7. Problemzonen des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts
7.1 Vorbemerkung
Unterricht ist ein komplexes System, in dem viele Elemente bei einem hohen Tempo des sozialen Geschehens passend ineinandergreifen müssen. Der in der Regel glatte und störungsarme Verlauf des Unterrichts läßt Unterrichten oftmals als einfache und voraussetzungsarme Tätigkeit erscheinen, die nur etwas soziales Geschick verlange. Der Erfolg des Unterrichts selbst verdeckt die immense pädagogisch-choreographische Leistung, die in jeder Unterrichtsstunde der Lehrkraft abverlangt wird, wenn sie die fachliche Logik des Stoffes mit der Logik der sozialen Interaktion in der Gruppe stetig abzustimmen hat. Unterricht basiert auf einer komplexen Gesamtchoreographie, die Laien in der Regel nicht wahrnehmen. Dieses Unterrichtssystem funktioniert nicht voraussetzungslos, im Gegenteil: Es ist auf den Rückhalt in unterschiedlichen Stützsystemen angewiesen, deren Zubringerleistungen den Unterrichtserfolg nicht unwesentlich mitbestimmen. Zu diesen Stützsystemen gehören zunächst der schulische Kontext selbst, der hinsichtlich der akademischen Kultur und Wertschätzung des jeweiligen Fachunterrichts sehr variieren kann, dann das Elternhaus, das die schulische Arbeit in unterschiedlicher Weise unterstützen kann, und nicht zuletzt die Bildungsnähe und Schulkultur einer Gesellschaft insgesamt, die den breiten normativen Rahmen definiert, in den schulisches Lernen und der Unterricht in spezifischen Fächern eingebettet sind. Will man Unterricht optimieren, muß man den systemischen Gesamtzusammenhang im Auge behalten.
Dennoch ist es nicht zu umgehen, sich bei der Identifikation und Beschreibung potentieller Problemzonen auf Einzelaspekte zu konzentrieren und diese herauszuheben. Bei einer systematischen Analyse von Problembereichen kann dann der Eindruck einseitiger Kritik oder gar Unterrichtsschelte entstehen, zugleich aber auch der Vorstellung Vorschub geleistet werden, Verbesserung des Unterrichts wäre schon mit der Änderung eines einzelnen Merkmals, der Justierung einer Schraube vergleichbar, erreicht. Die Expertengruppe meint, beiden Fehlinterpretationen ausdrücklich vorbeugen zu sollen. Sie möchte deshalb vor der Analyse von Problemzonen Stärken des Unterrichts in den mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächern besonders betonen. Sie liegen in der unterstützenden Rahmung durch eine insgesamt solide Lehrplanarbeit, in der fachlichen Gediegenheit des Unterrichts, die durch die TIMSS-Video-Studie noch einmal gut belegt wird, und in der Erfahrung und den bewährten Handlungsmustern der Lehrkräfte. Gerade die bewährten Routinen legen Unterricht nicht nur fest, sondern geben auch jenen Handlungsspielraum, der notwendig ist, um situativ angemessen auf individuelle Schüler oder soziale Ereignisse zu reagieren - und um Unterricht ohne zu große Risiken des Scheiterns überhaupt zu verändern. Diese Stärken sind nach der Überzeugung der Expertengruppe eine gute Voraussetzung, den mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht weiterzuentwickeln und zu optimieren, ohne auf Bewährtes zu verzichten.
