Best Practice

Inhalt unseres BNE-Angebots

Die Werkstatt junger Forscher an der Hochschule Aalen - explorhino - begeistert für Naturwissenschaften und Technik und fördert das geweckte Interesse weiter. Somit ist explorhino zunächst eine MINT-Bildungseinrichtung, d.h. eine Bildungseinrichtung der Bereiche Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik. Diese 2010 gegründete MINT-Nachwuchsförderung ist über eine Stiftung der Hochschule Aalen, einer Hochschule für Technik und Wirtschaft, basisfinanziert und zusätzlich auf weitere Sponsoren und sonstige Einnahmen angewiesen. In den Anfangsjahren war explorhino allein auf die MINT-Bildung für Kinder ab drei Jahren bis zum Schulabschluss konzentriert. Seit Oktober 2015 hat explorhino zusätzlich Bildung für Nachhaltige Entwicklung, kurz BNE, explizit mit im Programm stehen mit dem Ziel, eine MINT-BNE-Bildungskette im Ostalbkreis aufzubauen.

Das Best Practice-Beispiel über das hier berichtet werden soll ist demnach keine direkte Maßnahme für Nachhaltige Entwicklung wie z.B. das Verwenden ausschließlich nachwachsender Rohstoffe. Nein, es ist ein Angebot des Bildungsbereiches, eine Nachwuchsförderung zur Förderung der Nachhaltigen Entwicklung. Das hier beschriebene Projekt richtet sich an Kinder im Vorschul- und Grundschulalter.

Der Ausgangspunkt für die Notwendigkeit, die MINT-Bildung mit der Bildung für Nachhaltige Entwicklung (BNE) zusammenzuführen, ist das alltägliche Erleben eines großen Grabens zwischen allem, das „Technik“ zugeordnet wird und allem, das „Sozialem“ zugeordnet wird.

Was ist Technik? Um bequemer leben zu können, bedient der Mensch sich der Errungenschaften der Technik. Er hat allein zu diesem Zweck die Technik erfunden. Er nutzt Naturphänomene und Naturgesetze, um künstlich und von Menschenhand Neues zu schaffen. In einem guten Sinne zielt die Technik auf eine Verbesserung der Lebensbedingungen ab. Diese aus der Sicht der Erfinder gute Absicht bringt in der Realität aber oft Widersprüchlichkeiten mit sich. Denn ihre Maßnahmen sind meistens räumlich und anwendungsbezogen auf das unmittelbare Umfeld begrenzt und beschränken sich auf kurze Zeiträume. Sie nutzen einem kleinen Teil der Weltbevölkerung, lassen viele soziale und wirtschaftliche Aspekte unberücksichtigt, obwohl die Technik in ihrer Daseinsberechtigung sehr stark in das Soziale und das Wirtschaftliche hineinspielt. Hier setzt das explorhino MINT-BNE-Projekt an. BNE ist global ausgerichtet und erstreckt sich über mehrere Generationen. Sie berücksichtigt Ökonomie, Ökologie und Soziales gleichermaßen. So sind MINT-Bildung und BNE sozusagen zwei Seiten einer einzigen Medaille.

Durch die wachsende Weltbevölkerung, die knapper werdenden Ressourcen und den steigenden Energiebedarf sehen wir uns heute mit globalen Problematiken konfrontiert, die die Aufgabe stellen, unsere Kinder zu Weltendrettern auszubilden. Sie werden auf Fragen, die zu stellen wir heute noch gar nicht in der Lage sind, Antworten finden müssen. Das Auffinden von Lösungsstrategien setzt spezifische Kompetenzen voraus. Zusammengefasst werden sie in der BNE als „Gestaltungskompetenz“ bezeichnet. Es sind Kompetenzen, einerseits um heutige und zukünftige globale Problematiken überhaupt erkennen zu können und andererseits, um dann Maßnahmen ergreifen zu können, sie in den Griff zu bekommen. Sie sind notwendig, um eine Brücke zu bauen zwischen den Naturwissenschaften/ der Technik und den Geisteswissenschaften. Gebraucht werden dafür aber nicht nur soziale Fähigkeiten, sondern zusätzlich knallhartes Wissen über naturwissenschaftliche Zusammenhänge und die Funktionsweisen der technischen Errungenschaften. Mündig über etwas urteilen und mündig mit Dingen und Problemen umgehen können nur Menschen, die sowohl im Sozialen, Ökologischen und Wirtschaftlichen als auch im MINT-Wissen einen Erfahrungsschatz mitbringen und das Erfahrene für die Meinungsbildung und Etscheidungsfindung vernetzen können.

Mit der Verknüpfung von MINT-Bildung und BNE wie sie in explorhino angestrebt ist, sollen hierfür die Voraussetzungen geschaffen werden. Durch die Integration der BNE in die MINT-Bildung und der MINT-Bildung in die BNE werden Fachwissen und kommunikative Kompetenzen für partizipative Entscheidungs- und Konfliktlösungsprozesse miteinander verbunden. So kann BNE in die MINT-Bildung einziehen. Wenn die BNE sich dabei ihrerseits öffnet, kann die Erkenntnis, dass physikalische Phänomene das Dasein begründen und dass Wirtschaftlichkeit und soziales Gefüge eng mit technischem Fortschritt verbunden sind, zu einer chancenorientierten Annäherung an innovative Techniken bis hin zu Smarter Vernetzung, Industrie 4.0 und Leichtbau führen.

Aber lassen Sie uns ganz klein und von Anfang an, also mit unseren Jüngsten anfangen.

Ein erster Ansatz, eine bewusste Durchdringung von Technikkultur und geisteswissenschaftlicher Kultur zu fördern, ist das explorhino-Projekt „Bildung für eine nachhaltige Entwicklung auch in externen Lernorten“. Um Kinder für Nachhaltigkeit zu sensibilisieren, hat die Baden-Württemberg Stiftung in Kooperation mit der Heidehof Stiftung im Rahmen der UN-Dekade „Bildung für nachhaltige Entwicklung“ (BNE) das Programm „Nachhaltigkeit lernen – Kinder gestalten Zukunft“ aufgelegt und explorhino, als Partner für die Umsetzung ihres Modellprojekts ausgewählt.

Kernelement des Projektes ist das Theaterstück „Himmel und Hände“ von Carsten Brandau. In der Freundschaftsgeschichte der beiden Buchstaben A und O geht es neben der Ordnung der Zahlen und der Buchstaben um die Welt als Ganzes und darum, wer man ist und wie man miteinander umgeht. Figur A freut sich auf den Schulanfang. Sie schafft sich in Gedanken oder doch real? - man weiß es nicht - die Figur O. Beste Freunde, das Ein und Alles, das Oben und Unten, das Hier und Jetzt. Figur A möchte schneller in die Schule kommen und beschleunigt die Zeit, indem sie die Sonne rasend schnell um die Erde hetzt. Figur B fühlt sich im Kindergarten sehr wohl, buddelt mit ihren Schaufelhänden eine tiefe Höhle in den Sand, entzieht sich der Zeit und erlebt in den Tiefen allerlei Naturwissenschaftliches. Die Freundschaft erlebt die Zerreißprobe und kommt am Ende zu einer offenen Lösung. Eine zentrale Aussage ist, dass das eigene Handeln Konsequenzen nicht nur für mich und mein Umfeld, sondern auch für andere, hat. Das Stück ist für Kinder im Vorschul- und Grundschulalter geschrieben. Es gibt einige lustige Szenen, an die die Kinder sich hinterher gut erinnern, die Beziehungsaspekte nehmen sie eher unterschwellig wahr.

Wie es im Leben so ist, kommen auch in diesem Stück viele naturwissenschaftliche Phänomene vor. Optische Effekte, Hände die zu Schaufeln werden, der Lauf der Sonne, usw.. Passend zu diesen Motiven und Situationen des Theaterstücks hat explorhino verschiedene Workshops rund um das Thema „Naturwissenschaften“ entwickelt: Licht und Schatten, Zeit und Astronomie und auch Wasser und Boden. In die Ausarbeitung der Workshops war die Theaterpädagogin des Theaters der Stadt Aalen, Anne Klöcker, eingebunden, die auch im Verlauf des Projektes immer wieder an der Weiterentwicklung mitwirkt. Diese Mitwirkung ist wesentlicher Bestandteil, um die eher naturwissenschaftlich geprägte Herangehensweise der MINT-Bildung um die geisteswissenschaftliche und soziale Weltanschauung zu ergänzen und beides zu vereinen.

Die Kindergartengruppen und Schulklassen sehen zunächst das Theaterstück. In der darauffolgenden Woche finden in Gruppen mit maximal 20 Kindern die Experimentierworkshops statt. Im Stuhlkreis wird zu Beginn des Workshops die Erinnerung an das Theaterstück wieder erweckt. Es wird eine Verbindung geschaffen zwischen der Handlung und den naturwissenschaftlichen Phänomenen, die selbstverständlich mit ihr einhergehen. Wo erleben die Kinder solches in ihrem Alltag? Wollen Sie mehr darüber erfahren? Die so mit ihrer ganzen Persönlichkeit angesprochenen Kinder beginnen ganz von selbst mit den angebotenen Phänomen zu experimentieren und zu forschen. Sie eignen sich naturwissenschaftliches Wissen an und begreifen intuitiv, dass dieses eng mit ihren Alltagserfahrungen und mit ihrer sozialen Welt verknüpft ist. Kindergartenkinder sind für eine bewusste Wahrnehmung der Zusammenhänge noch sehr jung, aber aufgeschlossen. Eine tiefergehende Reflexion weder des Theaterstückes noch ihres eigenen wissenschaftlichen Handelns kann selbstverständlich nicht erwatet werden. Doch ist es für sie der erste Schritt in der MINT-BNE-Kette. Weitere sollen folgen.

Das hier beschriebene Kooperationsangebot von explorhino und dem Theater der Stadt Aalen „Himmel und Hände“ wird sehr gut angenommen. Von November 2015 bis April 2016 gab es 17 Aufführungen mit 41 darauf folgenden Workshops. Uns ist kein ähnliches Projekt bekannt.

Für dieses Projekt wurde explorhino mit dem Preis „Energie für Bildung 2016“ der Gasversorgung Süddeutschland ausgezeichnet, der im November 2016 übergeben werden soll.

INFOBOX

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Seit mehreren Jahren führt die Experimentier-Werkstatt Biologie FLOX der Universität Kassel im Sommer Lehr-Lern-Module im Kontext der Bildung für Nachhaltige Entwicklung durch, in denen Lehramtsstudierende und Schüler_innen der Mittelstufe inhaltlich und methodisch kooperativ wirksam werden. Diese Module finden im Außenstandort von FLOX, dem "Freilandlabor Dönche", im größten innerstädtischen Naturschutzgebiet Deutschlands statt.

Ausgangspunkt des hier beschriebenen Projektes "Ein Hotel für kleine Tiere - Lebensräume selbst gestalten" war ein altes, ungenutztes Klohäuschen im Freilandlabor Dönche. Dieses Klohäuschen sollte zu einem Lebensraum für (Klein-)Tiere und somit zu einem begrenzten Biodiversitätszentrum ausgebaut werden. Rund um dieses "Zentrum" sollten weitere besondere Biotope geschaffen werden, die sich an den Bedürfnissen ausgewählter Organismen orientierten. Hierzu gehörte u. a. eine Trockenmauer für Reptilien, wie die seltenen Mauereidechsen. Das Lern- und Handlungsziel dieses Projektes bestand darin, Schülern_innen und Studierenden sowohl das Experimentieren im komplexen Kontext des Freilands und mit dem Fokus auf konkreten Naturschutz nahezubringen als auch Maßnahmen des Naturschutzes daraus abzuleiten und direkt umzusetzen. Eingebettet war das Projekt in das übergreifende Thema Biodiversität. Es richtete sich an Studierende des Lehramts für Haupt- und Realschule und für Gymnasien, die wiederum Unterrichtsbausteine entwickelten und sie mit einer 7. Klasse im Projektunterricht an drei aufeinanderfolgenden Tagen anwandten. Innerhalb dieses Projektes konnte den Lernenden der Zusammenhang zwischen einer konkreten im Alltag einfach durchzuführenden Bereitstellung von Nist-, Überwinterungs- und Unterschlupfmöglichkeiten durch den Umbau des Klohäuschens und nationalen und internationalen Biodiversitätsstrategien verdeutlicht werden.

Das Curriculum bestand aus vier Phasen (Tabelle 1):

1. Artenfang, -bestimmung und Nahrungsnetzanalyse (unter Kooperation von Mitarbeitern des NABU): Die Lernenden analysierten die Diversität auf Artebene in verschiedenen Biotopen, wie z. B. Boden, Teich, Totholz. Auf Basis der gewonnenen Informationen zu den verschiedenen Organismen wurden im ersten Schritt biotopspezifische Nahrungsnetze aufgestellt, die im zweiten Schritt in ein großes Nahrungsnetz zusammengeführt wurden. Letzteres wurde mit allen Teilnehmern und einem Wollfaden visualisiert. An dieser Stelle konnten auch das Aussterben einer Art und die Beeinflussung andere Arten durch diesen Umstand anschaulich dargestellt und diskutiert werden (Abbildung 1).


2. Auswahl geeigneter Arten zum Experimentieren und selbstständig durchgeführte Experimente unter der Fragestellung der Lebensraumansprüche dieser Arten: In Kleingruppen von vier bis sechs Schülerinnen und Schülern wurde beispielsweise die Präferenz von Ohrwürmer bezüglich verschiedener Materialen (z. B. Heu, Moos) in ihrem Unterschlupf experimentell untersucht (Abbildung 2).


3. Entsprechend der Ergebnisse der Experimente wurde mit den Lernenden eine Vision zur Schaffung neuen Lebensraum im Freilandlabor entwickelt (Abbildung 1) und im Bau von diversen Nist- und Unterschlupfmöglichkeiten am und um das Klohäuschen herum in Kooperation mit Hessen-Forst umgesetzt: Auf der Handlungsebene wurden die Lernenden mit Schaufel, Hammer, Säge und ihren eignen Händen wirksam. Es wurden so beispielsweise ein Insektenhotel im und am Klohäuschen geschaffen sowie ein Totholzhaufen, eine Trockenmauer und ein Komposthaufen eingerichtet (Abbildung 3).


4. Einbindung dieser Aktivitäten in den Kontext des Biodiversitätsthemas: "Was hat die Umgestaltung des Klohäuschens gebracht? Welche globale Bedeutung hat der Schutz der Biodiversität?". Wesentliches Thema der letzten Phase war der Biodiversitätsverlust durch Lebensraumzerstörung und Maßnahmen zum Erhalt und zur Förderung der Biodiversität (Naturschutzgebiete, NATURA 2000, ökonomische und soziale Implikationen verschiedener globaler Schutzkonzepte). Die Lernenden erweiterten hierbei ihre Kompetenzen im Bereich Bewertung, indem sie ihre Lebensräume kritisch reflektierten und die einzelnen Aspekte einer nachhaltigen Entwicklung am Beispiel diskutierten. Darüber hinaus reflektierten sie an dieser Stelle was sie selbst für den Natur- und Biodiversitätsschutz tun können und ggf. selbst schon in der Familie tun. Angeleitet von den Lehramtsstudierenden durchliefen die Schüler_innen den hier skizzierten Vier-Phasen-Ablauf.

Folgende Kompetenzen werden auf beiden Ebenen, der der Studierenden und der der Schüler_innen, angestrebt: Artenkenntnis (als Fachwissen), Experimentierkompetenz (als Methodenwissen), Gestaltungskompetenz im Sinne von BNE. Letzteres beinhaltet im Besonderen das Einnehmen einer weltoffenen und neuen Perspektive integriert in den Wissensaufbau zur Ökologie, den Perspektivwechsel, das Zeigen von Empathie (z. B. Umgang mit Kleintieren, vor denen viele Schüler_innen Ekel empfinden), gemeinsam mit anderen planen und handeln können sowie sich motivieren können, aktiv zu werden. Wichtig im Zuge der Kompetenzvermittlung ist die konkrete Handlungsebene, da diese oft in Lehr-Lern-Maßnahmen der Bildung für Nachhaltige Entwicklung unterrepräsentiert ist.

Hinsichtlich der Bedeutung für die Teilnehmer_innen kann herausgestellt werden, dass eine solche Veranstaltung für Lehramtsstudierende etwas Besonderes darstellt, weil die (naturschutz-)praktische Arbeit im Studium so nicht vorkommt und die Vernetzung der verschiedenen Aspekte (Artbestimmung, Experimentieren, Gestaltung von Lebensräumen) und die Verdeutlichung der BNE incl. Retinität, Intergenerationalität und Internationalität an einem sehr einfachen Beispiel gelingt. Für die (Weiter-)Bildung von Schüler_innen kann ein derartiges Projekt ebenso wichtig sein, weil insbesondere in städtischen Gebieten viele aus einem sozialen Umfeld stammen, das wenig naturnahe Bildung ermöglicht. Auch viele der hier teilnehmenden Lernenden erlebten solche Freilandarbeit zum ersten Mal. Zudem können gerade Jugendliche, die es im Schulalltag oft schwer haben, sich zu integrieren, von den hohen Praxisanteilen der Arbeit angesprochen werden: Bauen, Baumscheiben herstellen und anbohren, eine Trockenmauer bauen etc. fördert - auch nach eigener Aussage der Projektbeteiligten - Motivation und Interesse und kann so eine gewisse Offenheit für komplexere, biologische und gesellschaftliche Zusammenhänge anbahnen.

