Ein guter Natur- und Technik-Unterricht setzt bei den Vorstellungen der Kinder und Jugendlichen an. Dies fördert einerseits das Interesse für naturwissenschaftliche Phänomene. Andererseits können so Fehlvorstellungen rund um Themen wie Energie oder chemische Reaktionen früh korrigiert werden.

Ein Dreirad ist leichter zu fahren als ein Zweirad. Das merkt ein Kind sofort bei seinen ersten Versuchen auf dem Velo. Doch wieso findet man eigentlich die Balance auf einem Dreirad oder einem Velo mit Stützrädern leichter als auf einem Zweirad? «Was wir intuitiv begreifen, ist physikalisch gar nicht so leicht zu erklären», sagt Judith Egloff, Dozentin an der PH Zürich für das Fach Natur, Mensch, Gesellschaft auf der Eingangsstufe. Mit dem Beispiel will sie zeigen, dass Phänomene hinter simplen Alltagserfahrungen sehr komplex sein können. Und dass die Begleitung solcher Erfahrungen schon im Kindergartenalter anspruchsvoll ist.

Auch wenn Kinder in diesem Alter die physikalischen Kräfte noch nicht verstehen können, ist es wichtig, dass sie keine falschen Erklärungen zu ihren Erfahrungen erhalten. «Kinder machen in diesem Alter wichtige Grunderfahrungen, auf denen das spätere Lernen aufbaut», erklärt Egloff. Beobachtet ein Kind etwa beim angeleiteten Spiel mit unterschiedlich steilen Rampen, dass ein Fahrzeug je nach Neigung und Beschaffenheit der Rampe schneller oder weniger schnell herunterfährt, tastet es sich bereits an Konzepte wie Schwerkraft oder Reibung heran.

Erhält es eine falsche Erklärung zu seinen Beobachtungen, können Fehlvorstellungen entstehen, die dem späteren Lernen im Weg stehen. Egloff erlebte schon, dass eine Lehrperson die Anziehungskraft von Magneten mit derjenigen der Erde verglich. Die falsche Vorstellung, dass ein fallender Gegenstand aus dem gleichen Grund von der Erde angezogen wird wie ein Eisenstück von einem Magnet, ist dem Verständnis von Schwerkraft und Magnetismus keineswegs förderlich. «Dabei kann ein Kind in diesem Alter mit einer geeigneten Begleitung durchaus erkennen, dass Magnete nur bestimmte Materialien anziehen, die Schwerkraft hingegen auf alle Gegenstände wirkt», sagt Egloff.

Mit dem Lehrplan 21 werden Kompetenzen im Bereich von Natur und Technik neu schon auf der Kindergartenstufe systematisch aufgebaut. Um alltägliche Beobachtungen wie das Verfärben von Blättern im Herbst oder das Auslöschen einer Flamme kompetent begleiten zu können, brauchen Lehrpersonen ein fundiertes Fachwissen in Chemie, Physik, Biologie und Technik. Gemäss Egloff ist dieses jedoch nicht immer deckungsgleich mit dem Vorwissen der angehenden Lehrpersonen – bisweilen haben Studierende der PH Zürich vertiefte Kenntnisse in einem Bereich, aber Lücken in einem anderen. In der Ausbildung an der PH Zürich kann das Wissen in der gesamten Breite jedoch nicht systematisch aufgearbeitet werden. Auch im Alltag hätten Lehrpersonen kaum Zeit, sich das spezifische Wissen selbständig zu erarbeiten und geeignete Unterrichtssequenzen für den Natur- und Technik-Unterricht zu entwickeln, sagt Egloff. Diese Lücke schliesst nun das Kindergarten-Lehrmittel «Kinder begegnen Natur und Technik», das Egloff mitentwickelt hat. Das Lehrmittel stellt jedem Unterrichtsvorschlag eine fachliche Einführung voraus, was bei den Lehrpersonen gemäss Egloff gut ankommt. «Wir erhalten sehr viele positive Rückmeldungen auf das Lehrmittel», sagt Egloff. Für einen guten Natur- und Technik-Unterricht sei die Freude am Entdecken zentral. «Kinder sollen sich den Phänomenen auf spielerische Art und Weise durch sinnliche Erfahrungen nähern.» Wenn möglich wird dabei mit echten Gegenständen gearbeitet: Kinder graben selbst Löwenzahn aus, um Wurzeln anzuschauen, und fahren Tram, statt nur von diesem zu hören.

