Experiment Darstellung

4. Darstellung der Methode

Das Experiment ist klassischer Bestandteil der naturwissenschaftlichen Forschung. Es kann neben seiner Anwendung im Feld der Empirie auch als Lehr-/Lernmethode in vielen Fächern des Schulunterrichts und der Weiterbildung eingesetzt werden. Der genaue Verlauf wird allerdings je nach Fachrichtung differieren, je nachdem in welchem Bereich (naturwissenschaftlich / geisteswissenschaftlich) das Experiment durchgeführt werden soll.
In den naturwissenschaftlichen Fächern bietet sich ein klassisches Experiment an, bei dem die Lernenden als Versuchsleiter fungieren. Dies können sowohl Demonstrationsexperimente sein, in deren Rahmen es lediglich um die Vorführung einer Theorie und ihrer Aussagen oder einer Methode geht, oder aber auch (Hypothesen-)Prüfexperimente.
In den geisteswissenschaftlichen Fächern können auch Experimente im Sinne der empirischen Sozialforschung durchgeführt werden, bei denen die Lerner als Versuchsleiter agieren und andere Lerner oder außen stehende Personen als Versuchsperson dienen. Diese Art von Experiment erfordert allerdings je nach Experiment (wie Beispiele weiter unten noch zeigen) vom Versuchsleiter eine gewisse Reife und Verantwortungsbewusstsein gegenüber den Versuchspersonen und ist daher zumeist eher für ältere Lernende, beispielsweise im Bereich der Erwachsenenbildung oder an der Universität, geeignet.
Da das Experiment in den verschiedenen Fächern jeweils unterschiedliche Funktionen erfüllt und auf verschiedene Arten durchgeführt werden kann, beschränken wir uns hier zur exemplarischen Verdeutlichung von Prinzipien auf die Darstellung des Experiments im Sachunterricht und in der empirischen Sozialforschung.

4.1 Beispiel: Die Blumentopf-Kläranlage

Um zu verdeutlichen, wie ein solches Experiment im Rahmen des Sachunterrichts in der Primarstufe aussehen könnte, stellen wir an dieser Stelle die „Blumentopf-Kläranlage“ vor. In der Versuchsanordnung dieses Experiments geht es darum, dass die Schüler verschiedene Stoffe in Wasser einrühren und diese Mischungen anschließend durch mit Reinigungsmaterialien (Watte, Sand, Papier, Erde) gefüllte Blumentöpfe schütten. Die Schüler sollen anhand des Wassers, das unten wieder austritt, erkennen, welches Material am Besten reinigt, und welche Spuren (Geruch, Färbung) es hinterlässt. Anschließend gibt es noch die Möglichkeit, das gereinigte Wasser zu destillieren, um eventuelle Rückstände sichtbar zu machen.

4.2 Die Merkmale des Experiments

Anhand dieses Beispiels möchten wir nun die Merkmale des Schul-Experiments nach Wagenschein kurz erläutern.

Wiederholbarkeit: Dieses Merkmal beinhaltet mehrere Aspekte. Das Experiment muss mit seinen Resultaten zu jedem Zeitpunkt wiederholbar sein – mit der Bedingung, dass diese Reproduktion personenunabhängig geschieht. Dieser Punkt impliziert, dass das Experiment in seiner Planung und Durchführung so klar zu deuten sein muss, dass es für Außenstehende nachvollziehbar ist. Der Lernende sucht auf diesem Weg nach einem Zeugen für seine Wahrnehmung der Realität, jemandem, der seine Sicht mit ihm teilt.
In unserem Beispiel „Blumentopfkläranlage“ findet sich dieses Merkmal folgendermaßen wieder: Wenn die Lernenden ihre Ergebnisse mit denen anderer Schüler vergleichen, können sie erkennen, dass diese ähnliche Resultate gefunden haben. Ein weiterer Weg, die Wiederholbarkeit des Experiments zu überprüfen, liegt in der Möglichkeit, den Versuch zu Hause nachzustellen und erneut die gleichen Resultate zu erzielen.

