Definition

Naturwissenschaftliches Forschen im Unterricht bezeichnet die Gesamtheit der Praktiken, durch die Schülerinnen und Schüler Naturwissenschaft so betreiben, wie es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler tun: Fragen stellen, Untersuchungen planen, Daten erheben und analysieren, evidenzbasierte Erklärungen konstruieren und Ergebnisse kommunizieren. Der Begriff umfasst sowohl die kognitiven Prozesse des wissenschaftlichen Denkens als auch die Unterrichtsbedingungen, die diese Prozesse ermöglichen.

Der wegweisende Bericht des National Research Council Inquiry and the National Science Education Standards (2000) definiert Forschen als „eine vielschichtige Tätigkeit, die Beobachtungen beinhaltet; Fragen stellt; Bücher und andere Informationsquellen prüft, um festzustellen, was bereits bekannt ist; Untersuchungen plant; Bekanntes im Licht experimenteller Befunde überprüft; Werkzeuge zum Sammeln, Analysieren und Interpretieren von Daten nutzt; Antworten, Erklärungen und Vorhersagen vorschlägt; und Ergebnisse kommuniziert." Diese Definition begreift wissenschaftliches Forschen als aktive Wissenskonstruktion – nicht als passiven Inhaltsempfang.

Entscheidend ist, dass Forschen auf einem Spektrum existiert. Am einen Ende stehen Bestätigungsaufgaben, bei denen Lernende eine Vorgehensweise und ein bekanntes Ergebnis zur Überprüfung erhalten. Am anderen Ende steht offenes Forschen, bei dem Schülerinnen und Schüler eigene Fragen entwickeln und originäre Untersuchungen von Grund auf entwerfen. Wirksamer Unterricht bewegt sich bewusst auf diesem Spektrum und passt das Maß an Schülerautonomie an den jeweiligen Lernstand an.

Historischer Kontext

Die philosophischen Wurzeln des naturwissenschaftlichen Forschens als pädagogisches Konzept reichen bis zu John Dewey zurück, der in Democracy and Education (1916) argumentierte, dass Bildung die Prozesse widerspiegeln sollte, durch die Wissen tatsächlich entsteht. Dewey lehnte das bloße Auswendiglernen ab und bestand darauf, dass Naturwissenschaft zu lernen bedeutet, Naturwissenschaft zu betreiben: Probleme stellen, experimentieren und aus Beobachtungen schlussfolgern.

Die Post-Sputnik-Ära überführte diese Philosophie in Bildungspolitik. Der National Defense Education Act von 1958 und die anschließende Lehrplanreformbewegung brachten das Science Curriculum Improvement Study (SCIS) und das Biological Sciences Curriculum Study (BSCS) hervor, die beide Forschungsprozesse in strukturierte Lernsequenzen einbetteten. Joseph Schwabs Rede von 1962 vor der National Education Association prägte den Begriff „inquiry-based science" und legte ein pädagogisches Rahmenwerk vor, das den naturwissenschaftlichen Unterricht für Jahrzehnte beeinflusste.

Die kognitive Wende der 1970er und 1980er Jahre lieferte empirische Grundlagen. Richard Suchmans Modell des Inquiry-Trainings (1966) zeigte, dass Schülerinnen und Schüler durch systematische Frageschritte wissenschaftliches Denken entwickeln können. Konstruktivistische Theoretiker, die auf Jean Piagets Arbeiten zur kognitiven Entwicklung und Lev Vygotskys soziokulturellem Rahmen aufbauten, lieferten eine theoretische Erklärung dafür, warum Forschen wirksam ist: Lernende konstruieren Verständnis, indem sie auf die Welt einwirken, nicht indem sie Beschreibungen davon empfangen.

Die National Science Education Standards von 1996 machten Forschen zum Herzstück des US-amerikanischen Naturwissenschaftsunterrichts, und die Next Generation Science Standards (NGSS) von 2013 verankerten „science and engineering practices" – eine verfeinerte Artikulation von Forschungskompetenzen – als Kerndimension des naturwissenschaftlichen Lernens neben fachlichen Inhalten und übergreifenden Konzepten. International entstanden ähnliche Rahmenwerke im Rahmen der PISA-Naturwissenschaftserhebungen der OECD, die explizit wissenschaftliches Denken und Forschungskompetenzen überprüfen.