Ein vielseitiger, handlungsorientierter Unterricht, in dem sich Kinder Phänomenen handelnd annähern, kann auch schon früh dem viel thematisierten Gender-Gap im Bereich der Technik entgegenwirken – also der Tatsache, dass sich junge Frauen nach wie vor selten für technische Berufe oder Studiengänge entscheiden. «Mädchen interessieren sich durchaus für technische Themen wie Bauen oder Verkehr. Manche muss man einfach erst auf den Geschmack bringen», erklärt Egloff. Integriert die Lehrperson eine Konstruktionsaufgabe mit Bauklötzen oder selbst gesammelten Holzstücken oder das Spiel mit Fahrzeugen in den gemeinsamen Unterricht, kann sie das Interesse für diese technischen Themen auch bei denjenigen Kindern wecken, die sich nicht ohnehin schon dafür interessierten.

Kinder erzählen lassen
Im Schulalltag kommt der Bereich der Technik auf der Eingangsstufe gemäss Egloff nach wie vor etwas zu kurz. Sie beobachtet etwa als Mentorin, dass Studierende in ihren Praktika für technische Themen kaum Zeit erhalten. «Leider gibt es bei Lehrpersonen auf der Kindergarten- und Primarstufe relativ oft Berührungsängste bei technischen Themen», sagt Egloff. Bei Studierenden der PH Zürich ist das Interesse für Natur und Technik gemäss Umfragen sehr hoch. Viele schätzen diese Themen als wichtig ein. Franziska Detken, Dozentin für das Fach Natur, Mensch, Gesellschaft auf der Primarstufe, erkennt bei den Studentinnen und Studenten aber auch immer wieder Unsicherheiten: «Studierende sind zum Teil verunsichert, wenn sie merken, wie komplex die auf der Primarstufe behandelten Themen im Grunde sind, oder wenn sie eigene Fehlvorstellungen entdecken.»

Um solche Fehlvorstellungen aufzudecken, setzt die fachdidaktische Ausbildung an der PH Zürich bewusst bei den eigenen Vorstellungen zu den behandelten Themen an – so wie dies auch im späteren Unterricht der Fall sein sollte. «Ein guter Natur- und Technik-Unterricht knüpft immer bei der Lebenswelt und den Vorstellungen der Lernenden an», sagt Detken. Sie weist darauf hin, dass Kinder oft schon klarere Ideen zu naturwissenschaftlichen Themen entwickelt haben, als man ihnen vielleicht zutraue. «Schon in der ersten Klasse äussern Kinder vernünftige Auffassungen von Energie, auf die der spätere Unterricht gut aufbauen kann», sagt Detken, die für ihre Dissertation die Vorstellungen von Primarschulkindern zu Energie erforscht. So erklärten ihr Siebenjährige beispielsweise, dass sie Energie brauchen, um Sport zu treiben, oder dass eine Batterie einer Lampe die Energie zum Leuchten gibt. Guter Natur- und Technik-Unterricht liefert gemäss Detken nicht gleich zu Beginn Erklärungen zu Phänomenen, sondern setzt beim Experimentieren und Beobachten an. Lässt die Lehrperson die Kinder beschreiben, was sie sehen, sieht sie auch, welche Begriffe die Kinder noch nicht kennen und welche Fachbegriffe sie einführen könnte. Beschreiben die Kinder bei einem Experiment zur Akustik beispielsweise, dass die Stimmgabel «zittert», kann sie das Wort «schwingen» vorschlagen und damit eine Basis für das spätere Verständnis von Schwingungen schaffen. Auch wenn das Fach für Kinder mit Deutsch als Zweitsprache doppelt anspruchsvoll ist, sieht Detken darin auch eine Chance zur Sprachförderung: «Natur- und Technik-Unterricht eignet sich sehr zur Sprachförderung, da wir reale Gegenstände vor uns haben und uns über Beobachtungen und Vermutungen austauschen.» (siehe Reportage «‹Gebäude konstruieren› statt ‹Häuser aus Stecken machen›»).