Erhaltung: Dieses Merkmal besagt, dass keines der Elemente, die an dem jeweiligen Experiment beteiligt sind, verloren geht, sondern in irgendeiner Form erhalten bleibt. Die Lernenden wissen, dass der beobachtete Effekt einen Grund hat, den sie herausfinden möchten. Im Beispiel der Blumentopfkläranlage sehen sie den Prozess der Reinigung des Wassers. Die Antwort auf die Frage, wohin die Verunreinigungen des Wassers gegangen sind, können sie sich selbst beantworten, indem sie das Reinigungsmaterial untersuchen und die verschiedenen Stoffe darin auffinden.
Ordnung: Kinder beobachten ihre Umwelt genau und versuchen, die vielen Eindrücke und Erfahrungen, die sie jeden Tag machen, zu sortieren und in ihre bisherigen Kenntnisse einzugliedern. Wenn die Lernenden im Unterricht etwas Neues erfahren, etwas Unerklärliches und vielleicht sogar Unstimmiges beobachten, möchten sie diese gewonnenen Eindrücke für sich erklären, beispielsweise indem sie sie in einen Zusammenhang mit alten Informationen bringen.
In unserem Beispiel können die Kinder sehen, dass das verunreinigte Wasser, nachdem es aus dem Blumentopf wieder austritt, wieder klar und sauber aussieht. Das ist für die Lernenden zunächst nicht nachvollziehbar. Wenn sie das Experiment allerdings selbst durchführen, können sie Verbindungen zwischen dem Wasser und den verschiedenen Reinigungsmaterialien ziehen und sich das Phänomen der Reinigung des Wassers erklären.

Der Verlauf des Experiments im Schulunterricht lässt sich auch dem problemlösenden Handlungsschema Deweys zuordnen, wie es weiter oben in der theoretischen Begründung geschildert wurde.

4.3 Die Phasen des Experiments

Ein Experiment verläuft in drei Phasen, der Planungs-, der Durchführungs- und der Auswertungsphase. Häufig ist hierbei die Planungsphase für die Durchführung entscheidend, da sie die weiteren Schritte festlegt und somit hier der Grundstein für das Gelingen oder Misslingen des Experiments gelegt wird.
Wir werden die Phasen nun zunächst anhand des Experiments in der empirischen Forschung (in vereinfachter Form) vorstellen und anschließend die jeweiligen Bezüge zum Experiment in der Schule herstellen.
Anhand dieser Gegenüberstellung können wir am Ende Gemeinsamkeiten bzw. Ähnlichkeiten oder auch Unterschiede dieser beiden Experimentarten aufzeigen.

Planungsphase
Fragestellung: Die Grundlage der Anwendung eines Experiments bildet meist ein wissenschaftlicher Hintergrund, der dem Forscher bestimmte Fragen aufwirft. Dies bedeutet, dass ein Experiment dem Forscher zur Problemlösung dient. Der Forscher wird mit einer ihm unbekannten oder für ihn überraschenden Tatsache konfrontiert, was dazu führt, dass er mehr über diesen Vorgang erfahren möchte. Der erste Schritt ist hier die Formulierung einer präzisen Fragestellung. Diese sollte eine konkrete Aussage über das Ziel des Experiments beinhalten (was genau will ich herausfinden?)