Leitprinzipien

Fragen als Motor

Naturwissenschaftliches Forschen beginnt mit einer untersuchenswerten Frage. Nicht alle Fragen sind gleich: Produktive Forschungsfragen sind prüfbar, mit beobachtbaren Phänomenen verbunden und genuinely offen (die Antwort ist den Lernenden noch nicht bekannt). Schülerinnen und Schüler zu lehren, eine empirisch untersuchbare wissenschaftliche Frage („Beeinflusst die Bodenart das Pflanzenwachstum?") von einer Nachschlagefrage („Was ist Photosynthese?") zu unterscheiden, ist selbst ein zentraler Unterrichtsschritt.

Hochwertige Fragestellungen kennzeichnen auch die Rolle der Lehrperson. Forschungsbasierte Unterrichtsräume zeichnen sich durch Lehrerfragen aus, die Denkprozesse statt bloßes Erinnern anregen: „Welche Belege stützen diese Behauptung?" „Was müsste wahr sein, damit Ihre Erklärung falsch wäre?" Diese Interventionen, die in der Forschung zur produktiven disziplinären Beschäftigung dokumentiert sind (Engle & Conant, 2002), signalisieren, dass Denken und Evidenz – nicht richtige Antworten – die Währung des Unterrichts sind.

Untersuchungsdesign

Lernende in forschungsbasierten Unterrichtsräumen treffen Entscheidungen darüber, wie sie ihre Fragen prüfen. Dazu gehören das Identifizieren von Variablen, die Auswahl von Messinstrumenten, die Festlegung des Stichprobenumfangs und die Antizipation von Fehlerquellen. Das Entwickeln einer Vorgehensweise ist der Punkt, an dem abstrakte naturwissenschaftliche Konzepte konkret werden: Eine Schülerin, die entschieden hat, wie sie eine Variable kontrolliert, versteht Variablenkontrolle weit tiefer als jemand, dem gesagt wurde, eine Variable konstant zu halten.

Strukturiertes und geleitetes Forschen scaffoldet diesen Prozess durch die Bereitstellung von Teilentwürfen, die Lernende vervollständigen oder verfeinern. Offenes Forschen verlangt, dass Schülerinnen und Schüler Vorgehensweisen von Grund auf konstruieren – typischerweise nach ausgedehnter Praxis mit stärker eingeschränkten Varianten.

Evidenzbasiertes Schlussfolgern

Der Schritt von Daten zu Erklärungen ist der intellektuelle Kern naturwissenschaftlichen Forschens. Lernende erheben Daten und müssen dann darüber nachdenken, was diese Daten bedeuten: Muster erkennen, Anomalien erklären und zwischen einem Ergebnis, das eine Behauptung stützt, und einem, das sie beweist, unterscheiden. Diese Unterscheidung zwischen Evidenz und Beweis ist eines der dauerhaftesten Lernergebnisse konsequenter Forschungspraxis.

Argumentation auf Grundlage von Evidenz – eine im NGSS hervorgehobene Praxis – erweitert dieses Prinzip: Lernende lernen, wissenschaftliche Argumente zu konstruieren und zu kritisieren, Behauptungen vorzustellen, sie mit Belegen zu stützen und die Verbindung zwischen beiden zu erklären. Das Claim-Evidence-Reasoning-Rahmenwerk (CER) von Katherine McNeill und Joseph Krajcik (2012) operationalisiert dies für den Unterrichtseinsatz über alle Klassenstufen hinweg.

Iterative Überarbeitung

Echte wissenschaftliche Untersuchung ist unordentlich. Ergebnisse sind unerwartet. Vorgehensweisen haben Mängel. Erklärungen müssen überarbeitet werden. Forschungsbasierte Unterrichtsräume ehren diese Unordnung, anstatt sie zu verbergen. Wenn Lernende auf anomale Daten oder ein gescheitertes Experiment stoßen, ist die produktive Reaktion Untersuchung, nicht Löschung. Klassenraumnormen aufzubauen, die Überarbeitung als intellektuellen Fortschritt statt als Versagen begreifen, erfordert bewusste, anhaltende Anstrengung von Lehrpersonen.