Interesse aufrechterhalten
Auch auf der Sekundarstufe bleibt die Sprache eine zentrale Herausforderung im Natur- und Technik-Unterricht. «Lehrpersonen müssen auf dieser Stufe ebenso stark darauf achten, dass die Sprache dem Verständnis nicht im Weg steht», sagt Pitt Hild, Dozent für Naturwissenschaften auf der Sekundarstufe. So gilt es nicht nur einen aktiven Wortschatz mit der Klasse aufzubauen und auf nicht stufengerechte Fachbegriffe zu verzichten, sondern auch ungünstige Formulierungen aus der Alltagssprache zu vermeiden. «In der deutschen Alltagssprache gibt es viele Formulierungen zur Beschreibung von chemischen oder physikalischen Vorgängen, mit denen die Vorstellung gefördert wird, dass Dinge vernichtet werden», erklärt Hild. Spricht man etwa davon, dass Energie «verbraucht» wird, läuft dies dem korrekten Vorgang entgegen, wonach Energie nur umgewandelt wird, aber nie verschwinden kann. Ähnlich ist dies bei Formulierungen wie «Salz in Wasser auflösen» oder «etwas verbrennen». Günstiger wären hier Bezeichnungen wie «lösen», «brennen» oder «nutzen».

Neben einer fach- und sachgerechten Sprache gehört die Motivation der Jugendlichen zu den brennenden Themen auf der Sekundarstufe. Während sich Kinder bis zum Ende der Mittelstufe gewöhnlich leicht für naturwissenschaftliche und technische Phänomene begeistern, nimmt dieses Interesse auf der Sekundarstufe bei vielen Jugendlichen steil ab, mit Ausnahme von biologischen Themen rund um den menschlichen Körper. «In der Pubertät stehen bei den Jugendlichen Fragen zum eigenen Körper und zur sozialen Eingebundenheit im Vordergrund », sagt Hild. Daher gelte es aufzeigen, dass das Soziale im Bereich der Naturwissenschaften und Technik durchaus einen grossen Stellenwert habe und in entsprechenden Berufen viel Teamwork gefragt sei. Zudem müssten Lehrpersonen verständlich vermitteln können, dass es bei vielen Aufgaben weniger um die Inhalte gehe, als vielmehr um naturwissenschaftliche Prozesse der Erkenntnisgewinnung und Strategien der Problemlösung, die in vielen Berufen gefragt sind.

Dabei hilft es, im Unterricht Kontexte zu wählen, die die Jugendlichen ansprechen – und zwar sowohl Jungen als auch Mädchen. Als gutes Beispiel nennt Hild die Herstellung von Kosmetikprodukten, für die sich auch junge Männer immer stärker interessieren. Dabei muss die Aufgabe nicht beim chemischen Experiment mit Fett und Wasser enden. Wenn die Jugendlichen eine Salbe herstellen, können sie dazu eine attraktive Salbenverpackung entwickeln. So erwerben sie auch Kompetenzen im Bereich Technik und Design und beschäftigen sich mit wirtschaftlichen Fragen der Vermarktung von Produkten. «Lehrpersonen dürften noch stärker fächerübergreifend arbeiten und Natur und Technik auch mit Geografie und Geschichte oder gestalterischen Aufgaben verknüpfen», sagt Hild. Schliesslich begegnen wir den jeweiligen Phänomenen kaum je isoliert.

Anders als auf tieferen Stufen sind auf der Sekundarstufe nicht mehr nur alltagsnahe Kontexte sinnvoll. So zeigt die Lernforschung, dass lernschwache Schülerinnen und Schüler zwar lieber mit alltagsnahen Kontexten arbeiten, Lernstarke dagegen besondere Kontexte bevorzugen, auch wenn diese nicht alltagsnah sind. So könnte eine Lehrperson beim Thema Kohlensäure auf tieferen Niveaus mit Kohlensäure im Wasser arbeiten und mit lernstärkeren Jugendlichen das natürliche Vorkommen von kohlesäurehaltigem Wasser in vulkanischem Gestein thematisieren.

