
weise Synthese von Nanopartikeln (nach Anleitung) in die Schule übertragen
(Marmé, Aupperle-Pauls, Pauls, & Knemeyer, 2014), für ein alltagstaugli-
ches, forschendes Lernen sind aber viele Anpassungen nötig.
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N. Neuber, W. Paravicini, M. Stein (Hrsg.): Forschendes Lernen – The wider view.
Tagungsband. Münster: WTM-Verlag 2018.
2. Das Unterrichtskonzept Lucycity
Lucycity ist eine virtuelle Lernstadt, in der verschiedene fiktive Firmen und
Einrichtungen angesiedelt sind, die mit ihren Internetseiten den Hintergrund
für unterschiedlichste Projekte, von Kosmetikherstellung (Seeberg, Jannack,
Knemeyer, & Marmé, 2011) bis zum Bau beleuchteter Kunstwerke (Kne-
meyer, Hörner, & Marmé, 2015) bilden. Die Lucycity-Projekte sind prinzi-
piell ähnlich aufgebaut und erstrecken sich über mindestens zehn Unter-
richtsstunden. Je nach Gegebenheiten und Anforderungen können sie indivi-
duell angepasst werden.
Abteilungsleiterkonzept. Alle Projekte zielen (wie das forschende Lernen)
auf die Förderung verschiedener Kompetenzen ab. Eine wichtige Rolle spielt
hierbei die Teamfähigkeit, besonders die teaminterne Organisation. Deshalb
werden die Schülergruppen nach dem Abteilungsleiterkonzept gebildet. Da-
bei werden nach kurzen Bewerbungsgesprächen einige SchülerInnen als Ab-
teilungsleiterInnen ausgesucht, die dann ihre Abteilungen zusammenstellen.
Diese tragen für ihre Gruppen die Verantwortung und dienen als Ansprech-
partnerInnen für die Lehrkraft. Die Organisationsform ermöglicht auch bei
sehr freiem Arbeiten eine gute Strukturierung der Klasse.
Der Auftrag. Das Projekt beginnt mit der Erteilung eines Auftrages. Die
Teams bekommen ein Anschreiben der Nano Research Association
(NORA), in dem sie beauftragt werden ein neues Nano-Spray mit Lotusef-
fekt zu untersuchen.
„Wir beauftragen Sie, mit dem Spray behandelte Oberflächen bezüglich des
Abperlverhaltens von Wasser eingehend zu untersuchen. Es soll gezeigt wer-
den, für welche Oberflächen eine Behandlung sinnvoll ist und für welche
Materialien das Spray nutzlos ist. Hierzu müssen geeignete standardisierte
Versuche, Versuchsaufbauten und Vorschriften entwickelt werden,…. Sie
werden die Gelegenheit haben uns Ihre Ergebnisse am ___ (Zeitpunkt des
Projektendes) in einem 10-minütigem Vortrag zu präsentieren. 1
Als Nanospray kann ein Schuhspray mit Nanoeffekt verwendet werden. Die
Wahl der Oberflächenmaterialien steht den SchülerInnen zwar frei, es kann
aber auch ein Stück Holz, Dachziegel, Papier und Stoff bereit gelegt werden.
Neben dem Erarbeiten fachlicher Inhalte, beispielsweise Lotuseffekt, liegt
die Schwierigkeit dieses Auftrages in der Konzeption reproduzierbarer Ex-
perimente zur Untersuchung des Abperverhaltens. Ist ein geeigneter Ver-
suchsaufbau entwickelt, beispielsweise eine schiefe Ebene mit einstellbarem
Steigungswinkel, besteht die nächste Herausforderung in der übersichtlichen
1 Das Anschreiben kann unter www.didaktik-aktuell.de/index.php/fuer_Lehrer herunter-
geladen werden.
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Dokumentation, Auswertung und Interpretation der Ergebnisse, sowie in der
Vorbereitung der Präsentation.
Internetseiten. Da die firmeneigene Internetseite (nora.lucycity.de) den Hin-
tergrund für mehrere Projekte liefert, finden sich hier sehr viele Informatio-
nen, von Anwendungsgebieten der Nanotechnologie bis hin zu Chancen und
Risiken. Für das hier vorgestellte Projekt sind die Informationen über nano-
strukturierte Oberflächen und den Lotuseffekt von besonderem Interesse.