Sinngebung durch Kommunikation

Naturwissenschaftliches Forschen findet seinen Abschluss in der Kommunikation: Ergebnisse teilen, Erklärungen mit Mitschülerinnen und Mitschülern vergleichen und Schlussfolgerungen der Kritik aussetzen. Wissenschaft als Praxis ist sozial – und so ist auch das Lernen von Naturwissenschaft. Plenumsdiskussionen, gegenseitiges Überprüfen von Laborberichten und strukturierte Argumentationsphasen dienen alle diesem Zweck. Wenn Lernende ihr Denken füreinander erklären, festigen sie ihr eigenes Verständnis und begegnen der produktiven Reibung konkurrierender Erklärungen.

Unterrichtliche Anwendung

Grundschule: Untersuchungen beobachtbarer Phänomene

Junge Schülerinnen und Schüler sind von Natur aus neugierige Forscherinnen und Forscher, benötigen jedoch konkrete, beobachtbare Phänomene und erhebliche Unterstützung. Eine zweite Klasse, die untersucht, „Was bevorzugen Kellerasseln?", kann eine einfache Wahlkammer (nass vs. trocken, hell vs. dunkel) konstruieren, Verhalten beobachten, Ergebnisse zählen und eine einfache Erklärung formulieren. Die Lehrperson gibt die Frage und das grundlegende Material vor; die Lernenden entscheiden, welche Variable sie zuerst testen und wie sie die Kammer aufbauen wollen.

Diese Stufe des strukturierten Forschens baut die Gewohnheiten des Beobachtens, fairen Testens und evidenzbasierten Erklärens auf, ohne abstraktes Denken über Variablen vorauszusetzen, das entwicklungsbedingt verfrüht wäre. Das Fünf-E-Modell passt sich dieser Struktur nahtlos an: mit dem Phänomen vertraut machen (Warum rollen sich Kellerasseln zusammen?), durch Untersuchung erkunden, anhand von Daten erklären, mit einer neuen Frage elaborieren, durch Diskussion evaluieren.

Mittelschule: Geleitete Untersuchungen mit mehreren Variablen

Eine siebte Klasse im Physikunterricht, die die Beziehung zwischen Rampenhöhe und Ballgeschwindigkeit untersucht, bietet ein natürliches Gerüst für den Übergang zu offenem Forschen. Die Lehrperson stellt die Frage und gibt die Materialien an; Schülergruppen entwickeln eigene Vorgehensweisen, entscheiden, wie viele Versuche sie durchführen, und diskutieren, wie mit Ausreißern umzugehen ist.

Abschlussdiskussionen nach der Datenerhebung können sich explizit auf Verfahrensentscheidungen konzentrieren: „Gruppe A hat 5 Versuche durchgeführt, Gruppe B hat 10 durchgeführt. Wie beeinflusst das die Verlässlichkeit der Ergebnisse?" Diese metakognitiven Gespräche über Versuchsdesign bauen naturwissenschaftliche Prozesskompetenzen auf, die fächerübergreifend transferierbar sind.

Oberstufe: Offenes Forschen und schülerentwickelte Fragen

Fortgeschrittene Lernende können vollständige offene Forschungszyklen durchhalten. Eine gymnasiale Biologie-Klasse, die die Wasserqualität in ihrer Umgebung untersucht, könnte mehrere Wochen damit verbringen, aus ersten Beobachtungen Fragen zu entwickeln, Protokolle zu erstellen, Proben zu erheben und zu analysieren, Ergebnisse gruppenübergreifend zu vergleichen und Befunde einem echten Publikum zu präsentieren (einer lokalen Umweltorganisation, einem Schulausschuss). Dies knüpft an den Schwerpunkt des MINT-Unterrichts auf praxisnahe Problemlösung und fachliche Authentizität an.

Die Rolle der Lehrperson verschiebt sich im offenen Forschen von Instruktion zu Begleitung und Mentoring: vertiefende Fragen stellen, Gruppen bei der Fehlersuche in Vorgehensweisen unterstützen und eingreifen, wenn das Denken in die Irre geht, ohne den produktiven Ringen der Lernenden zu unterbrechen.