Ausgangs- und Schwerpunkt der hier vorgestellten Lehrkonzeption ist der ökologische Aspekt der Retinität im Konzept der Bildung für Nachhaltige Entwicklung. Durch die Arbeit im Freiland können aber zudem auch der soziale Aspekt des Naturschutzes (Verhalten in Naturschutzgebieten, Folgen des Erholungsbedürfnisses von Menschen) und ökonomische Aspekte des Lebensraum- und Naturschutzes (Gespräch mit Förster über Baumfällmaßnahmen, Holzwirtschaft etc.) angesprochen werden. In der Erarbeitung der Begrifflichkeit und Bedeutung der globalen Biodiversität auf dem Hintergrund der konkreten lokalen gemachten Erfahrungen kann den Schüler_innen zudem die globale Verflechtung von Lebensraumzerstörung (z. B. Bienensterben) mit dem Leben zukünftiger Generationen (z. B. Bedeutung der Bestäubung für die langfristige Sicherung der weltweiten Nahrungsmittelproduktion) deutlich gemacht werden.

Die konzeptionelle Verknüpfung von naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung im Rahmen von Scientific Literacy mit Bildung für Nachhaltige Entwicklung über die Anlage und Durchführung von Experimenten ist das wesentliche Element des hier dargestellten Best Practice Beispiels von FLOX. Dieses Konzept wurde und wird aktuell auch in weiteren Veranstaltungen von FLOX im Freilandlabor umgesetzt. Unter dem Motto "Die Dönche trocknet aus" wurde beispielsweise ein Teich angelegt, der ebenso die Bedürfnisse ausgewählter Arten besonders anspricht. In der Weiterentwicklung der FLOX-Module mit BNE-Ausrichtung werden aktuell verstärkt digitale Medien miteingebunden. Hierbei werden z. B. ökologische Analysen ausgewählter Biotope unter Einsatz von digitalen Medien durchgeführt. Es werden Experimente und Beobachtungen im Kontext einer Gestaltungsmaßnahme (z. B. bei Anlage eines Teichs aus der Beobachtung der Besiedlung der Uferzone) umgesetzt, die praktische Gestaltung bestimmter Biotope entsprechend der Experimente aufgearbeitet und ein Transfer der Erfahrungen in globale Probleme geschaffen (z. B. Folgen der Wasserverschmutzung).

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Die Folgen des globalen Klimawandels werden bereits heute auf vielfältige Weise sichtbar - auch in den verschiedenen Regionen Deutschlands. Neben dem Klimaschutz gewinnt daher die Entwicklung nachhaltiger Anpassungsstrategien im Hinblick auf die inzwischen unvermeidbaren regionalen Folgen der zu erwartenden klimatischen Veränderungen zunehmend an Bedeutung. Bezogen auf ausgewählte Phänomene aus den Bereichen Landwirtschaft, Forstwirtschaft und naturnahe Ökosysteme können Jugendliche im Rahmen des vorgestellten Angebots bisherige und zukünftige Auswirkungen des Klimawandels in ihrem unmittelbaren Lebensumfeld in einem multimethodischen problem- und handlungsorientierten Ansatz erkennen, analysieren und beurteilen (vgl. Abb. 7). Zentrales Element ist dabei ein methodisch-didaktischer Dreiklang aus Erhebungen im Gelände, vertiefender Analyse im Labor und vereinfachender Erarbeitung von Strukturen und Prozessen im Experiment und Modell (vgl. Abb. 1).

Beispiel 1: "Verändertes Baumwachstum im Klimawandel"

Forstlich genutzte Waldökosysteme sind - nicht zuletzt durch Eingriffe des Menschen in der Vergangenheit - in besonderer Weise von den Folgen des Klimawandels betroffen. Das Lernmodul rückt das Klima als ökologischen Standortfaktor für die Baumartenzusammensetzung eines Waldes in den Fokus und setzt diese in Beziehung zu den ökonomischen Anforderungen forstwirtschaftlicher Nutzung. Im Gelände erheben die Jugendlichen mit Hilfe einer Baumartenkartierung zunächst die Artenzusammensetzung und Altersklassenstruktur in einem Waldgebiet ihrer Region. Mit Hilfe der KlimaArtenMatrix (KLAM, nach Roloff & Grundmann 2008) bewerten sie den erfassten Baumbestand ("Wald von heute") hinsichtlich seines Anpassungsgrades an den Klimawandel, untersuchen die Naturverjüngung als potenziellen Zeiger klimatischer Veränderungen ("Wald von morgen") und leiten Zukunftsszenarien für das untersuchte Waldgebiet ab. Im Labor vertiefen die Jugendlichen die verzahnte Analyse von ökologischen und ökonomischen Aspekten. Jahrringmessungen an Stammscheiben von Fichte und Douglasie aus benachbarter Herkunft sowie deren Vergleich mit Klimazeitreihen derselben Region lassen exemplarisch das unterschiedliche Wachstumsverhalten unter den Vorzeichen des sich verändernden Klimas sichtbar werden (vgl. Abb. 6). Die Fichte, die in vielen Lagen heute noch als "wirtschaftliches Rückgrat" der Waldwirtschaft gilt, wird dabei in ihrer Stressreaktion auf vergangene Extremjahre als Verlierer des Klimawandels sichtbar, die aus Nordamerika eingeführte Douglasie demgegenüber als scheinbar besser angepasste potenzielle Baumart der Zukunft. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse hinsichtlich eines an den Klimawandel angepassten Waldumbaus werden schließlich durch das Modell- und Experimentier-Modul des Dreiklangs erweitert und abgerundet. Die Frage, inwieweit ökologisch besser an den Klimawandel angepasste Baumarten auch im Hinblick auf ihre Holzeigenschaften und damit ihre Vermarktbarkeit als "Vertreterbaumart" dienen können, wird mit einer Reihe von Versuchen zur Werkstoffkunde und Holzmechanik aufgegriffen. Mit Hilfe eines haptischen Windwurfmodells kann darüber hinaus die Sturmfestigkeit verschiedener Baumbestände mit Hilfe experimenteller Vergleichsaufbauten in einem multivariaten Design untersucht und kritisch hinterfragt werden. In der Zusammenschau aller Teilmodule und angewendeten naturwissenschaftlichen Methoden der Erkenntnisgewinnung wird es den Jugendlichen damit möglich, modellhafte Beschreibungen und Prognosen hinsichtlich des zukunftsfähigen Waldes abzuleiten und aktuelle Forschungsergebnisse, beispielsweise in Form von Baumarteneignungskarten, eigenständig zu beurteilen.

Beispiel 2: "Bodenerosion im Klimawandel"

Regionale Szenarien des Klimawandels lassen eine Zunahme der Winterniederschläge sowie den Wechsel von sommerlichen Dürrephasen mit plötzlichen Starkniederschlagsereignissen erwarten. Besonders auf erosionsgefährdeten Böden wie z.B. Löss kann dies zu verstärktem Bodenabtrag führen.
Nach dem Ansatz eines aktiv-entdeckenden Lernens erkunden die Jugendlichen das Phänomen von Wassererosion zunächst im Gelände. Problemorientiert wählen sie dazu selbständig Untersuchungspunkte auf einer Ackerfläche in Hanglage und untersuchen die so definierten Transekte arbeitsteilig in Kleingruppen. Bei der Entnahme und Ansprache von Bodenprofilen hinsichtlich Bodenfarbe, Bodenart, Bodenreaktion und Carbonatgehalt kommen zahlreiche Feldmethoden der Bodenkunde zum Einsatz und werden im Hinblick auf die mögliche Verlagerung von Bodenmaterial interpretiert. Ergänzend werden Geländeeigenschaften sowie Anbau- und Bearbeitungsmerkmale kartiert und nach Möglichkeit der Landwirt zu Einzelheiten der vergangenen und aktuellen Bewirtschaftung befragt. Vertiefende bodenchemische und bodenphysikalische Analysen von Bodenproben im Labor ergänzen den Erkenntnisgewinn bezüglich/hinsichtlich Stoffverlagerungen (photometrische Erfassung von Nitrat und Phosphat), Veränderungen der Korngrößenzusammensetzung (Sieb- und Schlämmanalysen) und Humusgehalt (Glühverlust) im Vergleich von Ober- und Unterhang. Die Bezugnahme zu den regionalen Folgen des Klimawandels erfolgt anschließend mittels verschiedener modellhafter Veranschaulichungen: Konkret-gegenständliche Modelle in Form von neigungsverstellbaren Bodenboxen mit unterschiedlichen Substraten sowie Bearbeitungs-, Bedeckungs- und Beregnungsmöglichkeiten (vgl. Abb. 5) dienen der hypothesengestützten Erarbeitung der vielfältigen Einflussfaktoren auf die Erosionsprozesse im Sinne der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG). Die Beobachtungen und Erkenntnisse aus dieser naturwissenschaftlich-technischen Perspektive können durch Anwendung einer abstrakt-digitalen Computersimulation (ABAG-interaktiv) mit den Ergebnissen einer mathematisch-informatorischen Modellbildung ergänzt werden. Beide Zugänge ermöglichen dabei den Blick auf künftig zu erwartende Folgen des Klimawandels.
Im hypothesenprüfenden experimentellen Design können die Jugendlichen jeweils die Wirkung und das komplexe Zusammenspiel der natürlichen und anthropogenen Einflussfaktoren auf die Bodenerosion testen, die Effizienz verschiedener Erosionsschutzmaßnahmen prüfen und in einer kritischen Modellbetrachtung Stärken und Schwächen der beiden Modelltypen vergleichend reflektieren.

Dem globalen Klimawandel nachhaltig zu begegnen ist eine der zentralen gesellschaftlichen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Um Risiken des Klimawandels zu vermeiden, aber auch um mögliche Chancen zu nutzen, gilt es Strategien im Umgang mit Unsicherheiten zu entwickeln und Handlungsfelder zu definieren. Die Ableitung von Anpassungsstrategien erfordert dabei die Integration ökologischer, ökonomischer und soziale Aspekte (vgl. Abb. 4).

Jugendlichen kommt im Prozess der Klimaanpassung als "Akteuren von morgen" eine zentrale Rolle zu. Ihre Beurteilungskompetenz in Bezug auf klimasensitive Mensch-Umwelt-Beziehungen zu entwickeln, ihre Handlungsbereitschaft zu stärken und ihre Gestaltungkompetenz im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung zu fördern ist daher zentrale gesellschaftliche Aufgabe und Hauptanliegen des vorgestellten Angebots. An ausgewählten Phänomenen aus dem eigenen lebensweltlichen Umfeld werden die verschiedenen Aspekte nachhaltiger Entwicklung für die Jugendlichen dabei auf vielfältige Weise "begreifbar".
Der zuvor an zwei Beispielen skizzierte und in dieser Form einzigartige methodisch-didaktische Dreiklang ist dabei gekennzeichnet durch

• den Anwendungsbezug im Hinblick auf raum- und umweltrelevante Fragen,


• die gesellschaftliche Relevanz der behandelten Themen, aus denen sich konkrete Lösungsansätze ableiten lassen,


• eine problem- und handlungsorientierte Herangehensweise sowie


• einen strikt interdisziplinären Ansatz, der Methoden und Analysen der MINT-Disziplinen miteinander und mit den o.g. Fragestellungen mit Alltags- und Gesellschaftsrelevanz verbindet.

Hierbei bieten multiperspektivische Lern-Arrangements Gelegenheit zur Entwicklung systemischer Denkweisen, indem die Jugendlichen Mensch-Umwelt-Systeme vor Ort erkunden, ausgewählte Systemfunktionen und -prozesse im Labor mit Hilfe naturwissenschaftlich-technischer Methoden detailliert analysieren und Wirkungsgefüge oder Zeitverläufe im Experiment und Modell veranschaulichen.

Das vorgestellte Angebot wurde in enger Zusammenarbeit mit fünf Stützpunktschulen und zwei außerschulischen Bildungsträgern entwickelt. Das Projekt wird auf verschiedene Weise wissenschaftlich begleitet, eingebunden sind insbesondere zwei Dissertationen. Forschungsfragen sind dabei einerseits die Förderung systemischer Kompetenz im vergleichenden Einsatz verschiedener Modelltypen zum Thema Bodenerosion (S. Brockmüller) und andererseits der Einfluss von Gelände- und Laborarbeit in unterschiedlichen Kombinationen auf die Förderung fachlicher Kompetenzen am Beispiel des Baumwachstums im Klimawandel (C. Schuler).

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Die GOFEX_EE-Angebote zum Thema Erneuerbare Energien bieten Grundschulkindern insbesondere der Klassenstufen 3 und 4 Einblicke in die Funktionsweise von Anlagen zur Erzeugung alternativer Energien. Es werden verschiedene Wandlungsprozesse demonstriert und experimentell erfahren. Aufbauend auf den zugrundeliegenden energetischen Prinzipien, angefangen von Energieformen, Energieträgern, Energieumwandlung über Energietransport bis hin zur flexiblen Energiespeicherung experimentieren die Schülerinne und Schüler und lernen durch genaues Beobachten Schlussfolgerungen zu ziehen. Der Bezug zum Sachunterricht schafft dabei eine vielperspektivische Sichtweise auf das Thema Erneuerbare Energien, die beteiligten Personen und Institutionen sowie die Entscheidungsgrundlagen und bezieht explizit Fragen der Nachhaltigkeit ein.

Die GOFEX_EE Werkstatt ist anwendungsbezogen ausgerichtet und erlaubt den Schülerinnen und Schülern anhand von eigenständig durchgeführten Experimenten einen Lebensweltbezug zu den Themen Energiewende und Energieeffizienz herzustellen. Durch die Beschäftigung mit dem Energieverbrauch von Haushaltsgeräten oder verschiedenen Arten und Größen von Solarzellen lernen die Schülerinnen und Schüler einen bewussten und verantwortungsvollen Umgang mit Energie. Thematisch orientiert sich GOFEX_EE am Kernlehrplan der Grundschule des Saarlandes von 2010 (Unbelebte Natur und Technik) und zielt darauf ab, den Schülerinnen und Schülern technisches und sachbezogenes Wissen zu vermitteln, das sie dazu befähigt, ihre Umwelt (hier konkret bezogen auf regenerative Energieerzeugung und Energieverbrauch sowie dahinterstehende physikalische Grundlagen) zu verstehen. Durch die erworbenen Erkenntnisse werden sie dazu befähigt ihren Alltag bzw. ihr Handeln im Alltag im Sinne der Nachhaltigkeit anzupassen und ihren Energiekonsum zu überdenken und ggf. zu reduzieren.
Zu den zu fördernden Kompetenzen gehören das Erkennen sowie das Verständnis der Bedeutung eines nachhaltigen Umgangs (vgl. Perspektivrahmen Sachunterricht, GDSU 2013). Nach dem Perspektivrahmen Sachunterricht ist das „Wahrnehmen, Erkennen und Beurteilen von Erscheinungen, Situationen, Prozessen und (komplexen) Zusammenhängen in unserer natürlichen, wirtschaftlichen, sozialen und kulturellen Umwelt“ eine Voraussetzung, um nach den Prinzipien von ökologischer Verträglichkeit und wirtschaftlicher Leistungsfähigkeit handeln zu können. Hier setzen die Prinzipien des GOFEX_EE an, indem für die Schülerinnen und Schüler Elemente der Physik und Technik erfahrbar und verständlich gemacht werden und sie durch eigenaktives Handeln, Experimentieren sowie durch genaues Beobachten Schlussfolgerungen für die eigene Umwelt zu ziehen. Durch verschiedene Erkenntnisse bzgl. der eigenen Energienutzung oder dem Vergleich, welche Geräte wieviel Energie benötigen, sollen die Schülerinnen und Schüler befähigt werden, sich als handelnde Subjekte bzgl. der aktiven Gestaltung ihrer Umwelt zu verstehen.

Das Angebot an Experimenten der GOFEX_EE-Werkstatt greift somit verschiedene Aspekte der nachhaltigen Entwicklung auf. Ein wichtiger Aspekt ist die Erneuerbarkeit der beanspruchten Ressourcen. So wird auf Methoden der regenerierenden Energieerzeugung eingegangen, wobei Solar-, Wind- und Wasserenergie im Fokus stehen. Neben der eigenständigen technischen Umsetzung, wie dem Bau eines Windrades, werden Experimente angeboten, die ein Grundverständnis des Themas Energie vermitteln sollen. Ein weiterer wichtiger Punkt der nachhaltigen Entwicklung, der thematisiert wird, ist die Minimierung des Energieaufwandes, indem die Schülerinnen und Schüler für Energieverbrauch von Haushaltsgeräten sensibilisiert werden.

