Einführung

Die Experimente so ausgewählt, dass sie rasche Erfolge ermöglichen und dabei schon solche Erkenntnisse zu gewinnen sind, auf die in höheren Klassen erfolgreich aufgebaut werden kann. Experimentieren und Probieren befriedigen zuallererst die Neugier. Es ist jedoch recht schwierig, durch bloßes Herumprobieren eine wirklich fundierte Erkenntnis zu gewinnen. Bloßes Probieren kostet Zeit und Nerven, führt zu wenig Erkenntnis und bleibt daher meist auch für die Schülerinnen und Schüler　 unbefriedigend. Dabei sind gezielte Fragen an die Natur im Grunde erwünscht.　 Die Versuchsvorschläge befassen sich daher auf einer ersten Seite mit einer kurzen Einführung in den didaktischen und sachlichen Hintergrund, auf einer zweiten Seite mit einem möglichen Arbeitsblatt oder einer Arbeitsanweisung für die Lehrperson. Dabei ist das „Arbeitsblatt" so gestaltet, dass es leicht heruntergeladen und je nach Klassensituation umgestaltet werden kann.
Dabei sind die Versuche zu einem Thema derart zusammengestellt, dass sich ein aufsteigender Schwierigkeitsgrad ergibt. Auf diese Weise kann man aus jedem Bereich mehr qualitativ oder mehr quantitativ ausgerichtete Versuchsanleitungen finden, die sich teilweise auch für Arbeitsgruppen und eigenständige Projekte eignen.
Zur Entwicklung des naturwissenschaftlichen Denkens:
Das aus der angeborenen Neugier- und Probierhaltung der Menschen erstreckte sich jahrtausende lang auf Beobachtungen. Wie genau diese Beobachtungen waren, zeigen z.B. auch die „Sternwarten" aus der jüngeren Steinzeit. Die Forderung, die Beobachtungen aus der Natur selbst zu erklären, führte aber erst vor rund 500 Jahren zur Entwicklung eines einheitlichen und anerkannten Experimentierverfahrens.　 Das Verfahren hat sich aber erst seit rund 150 Jahren gegen viele Widerstände zum alleinigen Beweismittel in den Naturwissenschaften und zunehmend auch in der Medizin, den Sozialwissenschaften, in der Psychologie und in Form der PISA Studien auch in der Pädagogik entwickelt. Die Bedeutung von Experimenten und die entsprechenden Schlussfolgerungen für Wirtschaft und Politik können in unserer heutigen Lebenswelt nicht überschätzt werden. Daher ist ein grundlegendes Verständnis der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise und der naturwissenschaftlichen Theorien unabdingbarer Bestanteil von Bildung (natural litteracy).

Erstaunlich ist die täglich zu machende Beobachtung bei Erwachsenen, dass das strenge und nach Regeln verlaufende Experimentierverfahren wenig bekannt ist und dass wissenschaftliche Ergebnisse oft emotional abgelehnt und wenig sachdienlich diskutiert werden. Untersuchungen zu „Misskonzeptions" in Chemie und Biologie zeigen, dass bei einem Teil der Bevölkerung naturwissenschaftliches Denken zu wenig verankert ist. Umso wichtiger erscheint eine Einführung in die Denkstruktur von Experimenten und die Abschätzung von Befunden. Man muss Experimentieren lernen, um die modernen Denkweisen nachvollziehen und an der modernen Lebenswelt aktiv und verantwortlich teilhaben zu können.

Was sind Experimente? 
Experimente sind meist künstliche Anordnungen von Geräten und Situationen, die bestimmte, ausgewählte Vorgänge aus der Natur in einer Weise erfassen wollen, dass eindeutige Ergebnisse zu erwarten sind. Sie fußen auf einer vorformulierten Meinung (Theorie) und dienen dazu, solche „Vorurteile" zu bestätigen oder zu widerlegen. Außerdem müssen Experimente so durchgeführt, beschrieben und protokolliert werden, dass sie von anderen Personen auch nachgemacht werden können.
Die Ergebnisse vieler einzelner Experimente werden zu einer wissenschaftlichen Theorie zusammengefasst, die solange als gültig angenommen wird, solange sie nicht durch neue Experimente widerlegt wird. Experimente haben Entscheidungsfunktion in allen Erfahrungswissenschaften erlangt. Da die Grenzen zwischen Experiment und Beobachtung fließend sind, zählt man vielfach und vereinfachend gut geplante und nachvollziehbar protokollierte Beobachtungen auch zu den Experimenten.