Die empirische Basis der Identifikation und Beschreibung von Problemzonen ist je nach Bereich unterschiedlich breit und unterschiedlich solide. Für bestimmte Gebiete - etwa die Interessenentwicklung in den naturwissenschaftlichen Fächern - verfügen wir nicht nur über ausgezeichnete diagnostische Informationen, sondern auch über experimentell und praktisch bewährte Konzepte zur Besserung der Situation. In anderen Bereichen ist die Ausgangslage weniger günstig. Für den zentralen und bislang vernachlässigten Fachleistungsbereich hat die Dritte Internationale Mathematik- und Naturwissenschaftsstudie für eine erste Qualitätskontrolle gesorgt und eine quantitative Basis der Diagnose geliefert. Sie bietet zusammen mit den vorhandenen mikroanalytischen Unterrichtsstudien der Mathematik- und Naturwissenschaftsdidaktik einen Ausgangspunkt, an dem didaktische und praktische Phantasie informiert ansetzen kann. In anderen Bereichen wiederum, die wie die zweite Phase der Lehrerausbildung langfristig für die Verbesserung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts wahrscheinlich von großer Bedeutung sind, ist man praktisch nur auf Erfahrungsberichte und Rückschlüsse aus der herrschenden Unterrichtspraxis angewiesen. Im folgenden wird auf quantitative und qualitative Informationen gleichermaßen zurückgegriffen. Besondere Forschungs- und Wissensdesiderate werden kenntlich gemacht.
7.2 Akzeptanz und Wertschätzung der mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächer
Mathematik und die naturwissenschaftlichen Fächer haben in den Studentafeln der Sekundarstufe I und in den Belegvorschriften der gymnasialen Oberstufe eine im internationalen Vergleich durchaus starke Position. Die Bedeutung der Mathematik als eines der zentralen Auslesefächer ist den meisten Eltern auch ausreichend präsent. Ähnliches gilt für die Bedeutung mathematischer Basiskompetenzen, über deren Bedeutung als Kulturtechnik weitgehend Einigkeit herrscht. Dies gilt wahrscheinlich nicht in gleicher Weise für das Verständnis der Mathematik als eines unverzichtbaren Elements der Allgemeinbildung. Die Stellung der naturwissenschaftlichen Fächer ist vor allem in der Mittelstufe ungleich komplizierter. Sie gelten vielfach noch als Nebenfächer, und die Biologie hat die Konnotation des leichten und intellektuell wenig anspruchsvollen Fachs bislang nicht ganz abstreifen können. Bemerkenswerterweise haben auch Erwachsene wenig Schwierigkeiten, mit eigenen Leistungsschwächen in den mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächern retrospektiv umzugehen: Man kann sich in diesen Bereichen ohne Gesichtsverlust mangelnde Begabung eingestehen - was heißt, daß dies für die individuelle Entwicklung keineswegs hinderlich zu sein scheint. Damit schlägt ein Argumentationsmuster, dessen sich Lehrkräfte in den mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächern gern zur Erklärung von Leistungsversagen von Schülern bedienen, nämlich die Attribution auf mangelnde Begabung, langfristig auf die Reputation der Fächer als eines Teils der Allgemeinbildung zurück. Offenbar ist es dem mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht bislang noch nicht in ausreichendem Maße gelungen, Sinn zuverlässig erfahrbar zu machen. Dies kann nicht allein im Unterricht geschehen. Vielmehr bedarf der Unterricht einer Einbettung in eine Schulkultur, in der die Bedeutung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereichs anschaulich und Schülern und Eltern mitteilbar wird.
Gleichwohl ist der Expertengruppe bekannt, daß es in jeder Schulform und in allen Ländern der Bundesrepublik Schulen gibt, denen diese Veranschaulichung in unterschiedlicher, aber jeweils vorbildlicher Weise gelingt. Diese Schulen zeichnen sich keineswegs und notwendigerweise durch Einseitigkeit und Spezialisierung im mathematisch-naturwissenschaftlichen Sektor aus. Vielmehr ist es diesen Schulen gelungen, ein Aktivitätsprofil zu entwickeln, das die Bedeutung der Mathematik und der Naturwissenschaften neben anderen Fachgebieten symbolisch überzeugend ausweist. Die Expertengruppe hat den Eindruck, daß hervorragende Leistungen dieser Art bislang noch nicht hinreichend anerkannt, systematisch gefördert und in ihrer Vorbildfunktion für das in der Schule Mögliche genutzt werden. Die Expertengruppe ist der Überzeugung, daß Exzellenz eine wünschenswerte Form der Ungleichheit zwischen Schulen ist.