Beispiel energetisches Spielzeug

Durch Freies Explorieren und Experimentieren mit ausgewählten physikalischen Spielzeugen zum Themenbereich Energie können die Schülerinnen und Schüler selbständig verschiedene Energieformen (elektrische, chemische, mechanische, thermische Energie) entdecken und Energieumwandlung erfahren bzw. nachvollziehen, beispielsweise anhand von Aufziehautos (Spannenergie in kinetische Energie), Brennstoffzellenautos (chemische in kinetische Energie), verschiedener Pendel oder springender Flummis (potentielle in kinetische Energie in potentielle Energie). Die Umwandlung einer Bewegung in elektrische Energie/Strom wird durch praktische Erfahrungen an einem Handgenerator veranschaulicht, welcher gleichzeitig zur Verdeutlichung des Energietransports und der Stabilität des Stromnetzwerkes dient. Die Aufgabenstellung „Bringe die Glühlampe (mit dem Handgenerator) zum Leuchten“ will die Schülerinnen und Schüler dazu anregen, einen funktionalen Stromkreis zu konstruieren, wobei sie u.a. durch genaues Beobachten erkennen, dass die Drehbewegung elektrische Energie erzeugt bzw. umwandelt und über Kabel zur Glühlampe transportiert. Bei allen Aufgaben werden die Schülerinnen und Schüler ermuntert, eigenständig verschiedenste Variablen zu testen. Hier sind beispielweise Variationen der Drehgeschwindigkeit, Anzahl geschalteter Glühlampen oder Länge der Kabel sowie Verzweigungen im Energietransport denkbar. Die Schülerinnen und Schüler beobachten genau die Veränderungen und erkennen so verschiedene Ursache-Wirkungs-Relationen.

Beispiel Energieerzeugung

Beim Thema Sonnenenergie werden statt des Handgenerators Solarzellen als Energiewandler bereit gestellt. Je nach Aufgabe stehen einige Solarzellen zur Verfügung, wobei der Fokus auf der Ausrichtung der Solarzelle zur Lichtquelle samt der Wirkung auf die Energieerzeugung liegt oder verschiedene Möglichkeiten der Zusammenschaltung mehrerer Zellen mit ihrer Auswirkung auf die Helligkeit der Glühlampe untersucht werden. Aus ihren Beobachtungen können die Schülerinnen und Schüler u.a. ableiten, wie die Solarpaneelen in einem Solarpark oder die Solaranlage auf einem Dach angeordnet sind bzw. sein müssen und abwägen ob starre oder nachführende Solarpaneele mehr Energie nutzbar machen.
Durch den selbständigen Bau von Windrädern (z.B. mit verschiedenen Flügelformen oder -anzahl), Segeln eines Segelwagens oder eines Savonius-Rotors wird die Windkraft erfahren. Ein (mit verschiedenen Lasten beladener) Segelwagen soll möglichst weit mit einem Fön angetrieben werden, wobei der Einfluss verschiedener Größen, wie Windkraft (Fönstufen), Segelform, Segelgröße getestet werden soll. Die Schülerinnen und Schüler werden ermutigt, Variablen zu testen und deren Einfluss genau zu beobachten. Ähnlich sollen aus alltäglichen Materialien selbständig Segelboote gebaut und unterschiedliche Segelvarianten (Form, Material,…) auf ihre Funktionalität hin getestet werden. Mit dem Bau einer Windkraftanlage werden Energieumwandlung und Energietransport verdeutlicht und „im Kleinen“ demonstriert, wie „große“ Windkraftanlagen funktionieren. Beobachtet werden soll der Effekt der Windkraft, indem ein Fön auf den Propeller gerichtet wird. Hierbei wird u.a. erfahren, dass Windkraft regulierbar ist. Es könnte zudem beobachtet werden, dass durch einen sehr starken Wind zu viel elektrische Energie gewandelt wird und die Glühlampe entsprechend (zu) hell leuchtet, so dass das Windrad/die Flügel aus der Windrichtung gedreht werden muss. Eine Anleitung zum selbständigen Bau eines Windrades ergänzt das Programm, wobei die Schülerinnen und Schüler immer eigene Ideen mit einbringen sollen. So könnte beispielsweise die Anzahl der „Rotorblätter“ variiert werden, um die Frage beantworten zu können, warum Windräder kommerzieller Windkraftanlagen drei Rotorblätter besitzen. Ein Savonius-Rotor (Windturbine) wird aus einfachen Materialien wie Papprollen, Papptellern, Strohhalmen usw. nachgebaut und kann mit dem Windrad verglichen werden usw.

Neben der elektrischen Energieerzeugung durch Wind- oder Solarenergieanlagen widmet sich ein Stromquartett dem Vergleich verschiedener Energieanlangen bzw. Kraftwerken. Mehr als zwanzig Karten zu verschiedenen Kraftwerken, die sich fossiler oder regenerierbarer Energieträger bedienen, geben Informationen zu Leistung, Wirkungsgrad oder Kosten verschiedener Kraftwerksarten. Gespielt wird nach den Regeln eines normalen Quartetts, wobei jeweils die Daten der verschiedenen Kraftwerke verglichen werden. Dieser Vergleich erlaubt eine Einschätzung der Effizienz, der Umweltverträglichkeit und der Kosten und es befähigt die Schülerinnen und Schüler dazu, zu beurteilen, welche Arten der Energieerzeugung am ehesten den Prinzipien von Nachhaltigkeit entsprechen.

Einbettung des Themas Nachhaltigkeit in die Unilandschaft

Das GOFEX ist curricular in die Lehramtsausbildung der Universität des Saarlandes (UdS) integriert. Etwa 45-60 Lehramtsstudierende (Primarstufe) durchlaufen jährlich entsprechende Seminare und entwickeln Unterrichtseinheiten u.a. zum Thema Nachhaltigkeit und Energiewende. Diese werden von wissenschaftlichen Mitarbeitern des Lehrstuhls Sachunterricht überarbeitet und ergänzt, damit sie bei den Schülertagen eingesetzt werden können. Das Schülerlabor erreicht bei bis zu vier Schülertagen pro Woche an zwei Standorten eine große Anzahl von Grundschüler_innen (2015: >600, 2016: ca. 1000). Das GOFEX beteiligt sich darüber hinaus an (über)regionalen Aktivitäten, wie den Highlights der Physik (2014), dem Tag der Offenen Tür o.ä. Bei den Explore Science-Tagen (2015) in Mannheim experimentierten über 500 Kinder und Jugendliche an den GOFEX_EE Angeboten. Das GOFEX-Konzept wurde zudem erfolgreich an saarländische SINUS-Schulen transferiert, so dass auch Lehrkräfte Fortbildungen zum Thema Nachhaltigkeit erhalten haben und entsprechende Experimente in den Schulen umsetzen können.
Die Kinderuni Saar, die vom Lehrstuhl Didaktik des Sachunterrichts in Kooperation mit der Saarbrücker Zeitung organsiert wird, behandelt ebenfalls explizit Themen der Nachhaltigkeit (aktueller Beitrag vom 18.5.2016: „Wie kommt der Strom in Elektroautos“).

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Auf dem Jugendforschungsschiff in Berlin bekommen Schüler von der 4. Klasse bis zum Leistungskurs grundlegende Methoden der Gewässeranalytik und der Gewässerbeurteilung in den Bereichen Physik, Chemie und Mikrobiologie der Oberflächengewässer vermittelt. Wir erarbeiten gemeinsam mit den Schülern, in praxi und mit starker Anwendungsorientierung, Grundlagen zur Beurteilung der Gewässergüte und der ökologischen Zusammenhänge am Beispiel des Tegeler Sees, der sich im Nordwesten Berlins befindet. Die dabei gewonnenen Ergebnisse zeigen den jeweils aktuellen Zustand des Gewässers und haben durch die eigenverantwortlich vorgenommenen Messungen auf realistischer Grundlage und mit wissenschaftsnaher Vorgehensweise auch einen erheblichen, praktischen Lebensbezug. Die Kenntnisse fließen ein in weitergehende Fragen nach der Bedeutung von Wasser als Lebensraum für Lebewesen aller Art und als Lebensmittel. Im Rahmen unserer Unterrichtseinheiten thematisieren wir weitere Aspekte wie diejenigen nach der Gewinnung des Trinkwassers in Berlin, nach der Bedeutung von Grenzwerten im Rahmen der Trinkwasserverordnung und der Wasserrahmenrichtlinie und damit nach den Möglichkeiten zum Schutz dieser natürlichen Ressource. Wahlweise können weitergehende gesellschaftspolitische Fragestellungen angesprochen werden, so die Frage nach der Verteilung, Gewinnung und Nutzung von Trinkwasser in anderen Ländern, um die letztlich doch sehr üppige Situation der Ressource Wasser in Deutschland relativieren zu können.

Das Exkursionsboot A.v. Humboldt, mit dem die Schüler zwecks Probenentnahme den Tegeler See befahren, ist mit einem eigenen Solarpanel, Akkumulator und Elektromotor ausgestattet. Wegen der fehlenden Geräuschentwicklung lassen sich damit auch in der Nähe befindliche Vogelbrutplätze anfahren, ohne die dortigen Vögel zu stören. Die Schüler werden so an die Vorteile einer nachhaltigen Energieversorgung herangeführt. In Kooperation mit dem Studiengang Regnerative Energien der Hochschule für Technik und Wirtschaft (Lehrstuhl Prof. Dr. Stegemann) werden unsere Systeme permanent optimiert. Für Schüler werden im Rahmen von Semesterarbeiten an der HTW auch regelmäßig Unterrichtsangebote zu dem Thema Regenerative Energien entwickelt, die zunehmend von Schulklassen in Anspruch genommen werden. Auch hier steht die Nachhaltigkeit im Mittelpunkt. Ebenso wie bei unseren Angeboten zur Gewässerökologie hat diese Thematik an Bord des Jugendforschungsschiffes einen engen Realitätsbezug. Die dabei gewonnenen Erkenntnissse können ganz wesentlich zum Verständnis regenerativer Energien beitragen. So ermitteln wir z.B. Verbrauchsdaten von Haushaltsgeräten und weiteren Geräten aus dem Lebensumfeld der Schüler und lassen daraufhin durch jeden Schüler eine Energiebilanz des jeweiligen Haushaltes erstellen. Mithilfe eines Anemometers kann tagesaktuell die Windstärke und anhand des gerätespezifischen Energiegraphen die Leistung unserer Kleinwindkraftanlage berechnet werden. Anhand der auf dem Schiff installierten Solarmodule können die Schüler die Energieerträge verschiedener Größen und Arten von Solarpanels berechnen und deren Wirksamkeit bei Abdeckung, bei diffusem Licht oder entsprechend dem Einfallswinkel der Sonne berurteilen. Auf unserem Beiboot können die Schüler ihre eigene Muskelkraft beim Rudern der Stärke eines Elektromotors gegenüber stellen und damit ganz unmittelbar die Wirksamkeit regenerativer Energie erkennen. Diese Vorgehensweise hat zum Teil spielerisch-experimentellen Charakter, der aber als überzeugend wahrgenommen wird, weil er unbedingt realistischen, auf das Lebensumfeld der Schüler bezogene Erkenntnisse liefert.

Im Mittelpunkt unserer Betrachtungen zum Thema Gewässerökologie steht beispielhaft für andere Oberflächengewässer der Tegeler See, dessen Wasserqualität und gewässerökologische Zusammenhänge auf vielfältige Weise betrachtet werden. Die Schüler entnehmen an Bord des Jugendforschungsschiffes Wasserproben und untersuchen diese in chemischer Hinsicht anhand der Parameter ph-Wert, Phosphat, Ammonium, Nitrat, Nitrit, Gesamthärte sowie Sauerstoffgehalt und -sättigung. Parallel dazu wird aus dem See Plankton gefischt und dieses unter dem Mikroskop im Hinblick auf seine Aussagekraft als Anzeiger für die mikrobiologische Qualität betrachtet. Ältere und erfahrenere Schüler nehmen eine Bestimmung der zahlreichen Arten vor und versuchen Leitorganismen zu zu finden; grundsätzlich lernen alle Schüler in unserem Schiffslabor den Umgang mit hochwertigen Mikroskopen (wir verwenden Studentenmikroskope Primostar von Carl Zeiss) und selbst hergestellten Präparaten. Eines der Mikroskope ist mit einer AxioCam von Zeiss ausgestattet, so dass die entsprechenden Befunde zusätzlich auf einem Bildschirm in starker Vergrößerung gezeigt werden können, Fotos angefertigt, Ausschnitte erstellt und Größen gemessen werden können. Mit unserem Exkursionsboot A.v. Humboldt werden während einer Exkursion auf dem See zeitgleich physikalische Werte gemessen wie die Tiefe des Sees, die Temperatur in verschiedenen Tiefen und die Sichttiefe. Zu diesen Grundmodulen, die von den meisten Schulklassen gebucht werden, treten Unterrichtseinheiten zu Fischen und Wasservögeln, zu Verschmutzungsgefährdungen des Wassers (Müll und flüssige Stoffe) sowie spezielle Angebote für Oberstufenkurse, etwa die Erstellung eines Saprobienindexes oder die Frage nach Wirkstoffen von Humanarzneimitteln und anderen anthtopogenen Stoffen im Wasser und deren Auswirkungen auf die Wasserqualität und auf das Ökosystem See. Wahlweise können die Unterrichtsangebote im Bereich Gewässerökologie auch in Art eines Szenarios bei Bewältigung einer krisenhaften Situation eingesetzt werden. Insgesamt stehen rund 15 verschiedene Module für die Schüler zur Auswahl. Mit diesen Modulen können alle Niveaustufen von der Grundschule bis zum Leistungskurs Biologie und Chemie bedient werden. Unsere Module orientieren sich im Sek-II-Bereich am Rahmenlehrplan im Hinblick auf das Thema Gewässerökologie. Die Module geben damit die Möglichkeit, das im Unterricht vermittelte Wissen praktisch zu erproben bzw. zu hinterfragen. Die Qualiltät der Unterrichtsgestaltung ist durch ehemalige Lehrer für Biologie und Chemie sowie durch regelmäßig drei an Bord tätige, berufserfahrene Fachleute (Biologen, Ingenieure, Physiker) gesichert, die bei uns den ökologischen Bundesfreiwilligendienst ableisten. Die Unterrichtseinheiten orientieren sich darüberhinaus an Monitoring-Modellen etwa des Landesamtes für Gesundheit und Soziales, das regelmäßig die Badewasserqualität der Badestellen in Berlin untersuchen lässt. Hinzu kommen zahlreiche andere Informationsquellen, etwa seitens der Berliner Wasserbetriebe, des Umweltbundesamtes oder des Institutes für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Berlin. Die Angebote stehen in insgesamt zehn Sprachen zur Verfügung, da wir seit einiger Zeit auch vermehrt von Gruppen aus dem Ausland besucht werden (Russland, Israel, Schweiz, Jordanien).

Mit unseren Angeboten sollen Schüler für die Bedeutung und den Schutz der Ressource Wasser als Lebensraum und als Lebensmittel sensibilisiert werden. Die Schüler lernen hierzu einfache Methoden der Gewässeranalytik kennen, sie werden über Methoden der Gewinnung von Trinkwasser aufgeklärt und lernen die vielfältigen Zusammenhänge des Lebensraumes Wasser und dessen Bedeutung für die natürliche Selbstreinigung kennen. Durch die Unterrichtseinheiten soll schließlich auch eine Sensibilisierung für den Verbrauch und für Gefährdungen erreicht werden. Durch den Hinweis auf die Ergebnisse von Langzeitmessungen, die zwischen 1969 und 1979 im Berliner Stadtgebiet vorgenommen wurden, und bei denen teilweise kritische Werte überschritten wurden, lässt sich zeigen, dass ein Ökosystem aufgrund entsprechender Gewässereinträge auch destabilisiert werden kann und – wie im Fall des Tegeler Sees - zum Umkippen führte, was gleichermaßen bei Tier wie Mensch zu gesundheitlichen Gefährdungen führen kann.

Das Thema Wasser hat schon durch die vielfältige tägliche Nutzung seitens der Verbraucher im Haushalt, in Sport und Freizeit sowie durch naheliegende Verbräuche in der industriellen Anwendung einen hohen und unmittelbar verständlichen Anwendungs- und Realitätsbezug. Hinzu tritt die Bedeutung des Wassers für ökologische Zusammenhänge, die an einem natürlich geprägten Ort wie dem Tegeler See mit seiner vielfältigen Flora und Fauna leicht verdeutlicht und erkannt werden können.

Die Unterrichtsangebote zu Themen der Gewässerökologie auf dem Jugendforschungsschiff haben ihren besonderen Reiz durch die Praxisnähe und die unmittelbare Tätigkeit am eigentlichen Untersuchungsgegenstand Wasser, der zudem in seiner vielfältigen Komplexität und Totalität sinnlich, haptisch, olfifaktorisch und experimentell wahrgenommen werden kann. Während der Exkursionen auf dem Beiboot A.v. Humboldt, bei dem in der Regel eine Teilgruppe von sechs bis Schülern und einem Betreuer mitfährt, lernen die Schüler die Arbeit im Team, sie bewegen sich intensiv, da die Ansteuerpunkte für die Messungen recht weit entfernt liegen und mit Muskelkraft durch Rudern erreicht werden sollen. Der Elektromotor dient nur als Steuerhilfe, beim An- und Ablegen sowie als zusätzliche Hilfe bei frischem oder kräftigem Wind. Die eigenverantwortliche Bewegung, das Ausgesetztsein bei Wind und Wetter (wir arbeiten ganzjährig) und die Sinnhaftigkeit der Messungen werden von Schülern aller Schularten und -niveaus als befreiend empfunden, da neben den kognitiven auch motorische Fähigkeiten erprobt werden.