Forschungsevidenz

Die umfassendste Synthese der Forschung zum forschungsbasierten Naturwissenschaftsunterricht ist die Meta-Analyse von Minner, Levy und Century (2010) über 138 Studien, veröffentlicht im Journal of Research in Science Teaching. Sie stellten fest, dass forschungsbasierter Unterricht didaktischen Ansätzen bei Maßen des konzeptuellen Verständnisses deutlich überlegen war, mit Effektstärken, die sich in Bedingungen konzentrierten, in denen Lernende aktiv an Untersuchung und Sinngebung beteiligt waren. Die Analyse hob hervor, dass kognitive Beteiligung – dass Lernende das Denken übernehmen, nicht der Lehrperson beim Denken zuschauen – der wirksame Bestandteil ist.

Eine wichtige Längsschnittstudie von Krajcik und Shin (2014) begleitete Mittelschülerinnen und -schüler durch ein projektbasiertes Naturwissenschaftscurriculum mit starken Forschungsanteilen über mehrere Jahre. Schülerinnen und Schüler in forschungsbasierten Klassen übertrafen Vergleichsgruppen sowohl bei standardisierten Tests als auch bei Transferaufgaben, die die Anwendung naturwissenschaftlichen Denkens auf neue Probleme erforderten. Die Zugewinne hielten über demographische Gruppen hinweg an, mit den größten Zugewinnen für Lernende, die mit dem niedrigsten Vorwissen eingetreten waren – ein konsistentes Ergebnis in der Forschung zum Forschen, das der Annahme widerspricht, dass weniger gut vorbereitete Lernende mehr direkten Unterricht benötigen.

Forschung von Zohar und Nemet (2002) zeigte, dass explizites Lehren von Argumentation innerhalb von Forschungskontexten – statt Forschen allein – die stärksten Zuwächse im wissenschaftlichen Denken produzierte. Lernende, die lernten, Argumente mithilfe des CER-Rahmens zu konstruieren und zu evaluieren, zeigten messbar größere Fähigkeit, Evidenz von Schlussfolgerung zu unterscheiden und die Qualität einer wissenschaftlichen Behauptung zu beurteilen.

Gemischte Befunde existieren. Die vielzitierte Kritik von Kirschner, Sweller und Clark (2006) im Educational Psychologist argumentierte, dass minimal geleitetes Entdeckungslernen eine zu hohe kognitive Belastung erzeugt und für Lernende ohne Vorwissen weniger wirksam ist als expliziter Unterricht. Nachfolgende Forschung von Hmelo-Silver, Duncan und Chinn (2007) klärte, dass gut scaffoldetes Forschen (geleitet, nicht minimal) diese Defizite nicht zeigt. Die Implikation für die Praxis ist klar: Das Scaffolding des Forschungsunterrichts spielt eine enorme Rolle. Offenes Forschen ohne ausreichende Vorbereitung und Unterstützung erzeugt schwächere Ergebnisse als strukturiertes oder geleitetes Forschen.

Häufige Missverständnisse

Missverständnis 1: Forschen bedeutet, dass Lernende alles selbst entdecken.

Naturwissenschaftliches Forschen ist kein ungeleitetes Entdecken. Die Forschung zur kognitiven Belastungstheorie (Sweller, 1988) bestätigt, dass lernende Anfängerinnen und Anfänger durch offene Exploration ohne strategisches Scaffolding kein robustes Verständnis aufbauen können. Wirksame Forschungsklassen beinhalten erhebliche Lehrpersonenanleitung – durch Fragedesign, Materialauswahl, strategische Diskussionspausen und bewusste Abschlussreflexionen. Die Expertise der Lehrperson prägt das Forschen, ohne das Denken der Lernenden zu ersetzen.

Missverständnis 2: Forschen funktioniert nur im Naturwissenschaftsunterricht.

Die Praktiken des naturwissenschaftlichen Forschens – Fragenstellen, systematisches Untersuchen, evidenzbasiertes Schlussfolgern, iteratives Überarbeiten – übertragen sich auf andere Fächer. Historikerinnen und Historiker bewerten Quellen auf Zuverlässigkeit und konstruieren evidenzbasierte Argumente über Kausalität. Mathematikerinnen und Mathematiker stellen Vermutungen auf und suchen nach Gegenbeispielen. Die Praxis des close reading und des Textbezugs im Deutschunterricht teilt die kognitive Architektur mit wissenschaftlicher Argumentation. Forschungsbasiertes Lernen als breiteres Rahmenkonzept wendet diese Logik fächerübergreifend an.