Beim Experiment im Rahmen des Schulunterrichts beinhaltet der erste Schritt zunächst einmal die Überlegung, wie die Lernenden an die Lernform „Experiment“ herangeführt werden können. Im naturwissenschaftlichen Unterricht spielt das Entdecken neuer Sachverhalte für die Lernenden eine bedeutsame Rolle. Ein Ausgangspunkt könnte für die Lernenden ein für sie unverständliches Phänomen sein, das Fragen aufwirft, sie vielleicht verwundert, erstaunt oder verwirrt hat. Eigeninitiierte Fragen der Kinder können ebenso als Einstieg in das Experimentieren genutzt werden, wie Fragen, die ein Ausflug in die Natur oder ein kleiner Modellversuch des Lehrenden provoziert. All diese verschiedenen Möglichkeiten haben zur Folge, dass die Neugier der Lernenden geweckt wird, dass sie sich für eine Sache zu interessieren beginnen und mehr darüber erfahren wollen. An dieser Stelle ist es wichtig zu berücksichtigen, dass das zu untersuchende Phänomen aus der Erlebenswelt der Kinder stammt, das heißt konkret, dass die Kinder mit den Dingen, die sie untersuchen sollen, im Alltag bereits Erfahrungen gemacht haben. Somit können während des Experiments bereits erlernte Fähigkeiten eingesetzt werden, um zu neuen Erkenntnissen zu gelangen, andererseits können diese das Wissen, das im alltäglichen Leben benötigt wird, vervollständigen. Die konkrete Fragestellung zu einem Experiment bildet sich oft heraus, indem die Kinder ein für sie unerklärliches Phänomen betrachten und ihre Vermutungen und Fragen äußern.

Sachliche Hypothesen:

Nach diesen ersten Überlegungen kann der Forscher seine Hypothese nach folgenden Regeln entwickeln: sie darf keine Negationen enthalten, sollte als Aussage formuliert werden und sich nicht widersprechen.
Beim Experiment sollte die Hypothesenbildung möglichst den Lernenden überlassen werden, die sich Gedanken über den möglichen Verlauf des Experiments machen und anhand ihrer Vorerfahrungen mit den Materialien versuchen können, Effekte einzuschätzen und vorherzusagen. Der Lehrende sollte den Lernenden die Möglichkeit geben, anhand ihrer Ideen eine Hypothese zu formulieren. Der nächste Schritt beinhaltet dann die Überlegung, wie die Hypothese überprüft werden könnte, welche Materialien dazu benötigt werden, wer welche Aufgabe übernehmen könnte usw. Aus den Lernenden ist eine kleine Forschergruppe geworden, die ein Ziel verfolgt und eine Erklärung beispielsweise für die Vorgänge in der Natur finden möchte.

Operationalisierung der Hypothese:

Die Operationalisierung macht Begriffe beobachtbar bzw. messbar. Der Forscher muss den in der Hypothese genannten Verhaltensweisen oder Zuständen von Materialien beobachtbare Daten zuordnen, um so die Messbarkeit der verschiedenen Phänomene garantieren zu können.
Im Unterricht überlegen die Lernenden, wie sie das Ergebnis ihres Experiments messen oder auch mit anderen Ergebnissen vergleichen könnten. Dies könnte beispielsweise – auf das Eingangsexperiment „Kläranlage“ bezogen – eine genaue Definition des Zustandes „sauber“ für das Wasser sein, das am Ende des Experiments gewonnen wird. An dieser Stelle muss beispielsweise geklärt werden, ob es hierzu schon ausreicht, wenn das Wasser wieder klar aussieht, oder ob es auch sauber riechen und schmecken sollte.

Variablen:

Die Ergebnisse des Experiments beziehen sich auf die Wirkung der verschiedenen Variablen, die vom Forscher verändert werden können. In der Forschung kann zwischen drei Arten von Variablen unterschieden werden. Die unabhängigen Variablen werden vom Versuchsleiter nach Plan verändert, um deren Wirkung auf die abhängigen Variablen feststellen zu können. Diese Variation kann, je nach Komplexität des Experiments, in zwei oder auch in mehreren Stufen geschehen. Die Abhängigkeit der zuletzt genannten Variablen von der unabhängigen Variablen stellt den eigentlichen Gegenstand der Untersuchung dar. Eine weitere Variable, die die Ergebnisse prägen kann, ist die so genannte Störvariable. Darunter werden alle äußeren Einwirkungen zusammengefasst, die neben der unabhängigen Variablen einen Einfluss auf den Untersuchungsgegenstand haben. Der Versuchsleiter muss auch diese Variablen kontrollieren, um später die Eindeutigkeit der Ergebnisse gewährleisten zu können.
Auch beim Schulexperiment spielen die Variablen eine Rolle. Die Lernenden können die verschiedenen Stoffe, mit denen sie experimentieren, gegen andere Materialien austauschen, sie variieren, um die Wirkung dieser Veränderung auf die verbleibenden Stoffe zu testen. Auch bei dieser Art von Experiment gibt es ebenso wie in der empirischen Forschung eine abhängige und eine unabhängige Variable. Dies möchten wir am Beispiel „Kläranlage“ kurz verdeutlichen. Das mit Farbe verunreinigte Wasser, das von den Lernenden durch die verschiedenen Filter gegeben wird, stellt die abhängige, die Töpfe mit den verschiedenen Reinigungsmaterialien stellen die unabhängige Variable dar. Die Lernenden können einen Teil des verunreinigten Wassers durch je ein Material filtern und die Unterschiede herausstellen. Das Experiment kann allerdings auch mit verschiedenen Flüssigkeiten und nur einem Reinigungsmaterial durchgeführt werden, wobei dann die Flüssigkeiten als unabhängige Variable und das Reinigungsmaterial als abhängige Variable fungiert. Bei diesem Experiment ist sowohl die eine als auch die andere Vorgehensweise empfehlenswert, da so alle Auswirkungen, welche die Variablen aufeinander haben, beobachtet werden können.

Stichprobe:

Der naturwissenschaftliche Forscher muss seinen Gegenstandsbereich und hierin sein Messfeld festlegen. Der Forscher in der empirischen Sozialforschung wählt die Versuchsgruppen aus, die an dem von ihm geplanten Experiment teilnehmen sollen. Er muss an dieser Stelle überlegen, für wen sein Forschungsergebnis gelten soll und dementsprechend seine Auswahl an Versuchspersonen treffen, da diese repräsentativ für die Zielgruppe stehen. Während des Experiments arbeitet der Forscher mit mehreren Gruppen, deren Anzahl sich z.B. an den unabhängigen Variablen orientiert, nebst einer unbehandelten Kontrollgruppe.
Im Schulexperiment wählen die Lernenden analog beispielsweise zwischen verschiedenen Materialien aus, deren Reaktion aufeinander erforscht werden soll. Dabei stellt ein Stoff A die abhängige Variable dar, zwei andere die unabhängigen Variablen B und C. Im Experiment werden dann zuerst A und B miteinander vermischt, dann A und C. Die Kontrollgruppe besteht in diesem Fall nur aus dem unbehandelten Stoff A.

Versuchsplanung:

Dem Forscher stellt sich die Aufgabe, eine geeignete Versuchssituation zu finden, in der die Wirkung der Variablen messbar sein wird.
Die Lernenden überlegen konkret, was sie für die Umsetzung des Experiments benötigen, welche Materialien sich besonders gut eignen könnten oder welche Voraussetzungen für ein gutes Gelingen zusätzlich gegeben sein müssen. Bei jüngeren Teilnehmern sollte der Lehrende an dieser Stelle besonders unterstützend zur Seite stehen bzw. den Versuchsablauf genau erklären. Anschließend wird das genaue Vorgehen festgelegt, entweder anhand eines vom Lehrenden vorgefertigten Versuchsplans oder anhand der Überlegungen der Forschergruppe.

Durchführungsphase

Diese Phase beginnt mit der Erledigung verschiedener organisatorischer Aufgaben wie z.B. der Auswahl der Versuchspersonen, des Versuchsleiters oder auch der Räumlichkeiten. Das Experiment wird dann dem Versuchsplan zufolge durchgeführt, die Beobachtungen des Versuchsleiters protokolliert.