Wir vermitteln Kompetenzen in der Anwendung von Geräten aus der Mess- und Umwelttechnik (Thermometer, Tiefenmesser, Secchi-Scheibe, Mikroskope, wasseranalytische Verfahren); Kompetenzen in der Beurteilung der Gewässergüte (Analyse von Plankton, Leitorganismen in der Mikrobiologie, Makroorganismen bei Anwendung des Saprobienindexes); Kenntnis von Wirbeltieren wie Fischen und Vögeln; Verständnis für ökologische Zusammenhänge bei Oberflächengewässern im Hinblick auf Flora und Fauna; Verständnis für den Gebrauch und die Schonung unserer natürlichen Ressourcen durch eigenverantwortliches Handeln (sparsamer Umgang; Vermeidung von Verschmutzungen; Einsatz geeigneter Ersatzstoffe); Reflexion über zahlreiche anthropogen bedingte Verschmutzungspotenziale im Zusammenhang von Konsum aller Art und die Bedeutung des ökologischen Fußabdrucks bei all unseren Handlungen. Der Umgang mit der Ressource Wasser ist zunächst als Beitrag zu einem ökologisch nachhaltigen Verhalten von Bedeutung; dieser impliziert auch zahlreiche ökonomische Zusammenhänge, die direkt oder indirekt mit den eigenen wirtschaftlichen Möglichkeiten zusammenhängen. Langfristig, so kann leicht gezeigt werden, hat ökologisches Verhalten auch ökonomische Folgen. Besonders einleuchtend wird eine solche Bilanz durch die Nutzung regenerativer Energien an Bord und die damit erreichte Kostenersparnis für das Projekt. Neben naturwissenschaftliche Kompetenzen im Bereich Messen und Analysieren üben wir gleichsam nebenbei mit den Schülern auch soziale Kompetenzen durch Teamarbeit ein und vermitteln gesellschaftliche Verantwortlichkeit im Umgang mit unseren natürlichen Ressourcen.

Durch den Hinweis auf entsprechende Fragestellungen auf universtärer Ebene und in außeruniversitären Einrichtungen sowie von Ämtern und deren Einrichtungen auf Landes- und Bundesebene können wir bei den Schülern auch Perspektiven auf berufliche Möglichkeiten (BTA. CTA oder UTA) oder auf entsprechende Studienmöglichkeiten geben. Gerade für Schüler, die kurz vor dem Abschluss stehen, sind solche Hinweise sehr wichtig, da an Bord durchaus realistisch gearbeitet wird und der Unterricht von berufserfahrenen Mitarbeitern vermittelt wird.

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Der weltweit wachsende Konsum hat in den vergangenen Jahrzehnten dazu geführt, dass eine steigende Menge an Müll eine Vielzahl an Ökosystemen nachhaltig schädigt. Davon betroffen, sind vor allem unsere Ozeane. Mittlerweile findet man jede Art von Müll in den Weltmeeren, ob schwimmend auf der Wasseroberfläche, treibend in der Wassersäule oder abgelagert am Meeresboden. Das Thema „Plastikmüll im Ozean“ hat in den letzten Jahren an trauriger Bekanntheit gewonnen. Die in den Medien präsentierten Bilder von verschmutzten Stränden und in Netzen gefangener Tiere sorgen immer wieder für große Besorgnis und Empörung bei den Bürgern. Vielerorts werden Strandreinigungsaktionen ins Leben gerufen, an denen sich Freiwillige, darunter auch Schülerinnen und Schüler, beteiligen. Jedoch ist dies nur ein kleiner Beitrag zur Reduzierung des Müllproblems denn der immer größer werdende Bedarf an Plastikartikeln und die damit weiter ansteigende Kunststoffproduktion, erschweren das Bekämpfen der Problematik. Es bedarf mehr noch einer neuen Kultur des Konsums, des Entsorgens und des Wiederverwertens. Immer notwendiger werden neue Regelungen, Lösungsansätze und das gemeinsame Anpa¬cken, um dem Plastikmüll auf die Spur zu kommen.

Wo an deutschen und chilenischen Küsten befinden sich die größten Plastikmüllvorkommen? Aus welchen Gegenständen besteht der Plastikmüll? Und woher kommt dieser Müll? Diese und weitere Fragen werden in dem Citizen Science-Projekt „Dem Plastikmüll auf der Spur“ in einem internationalen Netzwerk zwischen Schülerinnen und Schülern, Lehrkräften sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern beantwortet. Dabei wenden die Lernenden wissenschaftliche Methoden an: Probennehmen am Strand, Präsentieren von Ergebnissen und Kommunizieren dieser in internationalen Teams und Beteiligen an der öffentlichen Diskussion sind im Laufe des Projektes wichtige Lerngelegenheiten für die Schülerinnen und Schüler. Das Erforschen des marinen Mülls an heimischen Stränden und die Arbeit in internationalen Netzwerken zu dem Thema sollen bei den Schülerinnen und Schülern ein verändertes Handeln bewirken, Verantwortung schaffen und einen kritischen Umgang mit Plastikprodukten erzeugen.

Das Projekt wird in Kooperation der Kieler Forschungswerkstatt, dem Schülerlabor an der CAU Kiel (Deutschland), mit den Cientificos de la Basura, einer Arbeitsgruppe der meeresbiologischen Fakultät der Universität Catolica del Norte in Coquimbo (Chile) durchgeführt. Schülerinnen und Schülern wird dabei ermöglicht, gemeinsam mit einem internationalen Partner einen Beitrag zu diesem Thema zu leisten, sich an der öffentlichen Diskussion zu beteiligen und gleichzeitig an aktueller naturwissenschaftlicher Forschung mitzuarbeiten. Die Projektphase sieht vor, Schülerinnen und Schüler sowohl an der Datenerhebung als auch an der Auswertung der Daten zu beteiligen. Um dem Citizen Science-Konzept der Ko-Produktion (Quelle angeben) gerecht zu werden, werden ebenfalls gemeinsam die Daten veröffentlicht und nach Lösungsansätze gesucht.

Nach einer Pilotphase im Mai 2015, an der sich 450 Schülerinnen und Schüler im Alter von zehn bis 15 Jahren sowie 20 Lehrkräfte in Deutschland und Chile beteiligten, wird seit April 2016 das Hauptsampling an der gesamten chilenischen und deutschen Küste durchgeführt. Für die chilenischen Kooperationspartner stellt diese Untersuchung das dritte Sampling einer Langzeitstudie dar, denn bereits 2008 und 2012 wurde der Müll an chilenische Küste von Schülerinnen und Schülern untersucht (Bravo et. al, 2009). Der bilaterale Ansatz ist neu und soll Partizipierenden die Möglichkeit geben, das Problem aus einer anderen Perspektive zu betrachten und es als ein globales Problem wahrzunehmen, das nur global bekämpft werden kann. Insgesamt sind in diesem Jahr ca. 2000 Schülerinnen und Schüler sowie 100 Lehrkräfte an dem Projekt „Dem Plastikmüll auf der Spur“ beteiligt und beproben 6400 km Küste in Chile sowie 1200 km Küste in Deutschland. Die dafür notwendigen organisatorischen Strukturen werden im Folgenden beschrieben.

Das Projekt umfasst im Wesentlichen fünf Aspekte, die einen Erfolg der wissenschaftlichen Untersuchung sowie einen Lernerfolg bei den Partizipierenden gewährleisten sollen. Dabei handelt es sich um begleitendes Unterrichtsmaterial für die fachliche und methodische Begleitung, eine Projektwebseite, die als Kommunikationsplattform dient, eine wissenschaftliche Methode, Öffentlichkeitsarbeit sowie eine Evaluation des Projekts (Bonney, 2009).

Im ersten Schritt des Projekts erhalten die Teilnehmenden ein Arbeitsheft, das sie an den Themenkomplex „Ökosystem Weltmeere“ heranführt. Mit Infotexten, Versuchsbeschreibungen und vertiefenden Aufgaben setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit den Zusammenhängen des Ökosystems auseinander und erfahren so die interdisziplinäre Komplexität des Systems sowie des Problemfelds. Im Weiteren wird die Problematik des marinen Mülls genauer untersucht, Ursachen und Auswirkungen auf Lebensgemeinschaften werden abgeschätzt. Die Bearbeitung des Materials schafft fachliche Grundlagen, die für die Diskussion der Ergebnisse obligatorisch sind. Neben den Fachinformationen werden die SuS an das methodische wissenschaftliche Arbeiten herangeführt. Die Beschreibung der Probennahme, die Dokumentation und die Diskussion der Daten sowie das Veröffentlichen der Ergebnisse wird in weiteren Kapiteln thematisiert und angeleitet. Die Entwicklung von Handlungsalternativen und das Bewerten von bereits bestehenden Ideen und Ansätzen bilden den Abschluss der Arbeit. Das Arbeitsheft dient als Unterstützung für den schulischen Unterricht und kann mit einem Stundenumfang von ca. 10 Std. plus einen Projekttag zur Probennahme bearbeitet werden.

Die Kommunikation zwischen den Tandempartner wird über die Projektwebseite www.save-ocean.org organisiert, die als Internet-Community einen aktiven Austausch der Partizipierenden ermöglicht. Die einzelnen Lerngruppen (Schulklassen, AG`s und Wahlpflichtkurse) werden in altersgemäße bilaterale Tandems eingeteilt, die sich als Gruppen auf der Projektwebseite wiederfinden. Jede Schülerin und jeder Schüler kann sich hier ein Profil anlegen, über das die Kommunikation auf der Webseite stattfindet. Kommentiert werden sollen vor allem die Beiträge des Tandempartners, die in einem in der Webseite integrierten Blog hochgeladen werden. Hier wird zunächst die Lerngruppe vorgestellt, anschließend die Probennahme sowie die Diskussion und der Transfer der Ergebnisse als Blogeinträge präsentiert. Die Projektwebseite dient ebenfalls der Darstellung der erhobenen Daten. Der kulturelle Austausch ermöglicht die Wahrnehmung des Problems aus verschiedenen Perspektiven und lässt das Verständnis für unterschiedliche regionale Gegebenheiten wachsen. Da die Problematik des marinen Mülls in den beiden Ländern eventuell unterschiedlich intensiv wahrgenommen wird und unterschiedlich stark in den Köpfen der Schülerinnen und Schüler angebunden ist, stellt dies einen wichtigen Schritt zur stärkeren Identifikation mit der Problematik dar.

Im Anschluss an das Sampling sowie die Auswertung der Daten sollen nun Handlungsalternativen im Fokus stehen. Hierzu wird aufgezeigt, welche Ansätze es bereits in verschiedenen Kontexten (Gesellschaft, Forschung, Politik, etc.) gibt. Das Reduzieren der eigenen Haushaltsabfälle als Handlungsoption auf persönlicher Ebene, das Verwenden von Mehrwegbechern alternativ zu to go-Bechern als gesellschaftliche Alternative oder das Entwickeln von Reinigungsbooten auf wissenschaftlicher und industrieller Ebene werden vorgestellt und von den Schülerinnen und Schülern reflektiert. Die einzelnen Ansätze wirken sich unterschiedlich stark auf verschiedene Sphären (sozial, ökonomisch, ökologisch) aus. Das Erkennen dieser Dimensionen und das Bewerten der Umsetzbarkeit der Handlungsoptionen soll von den SuS geleistet werden.
Inwieweit die Einbindung von Lernenden in eine wissenschaftliche Untersuchung zum Thema „Plastikmüll im Ozean“ einen Einfluss auf die Wahrnehmung und das Umweltverhalten der Schülerinnen und Schüler hat, wird sowohl in Chile als auch in Deutschland durch eine Begleitforschung untersucht.

Das Projekt „Dem Plastikmüll auf der Spur“ erstreckt sich über mehrere Jahre, bindet verschiedene Altersstufen ein und setzt unterschiedliche Untersuchungsschwerpunkte. Die hier beschriebene Projektphase stellt ein Makroplastiksampling dar, ebenso wurde bereits eine Pilotstudie zum Mikroplastiksampling im November und Dezember 2015 durchgeführt. Eine Fortsetzung ist bereits in Planung.

Im September 2015 wurde das Projekt von der deutschen Citizen-Science-Plattform „Bürger schaffen Wissen“ als Best-Practise-Beispiel zum Forscherteam des Jahres 2015 gekürt. Darüber hinaus übernahm im Mai 2016 der schleswig-holsteinische Umweltminister Dr. Robert Habeck die Schirmherrschaft für das Projekt.

Finanzielle und materielle Unterstützung für das Projekt „Dem Plastikmüll auf der Spur“ kommt vom Exzellenzcluster „Ozean der Zukunft “, der Lighthouse Foundation, dem Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN) sowie dem Ministerium für Schule und Berufsbildung des Landes Schleswig-Holstein. Von chilenischer Seite wird das Projekt von der Universidad Católica del Norte, dem Center for Advanced Studies in Arid Systems (CEAZA) und der chilenischen Wissenschaftsgemeinschaft (EXPLORA-CONICYT) gefördert.

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Das Kinder- und Jugendtechnologiezentrum arbeitet an den Schnittstellen zwischen Kindergarten - Schule und Schule – Ausbildung/Studium mit dem Ziel, den Nachwuchs in den Schulen mehr für naturwissenschaftliche und technische Ausbildungs- und Studiengänge zu interessieren und an die Unternehmen und Hochschulen heranzuführen. Gegründete wurde KITZ.do 2008 und ist über einen Zuschuss der Stadt Dortmund basisfinanziert, aber zusätzlich auch auf weitere Sponsoren und sonstige Einnahmen angewiesen. Schon seit Jahren hat KITZ.do zur naturwissenschaftlich-technischen Förderung auch Bildung für Nachhaltige Entwicklung im Programm.

Das Best Practice Beispiel „CoBiKe - coole Berufe im Klimawandel erforschen“ - verfolgt das Ziel, überregional 320 Jugendliche unter 25 Jahren über praxisnahe Workcamps für eine grüne, nachhaltige Berufs- oder Studienwahl zu begeistern. Geboten werden Module á 4-tägiger Experimentierphase, 1-tägiger Berufsreflektion u. 3- tägiger Berufsfelderkundung in versch. Unternehmen, die begleitet wird von einer Design-Think-Tank-Gruppe. Das Projekt CoBiKe, das vom Europäischen Sozialfonds und dem Bundesumweltministerium gefördert wird, ist die erste Zusammenarbeit von Grone-Bildungszentren NRW gGmbH und dem Kinder- und Jugendtechnologiezentrum Dortmund KITZ.do.

Experimente und Praktisches Arbeiten vermitteln die Grundlagen des „grünen“ umweltbewussten Denkens und Grundlagen zum Technikverständnis. Zum Beispiel wird den TeilnehmerInnen durch Experimente deutlich, dass Energie umgewandelt und nicht verbraucht wird, Wind- oder Solarenergie oder auch die Abwärme aus Prozessen zur Stromproduktion genutzt werden können. Durch das eigene Tun lernen sie unterschiedliche Aspekte von verschiedenen Berufen, die im Zusammenhang mit der Energiewirtschaft stehen, kennen. Wenn sie z.B. die Solaranlage optimal nutzen wollen und eine Steuerung bauen, die die Solarpanels nach der Sonne ausrichten, werden nicht nur Berufe des Informatikers sondern auch von Mechatroniker, Elektriker, Technischem Zeichner und Schlossern vorgestellt.

CoBiKe zeigt den Jugendlichen, welche Möglichkeiten und Änderungen in der Berufswahl bestehen und sich gerade mit dem Gedanken der Nachhaltigkeit ergeben. Sie sehen, dass auch Berufe, die scheinbar nichts mit Ökologie zu tun haben, nachhaltig sein können, z.B. wenn Geldanlagen in die Erhaltung von Ökosystemen fließen. Grundständige Berufe wandeln sich, der Aspekt des Klimaschutzes spielt eine immer größere Rolle, verwendete Materialien werden verändert. Damit ändern sich auch Inhalte in Ausbildung und Studium. Weiterhin können sie erkennen, was Nachhaltigkeit bedeutet, u.a. auch im Bereich der Unternehmens- und Mitarbeiterführung. Jugendliche im Alter von 14 bis 25 Jahren bearbeiten gemeinsam ein konkretes Projekt mit dem Hintergrund der Berufsorientierung speziell zu einer nachhaltigen Berufswahl. Diese Projekte werden in Workcamps und innerhalb einer regelmäßigen Arbeitsgruppe bearbeitet. Themen können aus dem Bereich Energieerzeugung aus regenerativen Quellen oder nachwachsenden Rohstoffen, ökologisch orientiertes Arbeiten, ökologisches Bauen und ökologische Stadtentwicklung sein. Parallel zu den Workcamps ist die Bildung einer Schwerpunktgruppe angedacht, in der besonders interessierte TeilnehmerInnen die Experimentierphase fortsetzten. Diese Gruppe trifft sich regelmäßig im KITZ.do (1-2-mal im Monat) um tiefer in die Problematik einsteigen zu können und am Ende dem einen oder anderen Unternehmen Vorschläge zur Ressourcenschonung zu unterbreiten.