Missverständnis 3: Forschen kostet zu viel Zeit, um praktikabel zu sein.

Dieses Missverständnis spiegelt meist eine undifferenzierte Sicht auf Forschen wider. Offenes Forschen erfordert tatsächlich mehr Zeit. Strukturiertes Forschen kann jedoch innerhalb einer einzigen Unterrichtsstunde stattfinden. Eine 15-minütige „Schnelluntersuchung" – eine prüfbare Frage, eine einfache Vorgehensweise, eine kurze evidenzbasierte Erklärung – baut naturwissenschaftliche Prozesskompetenzen auf, ohne ein mehrwöchiges Projekt zu erfordern. Das Aufbauen von Forschungsmuskulatur durch häufige kurze Untersuchungen über das Jahr hinweg ist wirksamer als ein jährliches Wissenschaftsprojekt.

Verbindung zum aktiven Lernen

Naturwissenschaftliches Forschen ist einer der deutlichsten Ausdrücke der Theorie des aktiven Lernens in der Praxis. Wo passiver Unterricht Lernende bittet, Informationen zu empfangen und zu speichern, fordert Forschen sie auf, diese zu erzeugen und zu testen – ein Prozess, der sowohl stärkere Behaltensleistung als auch flexibleres Verständnis hervorbringt.

Die Inquiry-Circle-Methodik bietet einen strukturierten sozialen Rahmen für Forschungspraxis: Schülergruppen rotieren durch Phasen des Fragens, Untersuchens und der Sinngebung, wobei die Ergebnisse jeder Gruppe zu einem gemeinsamen Verständnis beitragen. Diese Struktur macht Forschen für Lehrpersonen, die neu in der Begleitung sind, handhabbar, während sie die kognitiven Anforderungen bewahrt, die Forschen wirksam machen.

Erfahrungsbasiertes Lernen, wie von David Kolb (1984) theoretisiert, begreift Lernen als Zyklus aus konkreter Erfahrung, reflektierender Beobachtung, abstrakter Konzeptualisierung und aktiver Experimentation – eine Abfolge, die sich direkt auf die Struktur wissenschaftlichen Forschens aus Untersuchung, Datenanalyse, Erklärung und weiterem Fragen abbildet. Naturwissenschaftliches Forschen operationalisiert Kolbs Zyklus innerhalb eines fachlichen Kontexts.

Die Verbindungen zum forschungsbasierten Lernen sind direkt: Naturwissenschaftliches Forschen ist die disziplinäre Form, die allgemeines forschungsbasiertes Lernen in naturwissenschaftlichen Kontexten annimmt. Das Fünf-E-Modell – Engage, Explore, Explain, Elaborate, Evaluate – bietet eine weit verbreitete Unterrichtsarchitektur für naturwissenschaftliches Forschen, die die Phasen eines Forschungszyklus in eine kohärente Stunden- oder Einheitenstruktur sequenziert. Lehrpersonen, die neu im Forschen sind, berichten konsistent, dass das 5E-Rahmenwerk der praktischste Einstiegspunkt für die Strukturierung naturwissenschaftlicher Forschungsstunden ist.

Quellen

  1. National Research Council. (2000). Inquiry and the National Science Education Standards: A Guide for Teaching and Learning. National Academy Press.
  2. Minner, D. D., Levy, A. J., & Century, J. (2010). Inquiry-based science instruction — what is it and does it matter? Results from a research synthesis years 1984 to 2002. Journal of Research in Science Teaching, 47(4), 474–496.
  3. Krajcik, J., & Shin, N. (2014). Project-based learning. In R. K. Sawyer (Ed.), The Cambridge Handbook of the Learning Sciences (2nd ed., pp. 275–297). Cambridge University Press.
  4. McNeill, K. L., & Krajcik, J. (2012). Supporting Grade 5–8 Students in Constructing Explanations in Science: The Claim, Evidence, and Reasoning Framework for Talk and Writing. Pearson.