Keine Angst vor Experimenten
Gemäss Hild gelingt es den Lehrpersonen für Natur und Technik auf der Sekundarstufe gut, der sinkenden Motivation der Jugendlichen entgegenzuwirken: «Die Lehrpersonen bieten einen interessanten Unterricht.» Kritisch sieht er allerdings, dass sich manche nicht trauen, mit der Klasse bestimmte Experimente durchzuführen, etwa wenn ein Gasbrenner bedient werden muss. «Solche Experimente gehören zu einem handlungsorientierten Natur- und Technik-Unterricht», so Hild. Er schlägt vor, sich diesen Experimenten schrittweise anzunähern, etwa mit einem von der Lehrperson ausgestellten Laborführerschein, den die Jugendlichen erst erhalten, wenn sie grundlegende Techniken wie das Anzünden des Gasbrenners sorgfältig durchführen können.

Gerade weil das direkte Erleben von Phänomenen im Fach Natur und Technik zentral ist und das selbständige Experimentieren wichtige Kompetenzen fördert, dürfen im Unterricht auch digitale Mittel zum Einsatz kommen. «Mit ohnehin vorhandenen Smartphones oder Tablets kann man heute tolle Messungen und Experimente machen, die früher zu aufwendig gewesen wären», sagt Wolfgang Bührer, Dozent für Physikdidaktik auf der Sekundarstufe. Um die Beschleunigung von fallenden Gegenständen zu beobachten, können Jugendliche diese etwa mit ihrem Handy filmen und in Zeitlupe anschauen. Oder bei einem aufziehenden Gewitter kann auf einem Gerät der Luftdruck gemessen und mit einem zweiten Gerät diese Luftdruckanzeige und das Wetter im Hintergrund gefilmt werden. Im Zeitraffer lässt sich anschliessend der Zusammenhang zwischen Luftdruck und Wetterveränderung beobachten. «Auf Youtube kann man dieselben Experimente finden. Doch selbst durchgeführte Messungen und Beobachtungen hinterlassen einen stärkeren Eindruck als vorhandenes Anschauungsmaterial», erklärt Bührer.

Augmented Reality im Unterricht
Gemäss Bührer ist der Einsatz von digitalen Mitteln nicht nur dann sinnvoll, wenn man damit Phänomene selbst beobachten oder Messungen machen kann, die zuvor nicht möglich waren. «Kinder und Jugendliche müssen sich bei Experimenten mit dem Smartphone auch viele Gedanken zur Versuchsanordnung und -durchführung machen», sagt Bührer. Wenn sie gleichzeitig ein herannahendes Gewitter und eine Luftdruckanzeige auf einem Tablet filmen, müssen sie vorher die entsprechenden Einstellungen vornehmen, dass der gefilmte Tablet-Bildschirm nicht in den Ruhezustand schaltet. Nicht zuletzt könne ein sinnvoller Einsatz von digitalen Technologien auch die Motivation für das Thema steigern. «Und das ist gerade bei Jugendlichen viel wert», so Bührer.

Ganz neue Möglichkeiten für den Natur- und Technik-Unterricht könnte eine Technologie bringen, die heute noch zu teuer ist für den Schulalltag: Augmented Reality (AR). Derzeit untersucht ein Forschungsprojekt der PH Zürich, an dem Bührer mitarbeitet, den Einsatz von AR-Brillen im Natur- und Technik-Unterricht. Konkret arbeiteten angehende Lehrpersonen im Rahmen des Forschungsprojekts mit sogenannten HoloLenses von Microsoft. Über die Brillen wird ein Modell eines komplexen Moleküls in den realen Raum eingeblendet. Dieses virtuelle Molekül können die Studierenden drehen und wenden, zudem sehen sie anhand farbiger Punkte stets, wohin ihre Kolleginnen und Kollegen gerade blicken.

Auch wenn man nicht mit echten Gegenständen arbeite, könne man mit Augmented Reality Phänomene greifbar machen und die Teamarbeit fördern, erklärt Bührer. «Man kann Dinge in 3-D anschauen und bearbeiten, die man sonst nicht vor sich haben kann.» So könnte man mit den Brillen auch den menschlichen Blutkreislauf «live» beobachten oder einen Körper sezieren. Noch sind die Brillen zu teuer und entsprechende Lern-Apps rar. Falls die Technologie einmal für die Schule erschwinglich wäre, stellt sich hier die gleiche Frage wie für Smartphones: Kann ich mit der Technologie etwas beobachten und lernen, was ich ohne diese nicht kann?