Die Jugendlichen entwickeln neben der naturwissenschaftlich-technischen Umweltbildung ein Bewusstsein dafür, dass der Mensch und sein Verhalten nur ein Teil des Kreislaufs auf der Erde ist und somit das Verhalten sich entsprechend auf viele weitere Bereiche und Lebensräume auswirkt. Auch sollen die Jugendlichen dafür sensibilisiert werden, welche langfristigen Konsequenzen aus Verhalten, Produkten, Lebensweisen entstehen. So wird aufgezeigt, dass sich aus diesen Konsequenzen bzw. aus der Verhinderung der Konsequenzen neue Berufe ergeben und sich „alte“ Berufe verändern. Ein Beispiel ist die Veränderung, die sich im Bereich des Baugewerbes ergeben hat. Neue Berufe sind entstanden, alte Berufe beschäftigen sich mit neuen Themen. Der Elektriker kümmert sich nicht mehr nur um die Stromversorgung, sondern auch darum, aus welchen Quellen dieser Strom kommt und wie die Auswirkungen auf Umwelt und Lebensräume sind. Für Jugendliche ist Klima- und Umweltschutz ein wichtiges Thema. Sie möchten sich aktiv daran beteiligen, was mit einer entsprechenden Berufswahl eine sehr zufriedenstellende Möglichkeit bietet. Berufswahl steht bei allen Jugendlichen einmal an, viele entscheiden sich für gängige Berufe, viele wissen nicht, was sie später einmal arbeiten sollen. Ein frühzeitiges Aufzeigen der Möglichkeiten und Alternativen ist daher sinnvoll.

Der Begriff der Nachhaltig wird innerhalb des Projektes behandelt. Die Jugendlichen erkennen, wie weitläufig dieser Begriff ist und dass nicht nur in Bezug auf Umweltschutz nachhaltig gehandelt werden kann. Die Jugendlichen lernen, dass ökologisches Denken nicht immer mit ökonomischem Denken vereinbar ist. Allerdings ergibt die Einbeziehung ökologischer Aspekte in vielen Bereichen langfristig und nachhaltig einen ökonomischen Vorteil. Sie erkennen, dass nicht nur ein Teil (wie Produktion) betrachtet werden darf, sondern auch die Wirkung auf umliegende Bereiche und die damit verbundenen Folgekosten. Auch sozioökonomische Aspekte müssen in einer nachhaltigen Lebens- und Arbeitsweise bedacht werden. Die Jugendlichen lernen miteinander zu arbeiten, zu kommunizieren und gemeinsam Lösungsvorschläge auszuarbeiten. Teamarbeit ist auch immer verbunden mit einer Erweiterung der Sozialkompetenz. Man muss sich mit unterschiedlichen Menschen arrangieren, es gibt führungsstarke Persönlichkeiten und eher zurückhaltende. Jedes Teammitglied kann seinen Beitrag leisten und sich mit seinen Stärken in das Team einbringen. Dies zu erkennen, zu akzeptieren und anzunehmen ist ein wichtiger Schritt innerhalb der Projektarbeit. Die Jugendlichen können dies in den Workcamps gut sehen, da sie gemeinsam an einem vorgegebenen Projektauftrag arbeiten und gemeinsam den Weg zum Ziel erarbeiten. So erhalten sie einen Einblick in ihr zukünftiges Berufsleben. Weiterhin ist es wichtig, alle Schritte zu dokumentieren und zu bewerten. Somit bekommen die Jugendlichen einen Einblick in wissenschaftliches und genaues Arbeiten. Die Ergebnisse werden dann der Gruppe und der Öffentlichkeit präsentiert. Eine Verbreitung in sozialen Netzwerken und eine Videodokumentation schulen die TeilnehmerInnen in Medienkompetenz. Die Workcamps sind also nicht nur für die Berufsorientierung hin zu ökologischen und zukunftsfähigen Berufen sinnvoll, die Jugendlichen erwerben zusätzlich zahlreiche Kompetenzen, die ihnen in ihrem Berufs- und Privatleben nützlich sein können.

Ein Beispiel eines Workcamps soll hier dokumentiert werden. Die TeilnehmerInnen kommen aus allen Schultypen ab der 8. Klasse. Diese Heterogenität der Gruppe ist überaus spannend, da jeder eigenes Wissen und eigene Erfahrungen einbringen kann und alle TeilnehmerInnen auf ihre Art die Gruppe bereichern.
Das zweiwöchige Workcamp gliedert sich in eine mehrtägige Experimentierphase in Labor und Werkstatt und eine mehrtägige Phase der Berufsfelderkundung in Unternehmen. Die erste Phase, von den Mitarbeitern bei KITZ.do gestaltet, vermittelt die naturwissenschaftlich-technischen Grundlagen sowie umweltbewusstes Denken und Handeln im Hinblick auf Berufe im Klimawandel. So lernen die Jugendlichen in selbst durchgeführten Versuchen im Schülerlabor von KITZ.do die Vielfalt der zugrunde liegenden Naturwissenschaften und Technologien kennen. Sie stellen selbst Farben und Dämmstoffe aus natürlichen Materialien her, Solarzellen werden auf ihre Funktion hin überprüft und gemessen, in der Werkstatt werden die Solarmodule dann zu einer Solaranlage zusammen gefügt. Eine weitere Gruppe baut in der Werkstatt ein Modellhaus aus Holz. Die selbst hergestellten Farben, Dämmstoffe und die Solaranlage werden mit dem Modellhaus zu einem grünen, ökologischen EnergiePlusHaus verbaut. Gleichzeitig wird den Jugendlichen vermittelt, welche Berufe und Berufszweige rund um ein Haus relevant sind, um nachhaltig und klimafreundlich zu arbeiten. In den Unternehmensbesuchen können die gewonnenen Erfahrungen dann mit der Arbeitsrealität der entsprechenden Berufe überprüft werden. Gespräche mit Auszubildenden runden den Gesamteindruck ab.

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Einleitung

Gesunde Ernährung ist ein permanentes Megathema und vor dem demografischen Hintergrund unserer alternden Gesellschaft von ganz besonderer Bedeutung.
Am Beispiel von Omega-3-Fettsäuren lernen die Schülerinnen und Schüler einige Aspekte der Ökotrophologie kennen, vertiefen im Schülerlabor ihre fachlichen Kenntnisse der Oleochemie und werden gleichzeitig für den bewussten Umgang mit Lebensmitteln sensibilisiert. Sie sollen realisieren, dass bei Lebensmitteln eine gute Qualität einen höheren intrinsischen Wert darstellt als ein niedriger Preis.
Dazu haben wir im NanoBiolab in Saarbrücken ein Schülerlabormodul entwickelt, dass für SuS der Jahrgangsstufen 11+12 geeignet ist. Ein Schülerlabormodul besteht aus den drei bis fünf Modulelementen, die jeweils etwa einen halben Tag dauern (Einführung und Nachbereitung können kürzer sein, für das Praktikum im Schülerlabor sollte man sich im vorliegenden Fall mehr Zeit nehmen, um das gesamte Experimentalangebot zu nutzen). Diese drei Modulelemente müssen absolviert werde; zusätzlich können, insbesondere zur Berufsorientierung, noch ein Besuch in einem einschlägigen high-tech-Forschungslabor und/oder eine Exkursion zu einem passenden Industriebetrieb stattfinden.

Das Schülerlabormodul

Bei der Einführung in die Thematik (obligatorisch, vorzugsweise in der Schule) sollen den SuS wesentliche Aspekte der Nachhaltigen Entwicklung vermittelt werden und sie sollen in die Prinzipien der Nachhaltigen („Grünen“) Chemie eingeführt werden. Im vorliegenden Zusammenhang sind Biomasse und deren stoffliche Nutzung wichtig. Die Grundzüge der Oleochemie sind den SuS aus der Schule bekannt, das verschafft einen einfachen fachlichen Zugang; diese Kenntnisse werden vertieft unter besonderer Berücksichtigung der Omega-3-Fettsäuren, was bei den SuS auf intrinsisches Interesse stoßen könnte. Die Stoffwechselvorgänge von Omega-3-Fettsäuren werden angerissen und damit deren Bedeutung für eine gesunde Ernährung; damit erhalten die SuS auch, etwas verallgemeinert, einen ersten Einblick in das universitäre Lehr- und Forschungsgebiet Ökotrophologie (Ernährungslehre). Der Alltagsbezug (Stichwort „Gesunde Ernährung“) ist unmittel¬bar einsichtig, ebenso wie der BNE-Aspekt „Verwendung regionaler Produkte“. Auch der Besuch in einem Forschungslabor sowie die Exkursion zu einem einschlägigen Industriebetrieb muss vorbereitet werde.
Bei den Experimenten im Schülerlabor (obligatorisch) extrahieren die SuS zunächst Pflanzen¬öle aus den Samen verschiedener regionaler Ölpflanzen. Zur Analyse ist eine Umesterung der nativen Trigyceride zu Fettsäure-Ethylesten erforderlich; das geschieht in Form eine „speed“-Synthese; organische speed-Synthesen sind im Schülerlabor gut machbar, während konventionelle organische Synthesen mit der Erfordernis von Destillation oder Umkristallisation zur Aufarbeitung der Produkte im allgemeinen zu langwierig sind. Die von verschieden Pflanzenölen erhaltenen Fettsäureethylester-mischungen werden mittels Dünnschichtchromatographie aufgetrennt; die pflanzliche Omega-3-Fettsäure a-Linolensäure wird in den Ethylestermischungen und damit in den jeweiligen Pflanzenölen durch Vergleich mit einem Standard identifiziert. Die Qualitäts-sicherung der Pflanzenöle erfolgt in industriellen Betrieben auch heute noch über Säure-zahl und Jodzahl. Die SuS können anhand der von ihnen bestimmtem Werte unter-scheiden zwischen alten und frischen Pflanzenölen bzw. zwischen Pflanzenölen mit vielen gesättigten Fettsäuren und solchen mit einem hohem Anteil an ungesättigten Fettsäuren.
Beim Besuch eines einschlägigen Forschungslabors (optional) lernen die SuS moderne Apparaturen der Instrumentellen Analytik kennen. Im Fall von GC-MS (Gaschromato-graphie gekoppelt mit Massenspektrometrie) wird wie im Schülerlabor chromatographisch aufgetrennt (so dass den SuS das Prinzip klar ist), aber natürlich mit viel höherer Trennschärfe.
Die Exkursion zu einer einschlägig arbeitenden Firma (optional) rundet das Schülerlabor-modul ab. Diese Exkursion muss gut vorbereitet sein: den SuS müssen Aufgaben übertragen werden, wie beispielsweise eine Vor-Ort-Recherche der in der Firma vertretenen Berufen, ein Interview mit einem Vertreter der Geschäftsleitung. Die Besichtigung der Produktionsanlagen (industrielle chromatographische Abtrennung von Omega-3-Fettsäuren aus Fischölen) kann vorteilhaft ergänzt werden durch einen Besuch der Abteilung Qualitätssicherung, wo die SuS all das wiederfinden, was sie im vorliegenden Schülerlabormodul gelernt haben.
Im Rahmen der Nachbereitung (obligatorisch, vorzugsweise in der Schule) wird resümiert, dass die SuSe Fertigkeiten bzw. Erkenntnisse auf drei Gebieten erworben haben:

• Chemisch / methodische Fertigkeiten: Extraktionsverfahren, Chemische Präparation (hier „speed“-Synthese/Umesterung), Dünnschichtchromatographie im Vergleich zu GC-MS als Analyse-Techniken, Abwiegen und Titrieren als chemisch-experimentelles Handwerkszeug, Bestimming von Säure- und Iodzahl als klassische Charakterisierungsmethoden für Fette.


• ökotrophologische Erkenntnisse: von Pflanzenöle der Region enthält Raps-Öl gesättigte und viel einfach ungesättigte Fettsäuren und ist somit als Bratenöl geeignet, während Leinsamen-Öl und Leindotter-Öl viel Omega-3-Fettsäure enthalten und kaltgepresst als Salatöl empfehlenswert ist. Omega-3-Fettsäuren können auch in Form von Nahrungsergänzungsmittel zu sich genommen werden, was aber bei guter Ernährung nicht unbedingt notwendig ist.


• Berufsorientierung: Die SuS lernen das universitäre Umfeld mit Chemielaboranten, Technikern und Doktoranden/Wissenschaftlern sowie das industrielles Umfeld mit Chemikanten, Produktionsleitern, Mitarbeitern der Qualitätssicherung, Laborleitern mit pharmazeutischem und chemischem Hintergrund. Teilweise gehören diese Berufsbilder zum Bereich Umwelttechnologien


• Beiträge zur Bildung für Nachhaltige Entwicklung: Gesunde Ernährung mit Pflanzenölen mit hohem Anteil an Omega-3-Fettsäuren macht die Einnahme entsprechende Nahrungsergänzungsmitteln überflüssig; die Verwendung regionaler Produkte trägt dazu bei, die Transportwege (und deren negative Auswirkungen) erheblich zu verkürzen; der Ersatz des Ausgangsmaterials „Fischöl“ für Omega-3-Kapseln durch regionales Pflanzenöl leistet einen Beitrag gegen die Überfischung der Weltmeere.

Natürlich erfordert das alles auch eine kritische Reflektion der eigenen persönlichen Einstellungen, und damit leistet das Schülerlabormodul auch einen Beitrag zur Säule „Soziale Aspekte“ der Nachhaltigen Entwicklung. Die regionale landwirt¬schaftliche Produktion von Spezialprodukten wie Omega-3-reichen Pflanzenölen ist förderwürdig und eine Ergänzung zur Produktion von Massen¬produkten („Commodities“) wie Getreide, Kartoffeln, Milch. Die SuS sollen für den bewussten Umgang mit Lebensmitteln sensibilisiert werden (inkl. der auf den Verpackungen angegebenen Inhaltsstoffe) und sollen realisieren, dass bei Lebensmittel eine gute Qualität einen höheren intrinsischen Wert darstellt als ein niedriger Preis.
Weiterhin könnte in der Nachbesprechung angesprochen werden, welche Teile des erlebten Schülerlabormoduls für eine Veröffentlichung in der (Schüler-) Zeitung der jeweiligen geeignet wären.
Das komplette vorliegende Angebot ist zur Gestaltung einer Seminarwoche oder eines einwöchigen FerienCamps geeignet. Der Umfang der Experimente erfordert mindestens zwei Halbtage, bei nur einem Halbtag muss eine Auswahl getroffen werden. Für die Vorstellung ausgesuchter Berufsbilder sind die Modulelemente 3 und 4 wesentlich.

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Anhand von vier chemischen Experimenten für den Sekundarstufen I und II zum Thema „Seltenen Erden“ lernen Schülerinnen und Schülern (SuS) chemische Methoden und Synthesen kennen, sowie deren chemisch-physikalischen Eigenschaften. Darüber hinaus reflektieren sie ihr eigenes Konsumver-halten und Lernen die Bedeutung von „Seltenen Erden“ für heutige Technologien kennen.

Versuche des Experimentierzyklus „Seltene Erden“:

Herstellung eines Gasglühstrumpfs (Yttrium, Cer)

Die SuS stellen einen traditionellen Gasglühstrumpf her, der im Jahre 1885 von C. Auer von Wels-bach zum Patent angemeldet wurde. Er stellt einen Meilenstein in Entwicklung des künstlichen Lichts dar.
Von den SuS wird aus Baumwollstoff ein kleiner Strumpf ausgeschnitten und zusammengenäht. Anschließend wird dieser mit einer angefertigten chemischen Lösung, die Seltenerdmetalle ent-hält, imprägniert. Nach einem Trocknungsvorgang wird der Strumpf erhitzt und in einen funktio-nierenden Glühstrumpf verwandelt.

Herstellung eines Hochtemperatursupraleiters (Yttrium)

Die SuS wiegen die Ausgangstoffe für die Synthese eines YBCO-Supraleiters auf einer Feinwaage ab und mörsern diese intensiv in einem Achatmörser. Unter Verwendung einer hydraulischen Presse wird ein Pellet hergestellt, das anschließend in einem Rohrofen bei 950 °C gebacken wird. Nach dem Backvorgang wird der Meißner-Ochsenfeld-Effekt demonstriert. Das schwarze Pellet schwebt unter Kühlung mit flüssigem Stickstoff (-196 °C) über einer Fläche, die aus Permanent-magneten, welche Neodym als Seltene Erde enthalten, besteht.

Rückgewinnung von Neodym aus dem Handy (Neodym)

Die SuS zerlegen ein defektes Mobiltelefon und entnehmen den Lautsprecher, der meist aus ei-nem neodymhaltigen Magneten besteht. Dieser wird auf die Curie-Temperatur erhitzt und so entmagnetisiert. Anschließend wird das Metall zerkleinert, gemörsert und in Säure aufgelöst. Nach mehreren nass-chemischen Schritten gewinnt man das fliederfarbene Neodym als Neo-dymphosphat.