Einsatzmöglichkeiten im Unterricht
Experimente dienen der Einführung in die naturwissenschaftliche Arbeitsweise. Sie stellen den innovativen didaktischen Zugang zur „scientific literary" dar.
Im einzelnen können Experimente im Unterricht sehr variabel eingesetzt werden: oft belässt man es auf Grund fehlender Ausstattung bei einer Demonstration, wesentlich vorteilhafter ist ein arbeitsteiliger Arbeitsunterricht in Gruppen, in dem verschiedene Aspekte von unterschiedlichen Gruppen bearbeitet werden. Viele Experimente können in Arbeitsgemeinschaften durchgeführt oder auch als kleine Forschungsprojekte an einzelne Schülerinnen und Schüler vergeben werden. Einige Experimente eignen sich auch für　 Projekttage etwa in 4ten bis 7ten Klassen, da sie auch für Erwachsene und Eltern Überraschungen bieten.　Daher sind die beigefügten Arbeitsunterlagen nur als Anregung zu verstehen, die je nach Situation umgeschrieben, vereinfacht oder anspruchsvoller gestaltet werden können.
Die hier gewählten Aufteilungen sind nur äußere: Bei den Versuchen zum Wasser gibt es Verbindungen zu den Versuchen zu den Pflanzen, zur Ernährung, zum Stoffwechsel des Menschen und zum Stoffwechsel der Pflanzen. Ebenso zwischen den Versuchen zur Sinneswahrnehmung beim Menschen und zur Physik. In der Sekundarstufe 1 und in der Sekundarstufe 2 sollten ebenfalls Querverbindungen ausgewählt　 werden, um selbst gewählte größere Aufgabenstellungen zu lösen und die Lebenswirklichkeit konkreter erfahrbar werden zu lassen. Insbesondere die Versuche zur Biotechnik betonen die Verbindung zwischen „Wissenschaft" und „praktischer Anwendung". 　

Experimentieren in der Grundschule:
Dieser　 oben formulierte hohe Anspruch kann auf einer ersten experimentellen Stufe schon in der Grundschule angebahnt werden, freilich nur im Verbund mit einem ergänzenden Unterricht. Daher sind den Versuchen, die als Arbeitsblätter formuliert sind, eine Seite zuvor sachliche und didaktische Vorüberlegungen beigefügt, die man nutzen kann. Die Experimente selbst wurden nach folgenden Aspekten ausgewählt und weiter entwickelt: Sie dienen

Zum Staunen über Vorgänge, die man zuvor anders erklärt oder nicht hinterfragt hat.
Zum Überprüfen von Meinungen;
Zur Befriedigung der Neugier;
Zur Korrektur nicht mehr haltbarer Vorstellungen (Misskonzeptions);
Als Möglichkeit, die Wirklichkeit weiter zu erforschen und mit eigenen Worten zu erklären;
Zur Stärkung des Selbstbewustseins, 
zur Stärkung der sozialen Kompetenzen; 
zur ersten Einführung in naturwissenschaftliche Arbeitsweisen.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist die Beobachtung, dass in der Grundschule oft die entscheidenden Weichen für das Interesse der Kinder geweckt werden. Wird dies versäumt, und in späteren Klassen Naturwissenschaft als „sowieso zu schwer" emotional vermittelt, wird dem Kind ein wesentlicher Zugang zu unserer Lebenswelt erschwert. 