Die Internetseiten erhöhen die Authentizität des Projektes, wodurch die
Schülermotivation gesteigert werden soll. Außerdem dienen sie der schüler-
gerechten Darstellung von fachlichen Inhalten, als Startpunkt weiterführen-
der Recherche und als Teil eines gemeinsamen Wissensfundaments, das sich
in Klassenarbeiten abfragen lässt.
Mitarbeiterseminare. Die meist geäußerte Kritiken an sehr freien Unter-
richtsmethoden mit eigenen Forschungsfragen sind fehlende Erfüllung des
Lehrplans und der Erwerb diffusen und sehr unterschiedlichen Wissens, wel-
ches sich nur schwer abprüfen lässt. Um dem entgegenzuwirken, wurden in
das Lucycity-Konzept Mitarbeiterseminare eingeführt. Diese unterbrechen
die selbstgesteuerten Arbeitsphasen in regelmäßigen Abständen, um allen
SchülerInnen gemeinsam wichtige (lehrplan- oder klausurrelevante) Inhalte
zu vermitteln. Die Mitarbeiter-Seminare dauern ein bis zwei Unterrichtsstun-
den und können im Frontalunterricht, aber auch in anderen Formen durchge-
führt werden. Prinzipiell kann die Lehrkraft die Seminare auf die jeweiligen
Anforderungen anpassen. Besonders durch die Zahl und Länge kann die Pro-
jektlaufzeit gesteuert werden. Mögliche Seminarthemen sind: Womit be-
schäftigt sich die Nanotechnologie?; Anwendungsgebiete; Chancen und Ri-
siken; Lotuseffekt; Versuchsplanung; physikalische Eigenschaften von Na-
nopartikeln.
Ergebnisdokumentation. Die SchülerInnen sollen während des Projektes ein
Portfolio führen, in dem sie alle Arbeiten und die fachlichen Inhalte, mit de-
nen sie sich beschäftigen, dokumentieren und reflektieren und in dem sie
ihren Fortschritt beurteilen und anstehende Aufgaben benennen. Das Portfo-
lio dient nicht nur der Lehrkraft zur Schülerbeurteilung, sondern soll in erster
Linie den SchülerInnen helfen, ihre Arbeiten zu strukturieren.
Präsentation. Jedes Projekt endet mit einer Präsentation der Ergebnisse. In
dem hier vorgestellten Auftrag wird ein 10-minütigerVortrag verlangt, in
dem die entwickelten Versuchsaufbauten und Ergebnisse vorgestellt werden
sollen. Zusätzlich kann auch ein wissenschaftlicher Text gefordert werden
und ein Training zum wissenschaftlichen Schreiben (Flechsig, Knemeyer, &
Marmé, 2017a) durchgeführt werden. Um die Texte objektiv zu bewerten
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und qualifiziertes Feedback zu geben kann ein entsprechendes Kompetenz-
raster für wissenschaftliche Texte herangezogen werden. (Flechsig, Kne-
meyer, & Marmé, 2017b).
4. Diskussion und Ausblick
Forschendes Lernen wird in Schulen nur selten umgesetzt, da viele Lehre-
rInnen bei freien Aufgabenstellungen einen Kontrollverlust und mangelnde
Struktur befürchten. Das Lucycity-Konzept bietet für die SchülerInnen sehr
offene Aufgabenstellungen und viele Freiheiten. Die Struktur des Abtei-
lungsleiterkonzepts ermöglicht der Lehrkraft sich mit den einzelnen Grup-
pen zu beschäftigen. Durch die Internetseiten und die Mitarbeiterseminare
werden in ausreichendem Maße die Kontrolle über zentrale Lerninhalte be-
halten und mit dem Portfolio und ggf. dem Kompetenzraster stehen geeig-
nete Bewertungsmöglichkeiten zur Verfügung. Dieses allgemeine Konzept
lässt sich auf viele Projekte übertragen und könnte einen Beitrag zur Imple-
mentierung forschenden Lernens in den Schulunterricht liefern.
Literatur
Barell, J. (2010). Excerpts from “Problem-Based Learning: The Foundation for 21st Cen-
tury Skills”. In J. Bellanca & R. Brandt (Hrsg.), 21stcentury skills: Rethinking how
students learn (S. 175–199). Bloomington: Solution Tree Press.