Synthese eines Fluoreszenzfarbstoffs (Europium)

Die SuS bauen eine klassische, chemische Syntheseapparatur auf mit Dreihalskolben, Rückfluss-kühler, Tropftrichter und Thermometer; eine typische Apparatur für eine organische Synthese. Die Ausgangsmaterialien werden zu Beginn abgewogen, dann teilweise gelöst und zueinander ge-geben. Die Reaktionsmischung wird erhitzt und ein farbloser Niederschlag scheidet sich ab. Nach dem Zentrifugieren erhält man einen fluoreszierenden Farbstoff, der unter einer UV-Lampe leuch-tet. In Personaldokumenten oder auf Banknoten werden diese zur Fälschungssicherung einge-setzt.

Da viele Geräte (Windkrafträder, Mobiltelefone, Energiesparlampen, Katalysatoren, Optische Geräte, etc.) nur durch den Einsatz von „Seltenen Erden“ funktionieren, ist die Bedeutung und der Bedarf an „Seltenen Erden“ seit den 50er Jahren stark gestiegen. Alle drei Dimensionen der Nachhaltigkeit (Ökologie, Sozial, Ökonomie) werden angesprochen. So wird die Problematik der Endlichkeit der Rohstoffe (Ökologie) auf der Erde betrachtet sowie damit einhergehenden Lösungsvorschläge. Die Möglichkeit des Recyclings wird an der Rückgewinnung des Neodyms aus Mobiltelefonen und den Sekundärkreislauf veranschaulicht. Einflussfaktoren, die sich auf die Recyclebarkeit auswirken, ausge-leuchtet. Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit (Ökonomie) werden „Design to Recycling“, Elektroschrott-export (Soziales), Sammelbereitschaft, etc. angesprochen.
Unser Angebot berührt folgende nachhaltige Entwicklungsziele aus dem „Orientierungsrahmen für den Lernbereich Globale Entwicklung“:

Bezahlbare und Saubere Energie (7), Industrie, Innovation und Infrastruktur (9), Nachhaltige Städte und Gemeinden (11), Verantwortungsvolle Konsum- und Produktionsmuster (12).

Es handelt sich bei den Experimenten um Herstellungsprozesse bzw. Synthesen und Analysen von Produkten, die einen Bezug zur Lebenswelt der der SuS haben.

• Während der Herstellung eines traditionellen Gasglühstrumpfs wird über die Entwicklung des künstlichen Lichts über die vergangenen 200 Jahre diskutiert;


• die Herstellung eines Hochtemperatur-Supraleiters führt zur Diskussion über Energieverluste beim elektrischen Stromfluss und den widerstandslosen Stromtransport;


• das Auseinandernehmen eines Handys zeigt die Vielfalt der verbauten Stoffe in einem Handy auf; die (Rück-) Gewinnung des Neodyms aus dem Handy öffnet den Blick auf die Gewinnung von Sekundärrohstoffe („urban mining“);


• die Synthese eines Farbstoffs für Sicherheitsdokumente (Ausweise, Banknoten) weist auf die Vielfalt der Einsatzbereiche und die Bedeutung der Seltenen Erden im Alltag hin;

Wichtig ist die Anbindung der Experimente an den Aspekt der Kreislaufwirtschaft, in welchem Roh-stoffe durch Rückgewinnung aus Abfällen im Sekundärkreislauf einer Produktfertigung wieder zur Verfügung stehen.

Die Teilnehmer_innen lernen ein chemisches Labor kennen. Sie haben Kontakt mit Studierenden der Universität, die die experimentellen Versuche betreuen. Durch praktisches Arbeiten erlangen die SuS Fertigkeiten (Aufbau der chemischen Apparaturen und die eigenständige Durchführung einer chemi-schen Synthese), die aufgrund der materiellen Ausstattung in der Schule nicht möglich sind. Interes-sant ist außerdem die Interdisziplinarität, da Themen aus Chemie, Physik und Geografie in diesem Experimentierzyklus ineinandergreifen.
Jedes der Experimente hat einen direkten Bezug zur Lebenswelt der SuS, sowie eine Fragestellungen, die sich auf die Zukunft richten, wodurch das Interesse unmittelbar geweckt wird. So gibt es z.B. noch kein wirtschaftliches Recycling-Verfahren für Seltene Erden.

Die SuS lernen die Arbeitsmethoden der Chemie mit ihrer klassischen Labortätigkeit kennen, sowie Aufbau und Durchführung von chemischen Synthesen. Die Synthesen beschäftigen sich mit den „Sel-tenen Erden“, wichtigen HighTech Metallen der Industrie. Die SuS sollen lernen, dass die Stoffe in ih-ren Konsumgütern einen Ursprung in der Natur haben und dass die Ressourcen für diese Stoffe auf dem Erdball begrenzt sind. Die Wichtigkeit der Rückgewinnung bereits verbrauchter Stoffe in Kon-sumgütern wird aufgezeigt. Lösungsansätze werden auch vermittelt: Ein effizienter Einsatz von Selte-nen Erden, ein verbessertes Recycling und ein nachhaltiger und fairer Abbau primärer Rohstoffe. Ziel ist es die SuS parallel zum analytischen Denken auch zu systemischem Denken zu animieren. Damit lernen die SuS wie Naturwissenschaften und Technik unsere materielle, intellektuelle und kulturelle Umwelt formen, erlangen damit naturwissenschaftliche Kompetenz. Darüber hinaus lernen sie auch chemische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten kennen, können sich am gesellschaftlichen Diskurs beteiligen und dabei verschiedene Perspektiven übernehmen. Sie gewinnen damit auch Be-wertungskompetenz.

Am Beispiel der Seltenen Erden wird der Einfluss auf die Umwelt (Gesteinslaugung, Chemikalien, Ra-dioaktivität, Bodenerosion, Grundwassersgefährdung), die Arbeitsbedingungen (Mülltourismus, Ge-sundheitsschutz, Löhne) und das Politische Konfliktpotenzial (Zugriffsrechte, Verteilungsgerechtigkeit, Erlöse) besprochen, sowie deren Rolle in Nachhaltigkeitstechnologien (Windkraftanlagen, Hybrid- und Elektrofahrzeuge, Industriekatalysatoren, Energiesparlampen, Elektronische Kleingeräte).
Die Frage nach einer Versorgung mit Seltenen Erden muss eine globale Gerechtigkeit, die Auswir-kungen des Abbaus auf die Umwelt und die soziale Entwicklung stets miteinbeziehen.

Der Ausbau von Zukunftstechnologien in Energiewirtschaft und Mobilität steigert die Nachfrage u.a. nach Seltenen Erden. Beispielsweise steht dem knappen Angebot von Dysprosium ein wachsender Bedarf für die Elektromobilität bzw. für die Herstellung von Permanentmagneten gegenüber. Die zunehmende Rohstoffverknappung auf dem Weltmarkt verlangt nach alternativen Technologiekon-zepten, die ohne diese Rohstoffe auskommen. Gleichzeitig wird nach effizienteren Lösungen für de-ren Recycling gesucht. Die Wirtschaftlichkeit des Recycling von Abfällen aus der Nachgebrauch-sphase („Post-Consumer-Recycling“) ist heutzutage noch nicht überzeugend. Insbesondere beim Recycling elektronischer Geräte, die in der Summe signifikante Mengen fast aller kritischen Metalle enthalten, gibt es noch ein großes Verbesserungspotenzial.

An der Supraleiter-Technologie wird aktuell geforscht (z.B. Mainzer Max-Planck-Instituts für Chemie und Johannes Gutenberg-Universität Mainz), wie auch am Recycling der Seltenen Erden (z.B. Helm-holtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF); Fa. Novis Tübingen); an Sicherheitsmerkmalen für künftige Ausweis- und Wertdokumente forschen Bayer MaterialScience, Fraunhofer-Gesellschaft und NXP Semiconductors (Projekt SECUDIS vom BMBF).
Die Menge an wertvollen Materialien hängt von der Recyclingmethode ab. Es sollte berücksichtigt werden, die Mobiltelefone getrennt von anderem Elektroschrott zu sammeln aufgrund ihrer sehr komplexen Bauweise.

INFOBOX

Inhalt unseres BNE-Angebots

Ausgangsituation: Mehr als zwei Milliarden Verbrennungsmotoren (Mofas, PKW, LKW, Schiffe, stationär) weltweit verbrauchen pro Jahr etwa 2 · 1012 Liter bzw. ca. 13 Mrd. Barrel Erdöl (Annahmen: durchschnittliche jährliche Fahrleistung von 10 000 km und ein Spritverbrauch von 10 l/100 km). Bei einem durchschnittlichen Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors von 30 % gehen 70 % der Energie des Brennstoffs als Abwärme in die Umgebung. Dies entspricht der Brennstoffenergie von rund neun Mrd. Barrel Rohöl. Im Vergleich dazu verbraucht Deutschland jährlich knapp eine Mrd. Barrel Rohöl. Die weltweite Restwärme von Verbrennungsmotoren ist also neun Mal höher als der jährliche Ölverbrauch in Deutschland. Diese Zahl verdeutlicht, dass es Sinn macht, sich dem Thema Restwärme von Verbrennungsmotoren anzunehmen. Was also liegt näher, als diese Restwärme in elektrische Energie umzuwandeln und zu nutzen?

1815 wurde von Johann Seebeck erkannt, dass Temperaturdifferenzen zwischen zwei verschiedenen Metallen zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie genutzt werden können. Die bekannteste Anwendung sind Thermoelemente zur Temperaturmessung. Die Umkehrung des Effektes ist das Peltier-Element. Diese Erkenntnisse spielen heute eine besondere Rolle, wenn es darum geht, elektrische Energie möglichst umweltfreundlich zu gewinnen, z. B. mit den sehr heißen Auspuffgasen bei Verbrennungsmotoren (300 bis 700 °C). Mit Thermo-Elektrischen-Generatoren (TEG) gelingt es, etwa ein Zehntel dieser Abwärme in nutzbare Energie umzuwandeln. Besonders interessant ist diese Option, wenn der TEG die Lichtmaschine ersetzen kann, mit welcher die elektrische Stromversorgung des Kraftfahrzeugs sichergestellt wird. Eine Abschätzung hierzu ergibt für die weltweit betriebenen Verbrennungsmotoren ein Einsparpotenzial von 6 · 1010 l Kraftstoff, wenn die Lichtmaschinen durch einen TEG ersetzt werden (dies bei den Annahmen: 100 kW durchschnittliche Motor- Nennleistung, 1 kW Leistung der Lichtmaschine, 30 % Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors, ca. 3 % des Kraftstoffverbrauchs wird zur Erzeugung des elektrischen Stroms durch die Lichtmaschine benötigt). Bei spezifischen CO2-Emissionen von 2,5 kg CO2/l Kraftstoff folgt ein CO2-Reduktionspotenzial von 1,5 · 108 t weltweit. Das entspricht etwa der Summe aller deutschen Braunkohle-Kraftwerke pro Jahr. TEGs könnten somit die weltweiten energiebedingten CO2-Emissionen um 0,5 % reduzieren. Dies zu erreichen ist ein Schritt in die Richtung der nachhaltigen Entwicklungen.

Ziel des Projekts

Wollen wir im Sinne des Brundtland-Reportes (1987) die Lebensqualität der gegenwärtigen Generation sichern und gleichzeitig zukünftigen Generationen die Wahlmöglichkeit zur Gestaltung ihres Lebens erhalten, so müssen wir die Bildung zur nachhaltigen Entwicklung (BNE) in all unseren Projekten mit einbeziehen. Bildung für nachhaltige Entwicklung ist eine Bildung, die Menschen zu zukunftsfähigem Denken und Handeln befähigt. Sie ermöglicht es jedem Einzelnen, die Auswirkungen des eigenen Handelns zu verstehen und verantwortungsvolle Entscheidungen zu treffen. Welche Auswirkungen hat beispielsweise die Nutzung unterschiedlicher Verkehrsmittel? In diesem Zusammenhang ist auch das Ziel dieses Projektes, die Nutzung bisheriger nicht genutzter Energie durch Umwandlung von Restwärme in elektrischen Energie sowie den Wissensstand von Jugendlichen und Wissenschaftlern zu erweitern und dadurch die Forschung auf diesem Gebiet weiterzubringen. Weiterhin wird das Interesse für umweltrelvante Veränderungsmöglichkeiten bei Jugendlichen gefördert.

Motivation der Schüler zur Bearbeitung

dieser Fragestellung Die Thematik ist im Alltag allgegenwärtig (Auto, Flugzeug, Herdplatte, Bügeleisen, Schifffahrt, Solarthermie usw.) und dadurch fühlen sich Jugendliche selbst betroffen und motiviert, um eigene Ideen zur Weiterentwicklung beizusteuern und auszuprobieren. Theorie und Praxis hängen bei diesem sehr komplexen Thema eng zusammen. Dazu kommt, dass diese Fragestellungen noch keine Fertiglösungen haben und Jugendliche damit tatsächlich selbst zu Jungforschern werden, die selbst technische Entwicklungen zur besseren Nutzung vorhandener Ressourcen erarbeiten und mitgestalten. Lernergebnis ist hierbei die Erkenntnis, dass gegenwärtige komplexe Problemstellungen nur über systemisches Denken und in Teamarbeit zu lösen sind.

Projektbearbeitungen

Seit ca. fünf Jahren arbeitet die Offene Jugendwerkstatt Karlsruhe e. V. (OJW) mit Schülerteams an diesem Thema, unterstützt von Fachleuten aus Industrie und Forschung. Hierzu haben Schüler mit den Fachleuten einen VW-Motor zu Testversuchen umgebaut. International erreicht man mit unterschiedlichen Halbleitern, mittels eines TEG, aus der Abwärme eines PKW-Verbrennungsmotors derzeit 600 W. Ziel der Automobilindustrie ist wie zuvor schon genannt, ca. 1,2 kW, um die Lichtmaschine zu ersetzen. Daran forschen zurzeit alle großen Automobilhersteller und Forschungsinstitute z. B. das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) oder die Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. (FhG). Dadurch würden sich pro PKW 3 bis 5 kg Masse einsparen lassen. Dies bedeutet wiederum, weniger Spritverbrauch, weniger Emissionen – und das ganze mal zwei Mrd. (siehe Betrachtungen oben). Unser bremsbarer VW-Motor-Prüfstand mit eingebautem TEG erzeugt jetzt etwa 150 W.

Der Tischdemonstrator – das Schüler-TEG

Zur Demonstration dieses höchst umweltrelevanten Themas haben Schüler des Goethe- Gymnasiums Karlsruhe im Seminarkurs Baden- Württemberg im Schülerlabor OJW einen einfach funktionierenden Thermoelektrischen Generator, Schüler-TEG (Tischmodell), zur Anwendung für Heißluft und Kühlwasser gebaut. An diesem Beispiel des Schüler-TEG sei der Ablauf des Teilprojektes beschrieben. Zur thematischen Recherche und Einarbeitung ins Thema konnte die Bachelorarbeit von Marvin Knöchelmann genutzt werden, die samt der nötigen Messtechnik auch für Schüler verständlich ist (Potenziale der Thermoelektrik für mobile Anwendungen).

Der Schüler-TEG besteht aus einem thermoelektrischem Modul (TEM) mit angeflanschten Wärmetauschern aus jeweils einer Heiß- und Kalt-Kammer. Somit entsteht ein Einzel-TEG. Als Heißquelle kann ein Heißluft-Föhn dienen. Zum Kühlen ist Leitungswasser ausreichend. Mit diesem Tischgerät können Schüler bei verschiedenen Differenztemperaturen (z. B. einstellbarer Föhn, verschiedene Wassertemperaturen) im TEM entstehende elektrische Spannungen (umrechenbar in elektrische Leistung) messen. Weitere Parameter können sein: Wärmeübergang an Grenzflächen, z. B. Einsatz von Wärmeleitpaste zwischen TEM und Wärmetauscher- Oberfläche oder Anpressdruck.

Ablauf des Baus des Schüler-TEG

Die Schüler erstellten unter Anleitung eine Konstruktionszeichnung für den Schüler-TEG. Für den Bau galt es, bei der Beschaffung vorhandene Materialien zu suchen und zu nutzen (Wieder- und Weiterverwenden). Zu den neu zu beschaffenden Materialien gehörten hauptsächlich ein bzw. mehrere TEM. Die verwendeten handelsüblichen TEM konnten zu 50 Euro je Stück durch das Schülerlabor gekauft werden. Nach gründlicher Einarbeitung in die zum Bau des TEG notwendigen Maschinen (z. B. Drehbank, Schweißgeräte u. a.) durften die Schüler selbstständig unter Aufsicht arbeiten. Innerhalb von drei Monaten entstand so ein zweiteiliger Wärmetauscher, der mit einem Heißluftföhn auf der Warmseite und der Wasserkühlung auf der Gegenseite und mit TEM dazwischen auf Anhieb funktionierte. Undichtigkeitsprobleme wurden nachgebessert. Jetzt konnten die zuvor geplanten Messreihen durchgeführt werden: Variation der Differenztemperatur, Einfluss des Wärmeübergangs TEM zum Wärmetauscher (Wärmeleitpaste), und Einfluss des Anpressdruckes zwischen TEM und Wärmetauscher. Die Messergebnisse wurden interpretiert und diskutiert. Empfehlungen für neue Messreihen wurden vorgenommen. Die Ergebnisse wurden in einer Präsentation vor Lehrern, Fachleuten und Schülern präsentiert. Ein Abschlussbericht stellt dieses Teilprojekt detailliert dar. Die erreichte Leistung des Schüler- TEG beträgt 10 W.