Im Sachunterricht wird zunächst das Versuchsmaterial durch den Lehrer bereitgestellt, anschließend beginnen die Lernenden mit dem Versuchsaufbau. Nach Abschluss dieser Vorbereitungen wird das Experiment nach Plan durchgeführt. Diese ersten Schritte von der Bereitstellung des Materials bis zur Durchführung werden von den Lernenden schriftlich festgehalten, da diese Aufzeichnungen anschließend mit in die Auswertung einfließen, um beispielsweise Aufschluss über mögliche Fehler während des Experiments zu geben, die zur Verzerrung der Ergebnisse beigetragen haben könnten. Die einzelnen Beobachtungen, welche von den Lernenden während der eigentlichen Durchführung gemacht werden, müssen genau protokolliert werden. Die Schüler lernen während eines Experiments die relevanten Variablen zu erkennen, sie können Wenn-Dann-Beziehungen formulieren. Zudem eröffnet sich ihnen die Möglichkeit, das eigene Experiment mit anderen Experimenten (beispielsweise denen der Mitschüler) oder auch mit persönlichen Alltagserfahrungen zu vergleichen. Für Wagenschein bedeutet „verstehen“ „verbinden“: Die Lernenden verbinden Neues mit Altem, sie stellen eine Beziehung her und erweitern ihr Wissen. Während der Arbeit in der Gruppe werden zudem noch soziale Verhaltensweisen und das eigene Selbstbewusstsein trainiert, da die Lernenden einerseits mit den anderen Gruppenmitgliedern kooperieren müssen, andererseits aber auch ihre Meinung vertreten und ihre Interessen durchsetzen wollen.

Auswertungsphase

In der empirischen Forschung sollte der Auswertungsplan bereits vor der eigentlichen Auswertungsphase entwickelt werden, die Auswertung der Daten verläuft dann anschließend nach vorher festgesetzten Regeln. Allerdings besteht die Gefahr, dass sich eine Reihe von Fehlern im Zeitraum zwischen Planung und Auswertung einschleichen, die zu verzerrten Ergebnissen führen können. Zu diesen Fehlern zählen beispielsweise:

Bedeutungsfehler: Es werden nur operationalisierbare Phänomene beobachtet, was die Konsequenz haben kann, dass andere wichtige Vorgänge als unwichtig eingestuft werden. Dies führt zu einer eher inhaltslosen Forschung.
Planungsfehler: Um Fehler bei der Planung zu verhindern, sollte der Forscher, bevor er mit der Durchführung beginnt, eine Pause einlegen und sein Vorhaben noch einmal überdenken, um so mögliche Unebenheiten vorab klären zu können.
Instruktionsfehler: Diese Fehler können entstehen, wenn die Versuchspersonen nicht umfassend auf das Experiment vorbereitet werden.
Isolationsfehler: Die „unnatürliche“, inszenierte Umgebung vieler Experimente kann verschiedene Effekten bei den Versuchspersonen evozieren, die dann zu verzerrten Ergebnissen führen.
Übergeneralisation: Die Resultate, die oft nur für eine kleine Gruppe von Menschen zutreffend sind, werden auf eine zu große Menge übertragen und verallgemeinert.

Allgemein lassen sich die Ergebnisse von Experimenten auf dreierlei Art klassifizieren. Zum Einen gibt es jene Experimente, deren Resultate die vorab aufgestellte Hypothese bestätigen, auf der anderen Seite stehen die Versuche, bei denen der Forscher die erwarteten Effekte nicht feststellen konnte. Bei diesen Experimenten muss anschließend die Möglichkeit geklärt werden, ob die Effekte doch vorhanden waren, aber von Zufallseinflüssen überlagert worden sind, so dass es dem Forscher nicht möglich war, sie nachzuweisen. Bei manchen Experimenten treten neben den erwarteten zusätzliche Nebeneffekte auf, die vom Forscher nicht einkalkuliert waren.

