Ausgangssituation & Herausforderungen:
Die exponentiell anwachsende Weltbevölkerung sowie der energie- und ressourcenintensive Lebenswandel - insbesondere der Industrieländer - sind Ursache aktueller gesellschaftlicher Herausforderungen und bedingen die Notwendigkeit eines zielgerichteten Umweltschutzes. Die Forderung, Verfahren und Produkte zukünftig nachhaltiger zu gestalten, wird zunehmend dringlicher und dahingehend zu einer der zentralen Aufgaben eines Umweltschutzes, der zielgeleitet agiert und einen Prozess hin zu technischen Neu- und Weiterentwicklungen nicht nur in Wirtschaft und Industrie forciert, sondern alle Lebensbereiche unserer Gesellschaft im Fokus hat, insbesondere den Bildungsbereich, mit dem Ziel, eine allgemeine und frühe Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) zu ermöglichen und zu fördern. Mit dem Profilfach Naturwissenschaft und Technik (NwT) wurde im Schuljahr 2007/2008 an den allgemeinbildenden Gymnasien in Baden-Württemberg ein neuartiges interdisziplinäres Unterrichtsfach eingeführt, in dem Schülerinnen und Schüler (SuS) in projektorientierten Lehr- und Lernarrangements naturwissenschaftliche und technikwissenschaftliche Problem- und Fragestellungen fächerübergreifend bearbeiten und diese mit soziologischen, ökonomischen und ökologischen Aspekten verknüpft werden. Dieses Unterrichtssetting ermöglicht den SuS gemäß dem Ansatz des Problem-based learning (PBL) den Erwerb fächerübergreifender inhalts- und prozessbezogener Kompetenzen unter anderem durch die Planung, Realisierung und Optimierung eigenständig entwickelter und konstruierter Produkte. Das Verständnis mechanischer Zusammenhänge und Grundlagen ist hierfür unerlässlich. Die Herausforderung, Technische Mechanik in der Lehre anschaulich und einprägsam zu vermitteln, liegt darin begründet, dass wesentliche Grundelemente wie Kräfte und Spannungen selbst unsichtbar sind. Lediglich deren Wirkung kann beobachtet werden.
Hieraus leiten sich konkret folgende Herausforderungen ab, die im Projekt bearbeitet werden:
- Wie kann nachhaltiger Umweltschutz gelingen, der durch didaktische Konzepte für BNE früh bei SuS initiiert wird?
- Wie kann Technische Mechanik auf leicht zugängliche, einprägsame und für SuS spannende Weise vermittelt werden?
Zielsetzung
Gegenstand des Projekts ist eine BNE im Kontext des Unterrichtfachs NwT, mit Fokus auf die Lehrkräfteaus- und weiterbildung sowie die Interessensförderung der SuS zur Thematik nachhaltige Produktentwicklung mittels bionischen Methoden im Bereich der Technischen Mechanik. Das Projekt soll dabei auf zweifache Weise zur Umweltentlastung beitragen: Es wird davon ausgegangen, dass (1) die in den Bildungsstandards des NwT-Unterrichts vorgesehenen inhalts- und prozessbezogenen Kompetenzen durch die im Projekt entwickelten und evaluierten Lehr- und Lernmaterialien, aufbauend auf den Modellen und Methoden zur Biomechanik von Prof. Mattheck, im Kontext einer BNE veranschaulicht und fachdidaktisch eingängig vermittelt werden können. Voraussetzung hierfür sind gut aus- und fortgebildete Lehrkräfte, die als Multiplikatoren positive Wirkungseffekte in Hinblick auf die wahrgenommenen Qualitätsmerkmale des Unterrichts, die Interessens- und Motivationsentwicklung und die berufliche Orientierung der SuS erzielen. In Bezug auf die Interessensförderung und die berufliche Orientierung können mehr und gut ausgebildete MINT-Fachkräfte längerfristig nachhaltige Produktionsprozesse weiter forcieren und optimieren. (2) Eine in einem geeigneten Kontext erworbene Technikmündigkeit kann zu einer zukunftsorientierten Diskussions- und Entscheidungsfähigkeit sowie einer fundierten Bewertungskompetenz in Bezug auf die Qualität von Produkten führen. Eine damit einhergehende Verhaltensänderung bzgl. Konsum und Verbrauch von Produkten und Ressourcen durch Berücksichtigung von ökologischen Aspekten birgt Potential zu Energie- und Ressourceneinsparungen, insbesondere um den ökologischen Fußabdruck unseres Lebenswandels zu minimieren.
Das Projekt zielt auf die Vermittlung einer Gestaltungskompetenz, welche auf dem Konzept der OECD-Schlüsselkompetenzen des Referenzrahmens von 2005 basiert und im Rahmen einer BNE als Bildungsziel gesetzt wurde. Dieses sieht die folgenden Kompetenzkategorien und Teilkompetenzen der Gestaltungskompetenzen einer BNE vor: Interaktive Verwendung von Medien und Tools, Interagieren in heterogenen Gruppen, Eigenständiges Handeln. Im Projektvorhaben soll es den Schülerinnen und Schülern auf Basis dieses Kompetenzerwerbs anschließend möglich sein, langlebige bzw. hochwertig entwickelte und damit nachhaltigere Produkte von kurzlebigen bzw. minderwertigen Produkten zu unterscheiden und ihr Konsumverhalten bei der Produktauswahl entsprechend auszurichten. Ein weiterer Aspekt ist die Auswahl geeigneter Materialien bei der Produktentwicklung. Hier soll der Fokus auf der Materialherstellung auf Grundlage von nachwachsenden Rohstoffen liegen.