Das gesamte Teilprojekt war, wie auch die folgenden Teilprojekte zu diesem Thema, notenrelevant und curricular eingebunden. Weitere Schülerteams führen zurzeit am Schüler-TEG sowie auch am Motorstand im Schülerlabor weitere Messungen sowie bauliche Verbesserungen durch.

Zum Bau des Schüler-TEG waren und sind bei Nachbau durch andere Schülergruppen folgende Arbeitsschritte erforderlich: Recherche und Einarbeitung ins Thema, Planung eines Wärmetauschers (Konstruktion, Materialien, nötige Verarbeitung z. B. Fügen, Überprüfung der Dichtigkeit, Recherche zum nötigen TEM), Bau, Erprobung und Verbesserung, Dokumentation und Präsentation. Der Schüler-TEG ist für Schüler unter Betreuung und Anleitung nachbaubar und nutzbar. Des Weiteren entstand im Rahmen eines Theo- Prax-Projektes von einem Schülerteam in der Science Academy Baden-Württemberg 2013 in Zusammenarbeit mit der OJW ein Lehrfilm zum Seebeck-Effekt, der von allen Schulen und Interessierten genutzt werden kann. (Download auf www.theo-prax.de unter Lehrmaterialien)

Kompetenzzuwachs und Lernergebnisse

Zu erarbeiten sind neben Theorieinhalten des Umwandlungsprozesses von Wärmeenergie in elektrische Energie vor allem: Physikalische Grundlagen der Wärmelehre (Thermodynamik, Messtechnik), Halbleiterphysik, Nutzung der vorhandenen und ungenutzten Energieressourcen aus dem Alltag, ganzheitliche Betrachtung bei Energieumwandlung, technische Grundlagen, umweltgerechtes Konstruieren, systemisches Denken, Interdisziplinarität, und Problemlösungsfähigkeit.

Neben den forschungsrelevanten Projektergebnissen führt dieses Projekt zur Sensibilisierung für Umweltfragen an täglichen Verschwendungen und der Nicht-Nutzung vorhandener Ressourcen. Schüler lernen an konkreten Aufgaben- bzw. Problemstellungen technische, wirtschaftliche, umweltliche und soziale Zusammenhänge zu bedenken und so für eine nachhaltige Entwicklung zu sorgen.

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Die Faszination des Wattenmeeres durch selbstgesteuertes Experimentieren und Modellieren zu entdecken und nachhaltige Handlungsdispositionen im Hinblick auf dieses einzigartige Weltnaturerbe zu entwickeln, ist das Ziel des Lernlabors Wattenmeer in Oldenburg. Im März 2014 wurde dieser außerschulische Lernort an der Carl von Ossietzky Universität als ein Gemeinschaftsprojekt zwischen der Fachdidaktik Biologie und der Fachwissenschaft Meeresforschung (Institut für Chemie und Biologie des Meeres, ICBM) eröffnet.

Jeden Donnerstag erhalten Schüler der Sekundarstufe I die Möglichkeit, in den Laboren der Meeresforscher zu ausgewählten Forschungsthemen selbstständig zu arbeiten (z. B.: Einfluss der biotischen und abiotischen Faktoren auf die Filtrationsleistung von Miesmuscheln / Extraktion von Mikromüll aus Kosmetikprodukten und Entwicklung nachhaltiger Handlungsdispositionen / Bestimmung, Systematisierung und Modellierung von Plankton / Ozeanversauerung als Folge der anthropogen bedingten CO2-Zunahme in der Erdatmosphäre). Weitere Themen finden Sie auf unserer Internetseite: www.lernlabor-wattenmeer.de). Die Themenpalette wird stets in Zusammenarbeit mit den Meeresforschern erweitert und orientiert sich an vielen aktuellen Forschungsgebieten aus der Biologie, Physik und Chemie. Ziel ist es, aktuelle Forschungsfragen aus der Meeresforschung didaktisch derart zu reduzieren, dass Schüler die Themen selbstgesteuert im Labor bearbeiten können und die faszinierenden Phänomene des Ökosystems Wattenmeer entdecken. Gleichzeitig sollen die Schüler für Bedrohungen und Schutzmaßnahmen sensibilisiert werden. Auf diese Weise kann es gelingen, Schülern naturwissenschaftliche Arbeitsweisen zu vermitteln, die in der Schule häufig aus zeitlichen und räumlichen Gründen keinen Platz finden. Dabei wird der Ansatz des forschend-entdeckenden Lernens genutzt, um das Hypothesen generierende Experimentieren sowie das reflektierte Modellieren zu üben. Durch das forschend-entdeckende Lernen gewinnen Schüler Methodenkompetenz und ein Verständnis für das Vorgehen der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung. Gleichzeitig wirkt der Ansatz motivierend auf die Schüler, da diese im Labor ihre eigenen Kompetenzen erkennen, weitestgehend autonom arbeiten und dennoch in ein soziales Gefüge eingebunden sind. Schüler können u. a. ihre eigenen Ideen zu ausgewählten Phänomenen des Wattenmeeres formulieren, Hypothesen entwickeln und Untersuchungsmodi planen, mit denen sie ihre Ideen und Hypothesen testen können. Im Anschluss an jede Experimentiereinheit findet eine Fehleranalyse statt, aus der heraus neue Fragestellungen resultieren können, die wiederum selbstständig beforscht werden oder von den Lernbegleitern des Lernlabors aufgegriffen werden. Aus bisherigen Untersuchungen zur Experimentierkompetenz von Schülern ist bekannt, dass Schüler insbesondere hinsichtlich der Generierung von Hypothesen und der Planung von Experimenten unter Berücksichtigung mehrerer Variablen und des Kontrollversuches Schwierigkeiten aufweisen. Diesen Schwierigkeiten kann im Lernlabor optimal begegnet werden, da die Schüler zum einen Zeit und Raum für ein selbst-entdeckendes Experimentieren erhalten und zum anderen durch gut ausgebildete Studierende begleitet und individuell gefördert werden. Jeweils 1-2 Studierende begleiten 4-6 Schüler, so dass eine optimale Förderung der naturwissenschaftlichen Kompetenzen erfolgen kann.
Elementar für das Konzept ist, dass durch die Kooperation von ICBM und Biologiedidaktik stets direkt auf aktuelle Ergebnisse aus der Forschung zugegriffen werden kann, die entscheidende Bedeutung für die Lebenswirklichkeit und das Lebensumfeld der Schüler haben. Durch das Kennenlernen des Berufsfeldes „Meeresbiologie“ findet gleichzeitig ein Einblick in einen bis dahin häufig unbekannten Beruf statt.

Der Besuch im Lernlabor Wattenmeer zielt zusätzlich darauf, dass Systemverständnis von Schülern zu fördern. Am Beispiel des Lebensraumes Wattenmeer wird den Schülern gezeigt, dass ein Ökosystem nicht durch die im Unterricht vermittelten Einzelaspekte, sondern als komplexes System mit vielen abiotischen und biotischen Wechselwirkungen funktioniert. Es soll das systemische Denken gefördert werden, indem die Schüler erkennen, dass das Wattenmeer als ein Teil der Weltmeere von unterschiedlichen Interessengruppen genutzt und zum Teil strapaziert wird (Öl-Förderungsindustrie, Windkraftanlagen-Industrie, Fischerei-Industrie, Tourismus, Lebensumfeld spez. Pflanzen- und Tierarten usw.). An dieser Stelle werden die Schüler aufgefordert, nachhaltige und nicht-nachhaltige Nutzungsformen und Interessen zu erkennen und diese gegeneinander abzuwägen. Dies geschieht in Form von Rollen- oder Planspielen , in denen die unterschiedlichen gesellschaftlichen Interessengruppen und ihre jeweiligen Anliegen, die sie mit dem Weltnaturerbe Wattenmeer verbinden, erarbeitet und gegebenenfalls verteidigt werden. Die jeweiligen Interessen werden anschließend im Diskurs reflektiert und nachhaltige bzw. nicht nachhaltige Urteile und Handlungsoptionen der Stakeholder gegeneinander abgewogen und hinsichtlich ihrer Folgen für Gesellschaft und Natur betrachtet. Neben der Vermittlung basaler naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen steht damit die Förderung ethischer Bewertungskompetenz im Hinblick auf Fragen nachhaltiger Urteils- und Handlungsweisen im Vordergrund. Übergeordnetes Ziel ist es also, Schülern über die Vermittlung eines Systemverständnisses die Auswirkungen nachhaltigen und nicht-nachhaltigen Urteilens und Handelns zu verdeutlichen und die Argumente unterschiedlicher Interessensgruppen im Hinblick auf die Nutzungsmöglichkeiten der marinen Ökosysteme zu veranschaulichen. Dazu werden Themen wie z.B.“Mikro- und Makromüll-Belastung der Meere“, "Ölverschmutzung und Reinigung von Vogelfedern" oder „Ozeanversauerung“ zunächst experimentell erschlossen und anschließend im Rahmen von Dilemma-Diskussionen oder Rollenspielen in ihren ursprünglichen Kontext zurückgeführt und Handlungsoptionen für nachhaltige Lebensstile entwickelt und gegen nicht-nachhaltige Lebensstile abgewogen. Ziel ist es, Schüler für einen verantwortungsvollen Umgang mit dem Weltnaturerbe Wattenmeer zu sensibilisieren und die Einzigartigkeit und Schutzwürdigkeit dieses Ökosystems zu vermitteln.

Zusammenfassend werden den Schülern Kenntnisse über fachliche Grundlagen zum Themenbereich Wattenmeer vermittelt(z.B. Was ist Plankton? Wie ernähren sich Miesmuscheln? Wie gelangt Mikromüll ins Meer? Welche Arten leben im Wattenmeer?), naturwissenschaftliche Arbeitsweisen selbstständig geübt (z.B. Hypothesen generierendes Experimentieren, Modellieren, Beobachten, Mikroskopieren und Messen zur Erforschung der Phänomene des Wattenmeeres) und die ethische Bewertungs- und Handlungsfähigkeiten in Bezug auf Fragen nachhaltiger und nicht-nachhaltiger Entwicklung gefördert (z.B. Wie lässt sich die Produktion von Miko- und Makromüll im Alltag reduzieren? Wie vermeide ich die Nutzung von Plastik? Welche Maßnahmen zum Schutz von Organismen des Wattenmeeres sind nachhaltig? Welche Lebensstile haben Auswirkungen auf das Ökosystem Wattenmeer).

Das Angebot ist für unterschiedliche Interessengruppen interessant. Es richtet sich an Schüler, Studierende und Lehrkräfte sowie Vertreter der Nationalparkhäuser im und am Wattenmeer. Im Lehr-Lern-Labor werden die Schüler beim selbstgesteuerten Forschen von Studierenden des Lehramts Biologie begleitet, die in erfolgreich zu absolvierenden Begleitveranstaltung des Masterstudienganges in die Grundlagen des forschend-entdeckenden Lernens, des Hypothesen generierenden Experimentierens, des Diagnostizierens und Förderns von Lernprozessen und der Konzeption einer Lernsequenz eingeführt wurden. Neben der Förderung naturwissenschaftlicher und ethischer Kompetenzen der Schüler steht somit auch das Fördern des Professionswissens und -handelns angehender Lehrkräfte im Fokus des Lehr-Lern-Labors. Durch die Verknüpfung dieser zwei Ebenen kann eine individuelle Förderung der Schüler durch motivierte und gut ausgebildete Studierende im Lehr-Lern-Labor gewährleistet werden. Darüber hinaus werden im Rahmen von Lehrerfortbildungen die stets neu entwickelten Themenkonzepte erfahrenen Lehrkräften zum eigenen Ausprobieren vorgestellt und Besuche im Schülerlabor gezielt vorbereitet. Die jeweils besten neu entwickelten Lernarrangements werden in das fortlaufende Programm des Lernlabors aufgenommen, das aktuelle Angebot kann auf unserer homepage (www.lernlabor-wattenmeer.de) eingesehen werden.

Zum sicher zu stellen, dass die oben dargestellten Ziele, die mit dem Besuch im Lernlabor Wattenmeer verbunden sind, tatsächlich erreicht werden, flankieren drei Doktorarbeiten die dargestellten Tätigkeiten. Diese der AG Biologiedidaktik Oldenburg zugehörigen Forschungsvorhaben werden im Rahmen zweier Telekomprojekte und eines DBU Projektes gefördert. Im Zentrum steht der Untersuchungen steht die Evaluation der fachdidaktischen Kompetenzentwicklung von Studierenden, die Schüler beim Lernen im Lernlabor Wattenmeer begleiten. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung von Experimentier- und Diagnosekompetenz von Studierenden. Es konnte bereits festgestellt werden, dass insbesondere die Fähigkeiten der Studierenden, Lernfähigkeiten und -schwierigkeiten von Schülern beim Experimentieren zu diagnostizieren, durch das wiederholte Begleiten der Lernprozesse im Lernlabor verbessert werden konnten (Dissertationen Lea Brauer, Julia Warnstedt). In der jüngst gestarteten Dissertation von Bianca Kuhlemann steht die Fragestellung im Vordergrund, wie sich die Fähigkeit, Lernarrangements zu planen, durch praktische Lehrerfahrungen im Lernlabor Wattenmeer aufbaut. Mehr zu unseren Forschungsarbeitern erfahren Sie unter:
www.uni-oldenburg.de/ibu/biodidaktik/forschung/

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Inhalt unseres BNE-Angebots

Die ostfriesische Küstenlandschaft wurde im Laufe der Jahrtausende durch den Klimawandel geprägt. In einer Zeitreise sind die Auswirkungen des Meeresspiegelanstieges und das Handeln der Küstenbewohner im Wechsel der Gezeiten zu erleben.

Das Projekt bietet durch den regionalen Bezug auf einen küstennahen Standort und den hohen Realitätsbezug vielfältige Anknüpfungspunkte zum Umwelterleben der Kinder und gewährleistet damit einhergehend eine hohe Motivation der Teilnehmer. Dabei sind die Inhalte didaktisch vorrangig für Grundschüler aufbereitet und fügen sich nahtlos in die entsprechenden curricularen Vorgaben der Jahrgänge 4-5.

Um Grundschulkinder zu befähigen, die Zukunft der Gemeinschaft, in der man lebt, aktiv im Sinne nachhaltiger Entwicklung modellieren und mitgestalten zu können, bedarf es in Anlehnung an das Konzept der Gestaltungskompetenz des Aufbaus folgender für die Grundschule abgeleiteter Teilkompetenzen: „Vorausschauendes Denken und Handeln“, „Weltoffen wahrnehmen“, „Interdisziplinär arbeiten“, „Verständigen und kooperieren“, „Planen und agieren“, „Gerecht und solidarisch sein“, „Motiviert sein und motivieren können“ sowie „Lebenstil und Leitbilder reflektieren“ (vgl. de Haan 2009).
Neben der Durchdringung ökonomischer, ökologischer und sozialer Zusammenhänge benötigt die Verwirklichung von Nachhaltigkeit eine „Technikentwicklung“ (Banse 2003) auch im Sinne einer „geistigen Bewältigung der Technik“ (vgl. Schmayl 2013).
Der in diesem angeleiteten Projekt zur Verfügung gestellte Erfahrungsraum, der nicht nur die fachliche Durchdringung technischer Zusammenhänge, sondern auch die Verständigung über deren gesellschaftliche Bedeutung fördert, erlaubt den Kindern, eigene Kriterien zu finden, technische Entwicklungen im gesellschaftlichen Kontext zu beurteilen und ermöglicht, „die eigene Lebensführung ins rechte Verhältnis zur Technik zu setzen“ (vgl. Schmayl 2013).

Zu Beginn des Projektes erkennen die Kinder spielerisch das Zusammenwirken von Sonne, Mond und Erde, indem die Größenverhältnisse, Entfernungen und Umlaufzeiten sowohl durch Drehbewegungen des eigenen Körpers wahrgenommen als auch durch den Einsatz von Modellen erfahrbar gemacht werden.
Im weiteren Verlauf bietet sich für Grundschulkinder aus entwicklungspsychologischer Sicht die Methode einer Phantasiereise an: Mittels einer Zeitmaschine werden verschiedene Stationen der ostfriesischen Küstenlandschaft der letzten 10000 Jahre als gegenwärtig erlebt, die dann vorliegenden Verhältnisse analysiert und die jeweilige Zukunft aktiv gestaltet. Auf diese Weise werden „Kreativität, Phantasie und Imaginationsvermögen“ angeregt und als wichtige Elemente der Teilkompetenz „Vorausschauend Denken und Handeln“ gefördert (vgl. de Haan 2009).