Einsatzmöglichkeiten in der S1 und S2 Stufe.
Für die Sekundarstufe 1 und die Sekundarstufe 2 wurde das Verfahren beibehalten, wobei eine Aufgliederung nach Bereichen und nicht nach Fächern vorgezogen wurde. Die modernen Naturwissenschaften bedienen sich aus Experimentieranordnungen und Forschungsergebnissen aus allen Bereichen, so dass die strikten Abgrenzungen　 nach Biologie, Chemie oder Physik zunehmend durchlässiger werden. Diesem Anliegen kommen die Fächerverbünde entgegen, wie sie beispielsweise in Baden-Württemberg eingerichtet worden sind. Trotzdem sind hier biologische Themen betont. Hier wurde auf eine Einteilung nach Klassenstufen und Fächern verzichtet. Die Lehrperson kann selbst rasch entscheiden, ob der Versuch der Ausstattung der Schule entspricht, dem Anspruchsniveau der Klasse oder den Erfordernissen des Lehrplans. Es ergeben sich viele Überschneidungen und Möglichkeiten in der Abfolge der Versuche. Die hier gewählte Einteilung soll die Fächerbezogenheit überwinden:

Aber auch hier gilt: das „Selbstgetane" ist Grundlage für das Interesse und dann erst Grundlage für das Verstehen. Der Satz von Pestalozzi: „Lernen mit Kopf, Herz und Hand" sollte aus lernphysiologischen Gründen umformuliert werden: Wir Menschen lernen „mit Hand, mit Herz und dann mit dem Kopf". Dies soll mit zum Teil auch anspruchsvollen Versuchen aus dem Lebensbereich der Schülerinnen und Schüler weitergeführt werden.

Begründungen für die Auswahl der hier vorgestellten Experimente
Es gibt viele Experimente und Experimentiersätze. Hier sind nur solche ausgewählt, die den folgenden didaktischen Gesichtspunkten genügen, die auch in den Bildungsstandards formuliert sind:　 
  
  Beachtung der Bildungsstandards und der geltenden Bildungspläne,  Bedeutung im täglichen Leben,　
  Bedeutung in der Zukunft der Schülerinnen und Schüler, 
 Vermittlung von exemplarischen Zusammenhängen, 
 Vermittlung von Basiskonzepten, 
 Zusammenhang mit der Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler,

Weitere didaktische Gesichtspunkte für die Auswahl waren:　

• Erreichung von　 eindeutigen Ergebnissen in etwa 20 Minuten (für die Grundschule und für Sekundarstufe 1),  
• bersichtlichkeit in der Anordnung der Geräte,
•  Geräten und Material weitgehend aus der Erfahrungswelt,
• Klarheit des zeitlichen Ablaufs,
•  sachliche Richtigkeit der möglichen Ergebnisse, Durchschaubarkeit,
•  Eindeutigkeit der Ergebnisse,
•  Interpretierbarkeit aus der Lebenswirklichkeit der Schülerinnen und Schüler,
•  Erweiterungsfähigkeit bis hin zu einer beruflichen Bedeutung.

Die Ziele auf allen Alterstufen sind gleich:
Neugier wecken und fördern, Lust an Naturwissenschaften wecken, handlungsbezogenes Wissen aufbauen, Wirklichkeit erklären, Entscheidungen verantwortlich vornehmen, aktiv am gesellschaftlichen Leben teilnehmen können, ….

Prof. Dr. rer.nat. Volker Schneider　
Paedagogische Hochschule Freiburg 
Mai 2010

 Weiterführende Literatur: 
 Lehrpläne der Länder;
Bildungsstandards Biologie, Chemie, Physik: (2004 ff):
http://www.sinus-hessen.de/bilsta/index.htm;
http://www.kmk.org/bildung-schule/qualitaetssicherung-in-schulen/bildungsstandards/dokumente.html;
http://www.learn-line.nrw.de/angebote/sinus/projektnw/standards/biologieMSA041216.pdf;
Geörg, J. u andere: Natuwissenschaftliches Arbeiten in der Realschule:
http://www.schule-bw.de/schularten/realschule/publikationen/nwa2.pdf