Die Entwicklung der Lehr- und Lernkonzepte erfolgt im Hinblick darauf, dass diese den Lernenden im Sinne des lebenslangen Lernens eine Einschätzung von vorliegenden Problemen und aktuellen Forschungsdesideraten im Bereich der Technischen Mechanik sowie der Produktentwicklung bieten sollen und gleichzeitig Lösungsansätze zur Optimierung bereitstellen. Das Projekt ist in 4 aufeinander aufbauende Arbeitspakete (AP) unterteilt, die zeitgleich oder versetzt ineinandergreifen:
AP 1: Entwicklung von Demonstratoren und didaktischen Konzepten
Als Ausgangslage dienen die von Prof. Mattheck entwickelten „Denkwerkzeuge nach der Natur“. Darauf aufbauend werden für den NwT-Unterricht adaptierte Demonstrationsmodelle entwickelt und gebaut. Hierfür wird ein Abgleich mit den inhalts- und prozessbezogenen Kompetenzen der Bildungspläne für das Fach NwT (Einpassung in den Lehrplan) und Physik durchgeführt. Zugehörige Lehr-Lernkonzepte und materialien für die didaktische Einbettung werden erarbeitet.
AP 2: Einbringen und Erproben der Modelle und Lehrmaterialien in das Lehramtsstudium
Die ersten Modelle und Lehr-Lernmaterialien werden in das Lehramtsstudium eingebracht und erprobt, Lehrkräfte(LK)fortbildungen, die Erprobung in der Unterrichtspraxis mit anschließender Evaluation der Lehr- und Lernmaterialien durch die LK und die Evaluation des Unterrichts durch die SuS werden durchgeführt.
AP 3: Evaluation, Auswertung und Optimierung
Adaption und Entwicklung der Testinstrumente zur Evaluation der Lehr- und Lernmaterialien. Durchführung von LK-fortbildungen und Erprobung in der Unterrichtspraxis mit anschließender Evaluation der Lehr- und Lernmaterialien durch die LK und Evaluation des Unterrichts durch die SuS. Die Auswertung der kontinuierlichen Evaluation dient der weiteren Optimierung.
AP 4: Transfer der optimierten Lehr- und Lernmaterialien in alle drei Phasen der Lehrkräftebildung
Transfer der optimierten Lehr- und Lernmaterialien in alle drei Phasen der LK-Bildung (Studium, Referendariat, Fortbildung). Kostenlose Bereitstellung der Lehr- und Lernmaterialien zum Download nach der Erprobungsphase. Breite Bekanntmachung der Konzepte und Materialien durch Publikationen in didaktischen Fachzeitschriften und Teilnahme an geeigneten Tagungen und Veranstaltungen.
Die Verknüpfung von Forschung und LK-Bildung im ingenieurwissenschaftlichen Bereich, mit dem Ziel eine zukunftsorientierte technische Allgemeinbildung zu etablieren, ist eine grundlegende Voraussetzung für die Wissensvermittlung und Interessensförderung an den Schulen. SuS profitieren von fachwissenschaftlich und fachdidaktisch gut ausgebildeten Lehrpersonen in den MINT-Fächern, insbesondere aufgrund der fächerübergreifenden Inhalte im interdisziplinären Unterrichtsfach NwT. Längerfristig betrachtet trägt dies zu einer Technikmündigkeit und einer Verhaltensänderung in der Gesellschaft im Sinne einer BNE bei. In der universitären Lehramtsausbildung wird häufig die fehlende Verzahnung von Fachwissenschaft und Fachdidaktik sowie der Schulpraxis beklagt. Es fehlen insbesondere geeignete innovative Modelle sowie Lehr- und Lernkonzepte, um der Breite der interdisziplinären Bildungsinhalte in NwT gerecht zu werden und das fachliche Verständnis optimal zu fördern. Des Weiteren soll das Projekt im Bereich der Technischen Mechanik, welche oftmals als sehr abstrakter und wenig interessanter Themenbereich wahrgenommen wird, die Begeisterung für die betreffenden Forschungsschwerpunkte im Kontext der Biomechanik bei den Lehramtsstudierenden, den LK und im Sinne einer Verwertungskette letztendlich bei den SuS wecken. Ebenfalls innovativ ist die gezielte Entwicklung, Evaluation und Optimierung von Lehr- und Lernmaterialien und die sich anschließende Implementation der Lerninhalte in das Fachcurriculum des Studiengangs (KIT und Universität Stuttgart). Besonderes Augenmerk soll dabei auf der Entwicklung digitaler Lehr- und Lernformate liegen, die sowohl in Situationen eingeschränkter Präsenzlehre sowie langfristig in der hybriden Lehre eingesetzt werden können und so einem breiten Publikum einen orts- und zeitunabhängigen Zugang ermöglichen. Des Weiteren hat der über LK-Fortbildungen direkte und landesweite Transfer von wissenschaftlich ausgearbeiteten und evaluierten Lehr- und Lernmaterialien in die Schulpraxis innovativen Charakter, auch dahingehend, dass das Projekt alle drei Phasen der LK-Bildung im Fach NwT fokussiert: die erste Phase der universitären Lehramtsausbildung, die zweite Phase des Zulassungsdienstes an den Seminaren und die dritte Phase, die LK-Fortbildungen. Durch die institutionsübergreifende Zusammenarbeit zwischen den Fachwissenschaften, der Fachdidaktik und Schulpraxis soll eine Breitenwirkung mit Beispielcharakter erzielt werden, die nach positiver Evaluation und Optimierung eine Übertragung auf weitere MINT-Fächer vorsieht. Ferner gehen wir von einer Stärkung der MINT-Aus- und Weiterbildung in Baden-Württemberg aus, mit bundesweitem Modellcharakter.