An Wassertischen mit einer modellierten Küstenlandschaft werden Ebbe, Flut und Sturmflut erzeugt und die Wechselwirkungen zwischen Mensch und Natur durch Erproben eigener Ideen und Lösungsansätze erfahren.
Beginnend vor 10000 Jahren wird von den Kindern erkannt, dass man von Ostfriesland aus trockenen Fußes nach England hätte wandern können und ein Bezug zur Veränderung des Wasserkreislaufs und der Bildung großer Eismassen im Norden hergestellt. Der Anstieg des Meeresspiegels seit der letzten Eiszeit wird anhand von am Rand des Wassertisches befindlichen Eiswürfeln kennengelernt, deren Schmelzwasser in den Tisch abfließt, so dass der Meeresspiegelanstieg vorerst auf das Abschmelzen von Eismassen auf dem Festland zurückgeführt wird.

Das Versinken der Doggerbank im Meer bietet hier erstmals die Gelegenheit zu erfahren, ob das Versinken einer Insel im Meer heute für die Kinder noch vorstellbar ist? Bezüge zu vom Meeresspiegelanstieg bedrohten Gebieten wie beispielsweise in Bangladesch sind hier möglich.

Die Kinder erkennen und benennen die Bereiche Nordsee, Watt, Marsch und Geest sowie deren unterschiedlichen Eigenschaften beispielsweise in Bezug auf Badezeiten, Wattwanderungen aber auch landwirtschaftlicher Nutzung und Schifffahrt. Im Anschluss werden Ebbe und Flut mithilfe einer Wellenmaschine von den Kindern selbst erzeugt und die Auswirkungen auf die vorher genannten Bereiche beschrieben. Dass im Widerspruch zum Modelltisch die Bewegungen der Wassermassen in der Realität nicht menschengemacht sind, führt zwangsläufig zur Frage nach deren Ursache? Vorerfahrungen der Kinder bringen häufig den Einfluss des Mondes ins Spiel. Spätestens der Impuls, eine Holzkugel in den Wassertisch fallenzulassen, regt die Kinder zur Beschreibung der Erdanziehungskraft an. Doch wodurch wird der Mond daran gehindert, auf die Erde zu fallen? Im Folgenden werden den Kindern mit dem Fokus auf das eigene körperliche Erleben unterschiedliche Zugänge angeboten, Fliehkräfte zu erfahren: Vom Karussell-Modell über Drehspiele werden Anziehungs- und Fliehkräfte in den eigenen Armen gespürt und anhand wehender Harre wieder entdeckt. Die Wirkung beider Kräfte wird hierbei stets auf die Bewegung von Erde und Mond übertragen. Der gemeinsame Drehpunkt eines solchen Systems wird beim Drehspiel ebenso erkannt wie die Notwendigkeit eines Gleichgewichts zweier Kräfte beim Tauziehen, um beispielsweise eine Kugel - den Mond - auf seiner Position zu halten.

Im nächsten Schritt werden diese Kraftwirkungen auch auf die Wassermassen der Erde übertragen und als ursächlich für die als Hochwasser bezeichneten Flutberge erkannt.
Die Begrifflichkeiten Hoch- und Niedrigwasser sowie Flut, Ebbe und Tidenhub werden spielerisch und anhand von Modellen gefestigt.

Zurück am Wassertisch reisen die Kinder in die Zeit der Germanen und besiedeln die Modelllandschaft, wobei die platzierten Häuser dem Wechsel von Ebbe, Flut und Sturmflut bei stufenweise steigendem Meeresspiegel ausgesetzt sind.

Die so herbeigeführte Identifikation der Kinder mit den Küstenbewohnern sorgt bei Überschwemmung der Häuser für spürbare Betroffenheit. In diesem Zusammenhang wird methodisch die Möglichkeit eines kurzen Rollenspiels genutzt, wodurch die Kinder aus der Perspektive verschiedener Küstenbewohner wie Bauer, Bäcker, etc. die Auswirkungen von Salzwasser auf die Fruchtbarkeit des Bodens besprechen. An diesem Punkt wird ein Experiment zur Wärmeausdehnung von Wasser gestartet und über die Projektdauer beobachtet, so dass den Teilnehmern eine weitere Folge der Erderwärmung deutlich wird.
Die zunehmende Gefährdung durch den Meeresspiegelanstieg bringt kreative Lösungsansätze der Kinder hervor und führt über die Abschätzung der Lebensqualität in Marsch oder Geest über Wurten und Ringdeiche hin zu einem Deich entlang der gesamten Küstenlinie. All diese Ansätze werden über viele Stationen innerhalb der Zeitreise im steten Wechselspiel der Gezeiten bei steigendem Meeresspiegel erprobt, analysiert und erweitert.

Ist diese Idee geboren, erfahren die Kinder die Kraft von Wassermassen, indem Sie an speziellen Wassertischen versuchen, mit Steinwürfeln- und quadern sowie Sandsäcken einen Deich zu bauen, der steigenden Fluten standhält. Darüber hinaus wird die Kraft der Wellen mithilfe eines Kugelbahnmodells dargestellt und experimentell die Frage geklärt, welche Deichform am stabilsten bezüglich der Orientierung der flachen oder steilen Seite zum Meer ist.

Nach Einsetzen des Deiches in die Modelllandschaft feiern die Bewohner ein Deichfest und es beginnt tagelang zu regnen. Die Kinder erkennen das nicht abfließende Regenwasser als Problem und entwickeln Lösungsansätze, um die Gefahr erneuter Überschwemmungen zu verhindern.

Über Tore zur Entwässerung, Nutzung der Windkraft in Verbindung mit einer archimedischen Schraube, die Verwendung von elektrischen Pumpen bis hin zu Sielklappen werden die jeweiligen Funktionen sowie Vor- und Nachteile an der Modelllandschaft erfahrbar gemacht.
Im weiteren Verlauf des Projektes wird spielerisch die Notwendigkeit von beispielsweise Sieltor- und Schiebetorschleusen in Bezug auf ökonomische Aspekte wie Handel und Schifffahrt erkannt und die unterschiedlichen Schleusen im Rahmen von vorbereiteten Kurzvorträgen der Kinder untereinander vorgestellt und demonstriert.

Das Projekt soll die Beziehung zur eigenen küstennahen Lebenswelt und die Fähigkeit, zukünftige regionale und globale Veränderungen diesbezüglich beurteilen zu können, fördern. Auf der individuellen Handlungsebene entwickeln Kinder Kompetenzen zur Beurteilung und Gestaltung technischer Aspekte ihres Alltags, die auf höheren Handlungsebenen des gemeinschaftlichen Lebens anschlussfähig sind und in soziale, ökonomische, ökologische und politische Haltungen einfließen.

Weitere znt-Angebote im Bereich BNE:
http://www.znt-aurich.de/themenangebote/themenueberblick/

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BNE Praxisseminare "Smart Grid" (Energieversorgung) und „Klimawandel“

Studienseminar mit Schülerbeteiligung und/oder Schülerlabor-Veranstaltung im PhysLab
Seminare können von Schulen nicht gebucht werden!
Schülerarbeitsblätter werden im Semester aus dem Skriptmaterial erstellt. Sind aber auch teilweise standardisiert vorhanden.

Einführung

In der Vergangenheit sind zwei BNE Praxisseminare mit den Themen „Smart Grid“ und „Klimawandel“ durchgeführt worden. In beiden haben StudentInnen Unterrichtseinheiten für die Schule auf Basis der Berliner Rahmenlehrpläne (Klasse 9/10) entwickelt.
Für die teilnehmenden SchülerInnen war es die Gelegenheit, den „Physikunterricht“ einmal anders zu erleben. Diese Veranstaltungen fanden im Rahmen des Schülerlabors PhysLab statt.

Es gibt zwei unterschiedliche Veranstaltungen: Zum einen das didaktische Seminar mit breiter Kompetenzförderung bei den Schüler, zum andern das Schülerlabor mit fachlicher Ausrichtung.

Seminar im Schülerlabor

Bei dem Seminar „Klimawandel geht es um die Hintergründe der Erderwärmung und die Verwendung von regenerativen Energieformen. Die zentrale Frage lautet: "Warum sollten wir regenerative Energieformen vermehrt nutzen, obwohl es effizientere Methoden bei der herkömmlichen Energiegewinnung gibt". Zum Verständnis der Thematik werden im Rahmen des Seminars auch Experimente zu den Ursachen der Erderwärmung und zu regenerativen Energien vordurchgeführt.

Zur praktischen Anschauung kann die Solarzellenanlage von UniSolar Berlin auf dem Dach der FU (Rostlaube) besichtigt werden.

Das Themenfeld „Smart Grid“ lässt sich im Unterricht aus verschiedenen Perspektiven betrachten. Aufgrund seiner hohen Umweltrelevanz eignet es sich zum Aufbau einer „Bildung für nachhaltige Entwicklung“ (BNE) und zur Förderung von (naturwissenschaftlicher) Gestaltungskompetenz. Auf der anderen Seite fokussiert es stark auf Zukunftstechnologien. Als Beispiel für eine aktuelle technologische Entwicklung wird das „intelligente“ Stromnetz untersucht.

Die StudentInnen bereiten in diesem Seminar eigenständig in Gruppenarbeit eine Unterrichtsdoppelstunde zum genannten BNE Thema vor – von der Konzeption und Planung bis zur Durchführung. Dieser Unterricht wird anschließend mit Schülergruppen, die das Schülerlabor Phys¬Lab besuchen, erprobt.

Neben den physikalischen Aspekten werden auch gesellschaftskritische Fragen betrachtet. Am Praxistag im Schülerlabor beobachten die StudentInnen die Lehr-Lern-Prozesse der MitstudentInnen, die sich in Betreuende und Beobachter aufteilen und der SchülerInnen. Im Anschluss werden diese Prozesse kritisch reflektiert und ausgewertet. Ziel ist es, für die SchülerInnen eine dazu passende Methode der Bewertungskompetenz zu entwickeln und diese im Anschluss an den Experimentierzyklus zu testen. Hieraus ergeben sich Ansatzpunkte für die Verbesserung des Unterrichtskonzeptes.

Die Studierenden erwerben im Rahmen dieses Praxisseminars erste Erfahrungen mit Bewertungskompetenz, also der Vernetzung von Fachphysik mit gesellschaftlich bedeutsamen Themen. Dies wird aktuell ergänzt um den Umgang mit Schülervorstellungen, so dass die SchülerInnen mit besonderer Rücksichtnahme auf ihre Vorerfahrungen Unterricht erleben können. Speziell zum Thema Treibhauseffekt, aber auch zu den Umwandlungsprozessen in der Atmosphäre gibt es nämlich teils schwerwiegend von der wissenschaftlichen Sicht abweichende Schülervorstellungen. Dies sind aber Prinzipien des Klimawandels, die einen direkten Bezug zum täglichen Umgang mit Ressourcen haben. Nur, indem auf diese Schülervorstellungen Bezug genommen wird und, etwa mittels conceptual change Ansätzen, daran angeknüpft, umgedeutet oder damit konfrontiert wird, kann nachhaltiger und handlungswirksamer Lernerfolg gelingen.

Nutzen für die Schülerinnen und Schüler

SchülerInnen bekommen durch diese Veranstaltung einerseits einen fachlichen Einblick in die verschiedenen Gebiete der Regenerativen Energien, in die Ursachen und Folgen des Klimawandels und in die Funktionsweise von Energienetzen. Andererseits lernen sie durch die vorherige thematische Einführung, die Experimente bzw. deren Nutzen von regenerativen Energien und von Energienetzen ökologisch und gesellschaftlich besser einzuschätzen. Sie beurteilen Nutzen und Risiken, erlangen die Fähigkeit einer Risikobeurteilung, erörtern Handlungsoptionen und eignen sich interdisziplinäre Kenntnisse an. Sie erlangen Gestaltungskompetenz und Bewertungskompetenz. Unterstützt wird dies durch Rollenspiele und Szenariotechnik.

Gesellschaft und Wirtschaft

Das Smart Grid lässt sich in Bezug auf seinen Aspekt als Versorgungsnetz elektrischer Energie aber auch aus einer rein physikalisch-technischen Perspektive betrachten. Dazu sollten im Unterricht insbesondere die Aspekte der Energieerzeugung, des Transports und die Speicherung elektrischer Energie thematisiert werden, sowie die potentiellen Auswirkungen auf die Gesellschaft. Konkrete Fragen sind zum Beispiel: „Was ist aus physikalischer Sicht mit „Verbrauch“ und „Erzeugung“ elektrischer Energie gemeint? „Was sind „regenerative“ Energien?“, „Was sind die Vor- und Nachteile einer Wechselstrom- oder Gleichstromübertragung?“, „Welche Mechanismen der Energieentwertung sind dabei bedeutsam?“ oder „Welche Probleme entstehen bei der Energieeinspeisung in das Versorgungnetz, und warum ist die Frequenzstabilität von 50 Hz dabei von so hoher Bedeutung?“
Smart Grid ist mehr als nur eine Zusammenführung aller Stromerzeuger. Angefangen vom einfachen Solarzellen-Modul und einzelner Windkraftanlagen über das Braunkohlekraftwerk bis hin zum Kernkraftwerk.
Um die Umgestaltung der elektrischen Energieversorgung mit einer neuen Netzstruktur zu koordinieren und zu realisieren, die sowohl alle einspeisenden Energiequellen berücksichtigt als auch die Steuerung der Energieverbraucher für eine günstige Auslastung der Versorgungsnetze vorsieht, ist ein neuartiges, „intelligentes“ Energieversorgungssystem geplant, das sogenannte Smart Grid, das so noch gar nicht existiert. Zu diesem Smart Grid gehört auch die komplexe Steuerung und Messdatenerfassung zwischen Erzeugern und Verbrauchern. Für die Datenerhebung und Prognose ist der Einsatz von sogenannten „Smart Metern“ vorgesehen, die die Daten der Geräte in den einzelnen Haushalten, aber auch in Industriebetrieben und anderen Großeinrichtungen flächendeckend erfassen und an den Betreiber des Energienetzes weiterleiten.
Doch nicht nur eine optimale und wirtschaftliche Auslastung des zukünftigen Versorgungsnetzes ist das Ziel der Energiewende, sondern es geht auch um das Nutzerverhalten und die Verbrauchsdaten der einzelnen Geräte, die sogar „Begehrlichkeiten“ an den Daten hervorrufen. Für die Energieversorgungsplanung werden prinzipiell nicht die Daten jedes einzelnen Haushalts benötigt, sondern es genügen die Erhebungen von Straßenzügen oder gleichgearteten Siedlungen. Bei so einem massiven Eingriff in die geschützte Privatsphäre im „Smart Home“ dürfen Fragen des Datenschutzes nicht vernachlässigt werden.

Die Experimente

Um sich dem Themenkomplex Smart Grid aus physikalischer Perspektive nähern zu können, haben wir eine Reihe Experimenten weiter entwickelt und im Rahmen von universitären Praxisseminaren mit Schulklassen unterrichtlich erprobt. Die Bandbreite dieser Experimente reicht vom Einsatz handbetriebener Generatoren über die Verknüpfung regelbarer Spannungsquellen bis hin zu „Hochspannungsleitungen“, bei denen z. B. die Überlastungssituation simuliert wird. Für all diese Experimente wurden die Anleitungen in Form von Skripten zusammengestellt, die im Internet frei zur Verfügung stehen. Die Anleitungen sind bewusst kurz gehalten (pro Experiment eine DIN A4-Seite). Die eingesetzten Materialien sollten sich (wie beschrieben oder in ähnlichen Varianten) in jeder schulphysikalischen Sammlung finden. Bei einigen Experimenten erweist sich der Einsatz einer Wärmebildkamera als sinnvoll. Die Anleitungen enthalten als Ankerpunkte jeweils eine kontextbezogene Fragestellung, eine Materialliste, bebilderte Versuchs- bzw. Durchführungsbeschreibungen, Hinweise auf die Ergebnisse und die Auswertung sowie weitere Anmerkungen.
Das Smart Grid wurde entwickelt, um die ungleichmäßige Einspeisung von sehr unterschiedlichen Stromerzeugern zu koordinieren. In diesem Zusammenhang wurden einige Experimente zur Erzeugung von regenerativer Energie entwickelt. Es wird zum Beispiel die Stromerzeugung mit Solarzellen untersucht. Solarzellen können auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden werden: als Parallelschaltung oder als Reihenschaltung. Weiterhin wird untersucht, wie eine Windkraftanlage einen Akkumulator auflädt oder ein mit Wasser gefülltes Speicherbecken betreibt. Weitere Versuche beziehen sich auf thermoelektrische und chemische Eigenschaften zur Erzeugung von Strom.
Da der Energiemarkt sich nicht nur auf den Strombereich bezieht, wird dieses Spektrum mit einem Solarkollektor für den Bereich der regenerativen Warmwassererzeugung ergänzt.
Die Experimente zum Klimawandel werden im Modell durchgeführt, mit denen die Hintergründe der Erderwärmung nachvollzogen werden können. Dazu gehören Experimente zur Wärmeabstrahlung der Erde, zur Absorption von Sonnenlicht an der Erdoberfläche und zu den Auswirkungen der Eisschmelze an den Polen bzw. der Gletscher.

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