Flechsig, A., Knemeyer, J.-P., & Marmé, N. (2017a). Schreibtraining – Wissenschaftli-
ches Schreiben im naturwissenschaftlichen Unterricht. didaktik-aktuell.
https://doi.org/10.13140/RG.2.2.22283.69923
Flechsig, A., Knemeyer, J.-P., & Marmé, N. (2017b). Kompetenzraster für die Bewertung
wissenschaftlicher Schülertexte. didaktik-aktuell.
https://doi.org/10.13140/RG.2.2.19339.39207
Knemeyer, J.-P., Hörner, L., & Marmé, N. (2015). Electronic Design Physik im Kunst-
unterricht. In S. Bernholt (Hrsg.), Heterogenität und Diversität - Vielfalt der Voraus-
setzungen im naturwissenschaftlichen Unterricht (S. 250–252). Kiel: IPN.
Knemeyer, J.-P., Keller, C., & Marmé, N. (2010). Teamorganisiertes Problemlösen
(TOP) im Naturwissenschaft und Technik-Unterricht- Lucy´s Diner (Ein Unter-
richtsprojekt für die Klassen 8 - 10). Heidelberg: didaktik-aktuell
Marmé, N., Aupperle-Pauls, A., Pauls, F., & Knemeyer, J.-P. (2014). „Zwerge“ aus dem
Minilabor. CHEMKON, 21(4), 181–187.
Marmé, N., Kneißel, I., & Knemeyer, J.-P. (2011). Die virtuelle Lernstadt Lucycity im
naturwissenschaftlichen Unterricht. In D. Höttecke (Hrsg.), Naturwissenschaftliche
Bildung als Beitrag zur Gestaltung partizipativer Demokratie (S. 303–305). Münster:
LIT-Verlag.
Roco, M. C., Mirkin, C. A., & Hersam, M. C. (2011). Nanotechnology research direc-
tions for societal needs in 2020: summary of international study. Springer.
Seeberg, S., Jannack, V., Knemeyer, J.-P., & Marmé, N. (2011). Marmétics - ein Kosme-
tikprojekt in der virtuellen Lernstadt Lucycity. In D. Höttecke (Hrsg.), Naturwissen-
schaftliche Bildung als Beitrag zur Gestaltung partizipativer Demokratie (S. 306–
308). Münster: LIT-Verlag.
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Keywords: wissenschaftliches Schreiben, Kompetenzorientierung, Kompetenzbewertung, Schreibtraining, Schule, Sekundarstufe 1, Naturwissenschaften, ------ Zusammenfassung: Das neu entwickelte Kompetenzraster soll es Lehrkräften ermöglichen, wissenschaftliche Schülertexte objektiv zu bewerten und qualitatives Feedback zu geben. Es kann auch in der didaktischen Forschung als Messinstrument für die wissenschaftliche Schreibkompetenz bei Schülerinnen und Schülern genutzt werden.
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Keywords: wissenschaftliches Schreiben, Unterrichtsmaterial, Schreibtraining, Schule, Sekundarstufe 1, Naturwissenschaften, schülerzentriert, richtig Zitieren
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What makes the 21st century special? What are the new and threatening problems we face, both domestic and foreign, that necessitate more attention to how we think and solve problems? In addition to the complexities of energy production and conservation, preserving the planet, and fighting terrorism, we face almost intractable situations when it comes to providing health care, ensuring equity within all of our educational and judicial systems, and figuring out how to preserve our financial markets after the worst economic meltdown since the Great Depression. The increased complexity of these challenges makes it all the more important that we do a better job preparing our students to become inquirers, problem solvers, critical and creative thinkers. We must provide students with improved strategies to help them deal with these very complex situations. Problem-based learning (PBL) is one such strategy.
Article
The paper examines the progress made in nanotechnology development since 2000, achievements at ten years, and opportunities in research, education, innovation and societal outcomes by 2020 worldwide. KeywordsNanoscale science and engineering–Research, education and innovation–Forecast–Governance–Societal implications–International perspective
  • N Marmé
  • A Aupperle-Pauls
  • F Pauls
  • J.-P Knemeyer
Marmé, N., Aupperle-Pauls, A., Pauls, F., & Knemeyer, J.-P. (2014). "Zwerge" aus dem Minilabor. CHEMKON, 21(4), 181-187.
Die virtuelle Lernstadt Lucycity im naturwissenschaftlichen Unterricht
  • N Marmé
  • I Kneißel
  • J.-P Knemeyer
Marmé, N., Kneißel, I., & Knemeyer, J.-P. (2011). Die virtuelle Lernstadt Lucycity im naturwissenschaftlichen Unterricht. In D. Höttecke (Hrsg.), Naturwissenschaftliche Bildung als Beitrag zur Gestaltung partizipativer Demokratie (S. 303-305). Münster: LIT-Verlag.