Auch im Unterricht werden die Ergebnisse des Experiments von den Lernenden gesichert und ausgewertet. Je nach Alter der Schüler und Schwierigkeitsgrad des jeweiligen Experiments kann der Lehrende ihnen bei dieser Arbeit unterstützend zur Seite stehen. An die Lernenden werden in dieser Phase verschiedene Anforderungen gestellt wie beispielsweise die Berechnung von Mittelwerten, das Erkennen von Sinnzusammenhängen, die Herleitung eines End-Ergebnisses durch die Deutung der Einzelergebnisse oder auch die Abgleichung der Ergebnisse mit der Hypothese (bestätigt/nichtbestätigt). Die Sicherung der Ergebnisse durch die Lernenden sollte nach der Brunerschen Medientheorie in drei Schritten verlaufen:

enaktiv: dies bedeutet, dass die Lernenden sich während des Verlaufs des Experiments handelnd mit ihm auseinandersetzen
ikonisch: die Ergebnisse werden schriftlich-bildlich festgehalten; dies kann beispielweise in Tabellen oder Skizzenform (z.B. über den Versuchsaufbau) geschehen.
symbolisch: die Ergebnisse werden den anderen Gruppen präsentiert

Die Rolle des Lehrenden und der Lernenden

Die Rolle des Lehrenden

Die Rolle des Lehrenden zeichnet sich vor allem durch seine Zurückhaltung aus. Bevor das Experiment beginnt, trifft er die Vorbereitungen, wählt ein Experiment und eventuell das dazugehörige Material aus und überlegt sich anschließend eine passende Einleitung in das Thema, mit der er die Lernenden auf das Experiment einstimmen kann. Während der eigentlichen Durchführung steht er den einzelnen Gruppen als Lernberater zur Verfügung, beantwortet Fragen oder gibt Unterstützung bei Problemen.
Der Lehrende sollte seinem Schüler die Möglichkeit geben, selbst mitzubestimmen, auszuwählen und zu entscheiden, sich aber auch mit anderen Schülern abzusprechen und mit diesen ein Team zu werden. All das kann nur erreicht werden, wenn die Lernenden als selbständige Individuen betrachtet werden, die ohne Beeinflussung oder gar Druck entdecken, fragen und die Dinge verstehen dürfen. Jeder Einzelne muss dabei je nach seinen Stärken und Schwächen individuell gefördert werden, so dass er als aktives Mitglied an der Arbeit seiner Gruppe teilnehmen kann.
Im Allgemeinen sollte der Lehrende darauf achten, dass das Experimentelle in seinem Unterrichtsexperiment nicht zu kurz kommt und die Lernenden nicht rein reproduktiv ausschließlich Versuch für Versuch auswendig lernen, statt selbst neue Methoden auszuprobieren und neue Wissensgebiete zu erforschen.

Die Rolle der Lernenden
Die Rolle der Lernenden ist geprägt durch ein Interesse an neuen Sachverhalten, die es zu entdecken gilt, ebenso durch Selbständigkeit beim Lernen als auch durch die Fähigkeit, in Gruppen zusammenzuarbeiten und ein Team zu bilden. Dies impliziert, dass der Impuls, ein Experiment im Unterricht durchzuführen, möglichst auch von ihnen kommen sollte. Die Grundlage hierzu muss allerdings vom Lehrenden geschaffen werden, indem er die Lernenden schon früh in die Methode Experiment einführt und sie somit zu einem natürlichen Bestandteil des Unterrichts macht.
Die Lernenden müssen sich auf neue, noch unbeantwortete Fragestellungen zu einem Thema einlassen können und Probleme in Eigenorganisation lösen lernen. Dies stellt einen hohen Anspruch an ihre Kommunikationsfähigkeit, die sich während der Arbeit im Team immer weiter ausbauen sollte, da nur bei einem funktionierenden Austausch untereinander gemeinschaftliche Ergebnisse gefunden werden können.