7.3 Performanzprobleme im Leistungsbereich
(1) Die Dritte Internationale Mathematik- und Naturwissenschaftsstudie (TIMSS) der IEA erlaubt zum ersten Mal seit Jahrzehnten, die Performanz ausgewählter Schülerjahrgänge in den mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächern international zu verorten. Die Fachleistungen der deutschen Schülerinnen und Schüler liegen in Mathematik in der Mittelstufe in einem breiten internationalen Mittelfeld. Auch in den naturwissenschaftlichen Fächern befindet sich Deutschland im mittleren Bereich, auch wenn die Leistungen insgesamt günstiger als in Mathematik ausfallen. Die Mathematikleistungen liegen am Ende der 8. Jahrgangsstufe in Deutschland nahe am internationalen Mittelwert. Dies entspricht einem Fähigkeitsniveau, auf dem einfache mathematische Routineverfahren, die Unterrichtsstoff der 6. bis 8. Jahrgangsstufe sind, einigermaßen sicher ausgeführt werden können. In den naturwissenschaftlichen Fächern läßt sich das im Mittel verfügbare Wissensrepertoire als naturwissenschaftliches Alltagswissen beschreiben, das noch kaum aus spezifischen Erwerbskontexten gelöst werden kann. Die mittlere Leistungsgruppe wird vor allem durch angelsächsische Länder bestimmt.
Diese Befunde wären weniger beunruhigend, wenn die Leistungsdifferenzen zur nächsthöheren oder zur internationalen Spitzengruppe nicht so gravierend wären. Die Schülerinnen und Schüler der Mehrzahl der nord-, ost- und westeuropäischen TIMSS-Teilnehmerstaaten, zu denen auch die deutschsprachigen Länder Österreich und Schweiz gehören, erreichen in den mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächern Leistungsergebnisse, die zwischen einer halben bis über einer Standardabweichung über denen der deutschen Alterskameraden liegen. Diese Differenz entspricht dem Leistungsfortschritt von ein bis zwei Schuljahren. Die Mathematikleistungen der internationalen Spitzengruppe, die von den asiatischen Ländern gebildet wird, liegen für deutsche Schülerinnen und Schüler in unerreichbarer Höhe. Insgesamt stehen die Leistungsergebnisse der stärkeren Leistungsgruppen für ein qualitativ anderes Niveau des mathematischen und naturwissenschaftlichen Verständnisses; die Unterschiede erschöpfen sich gerade nicht in unterschiedlicher Sicherheit der Beherrschung von Routineverfahren. Die regionale Variabilität innerhalb Deutschlands ist im Vergleich zu den internationalen Leistungsunterschieden gering. Dies weist auf eine generelle Herausforderung zur Optimierung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts in Deutschland hin.
(2) Die Heterogenität der mathematischen und naturwissenschaftlichen Fähigkeiten in einer Jahrgangsstufe ist in Deutschland sehr groß. Die Fachleistungen der Schülerinnen und Schüler der 8. Klasse spiegeln das gesamte Leistungsspektrum der Sekundarstufe I von der 5. bis zur 10. Jahrgangsstufe wider. Selbst innerhalb derselben Schulform entspricht die Leistungsstreuung den Lernfortschritten von zwei bis zweieinhalb Schuljahren. Insbesondere ist der Anteil jener Schüler, deren mathematische und naturwissenschaftliche Fähigkeiten noch am Ende des 8. Jahrgangs im wesentlichen auf einem erweiterten Grundschulniveau liegen, mit etwa 20 Prozent auch im internationalen Vergleich sehr hoch. Diese Schüler haben nur geringe Chancen, in den verbleibenden ein bis zwei Schuljahren noch systematische Lernfortschritte zu machen.
(3) Im Bereich der mathematischen Spitzenleistungen sind deutsche Schülerinnen und Schüler im internationalen Vergleich in bedenklicher Weise unterrepäsentiert. Dies schließt Spitzenleistungen einzelner Personen in Leistungswettbewerben nicht aus. Der Kreis, aus dem diese Personen rekrutiert werden können, ist jedoch relativ klein.
(4) Es besteht eine bemerkenswerte Diskrepanz zwischen den Kompetenzen, die im Rahmen einer mathematisch-naturwissenschaftlichen Grundbildung vermittelt werden sollen, und dem am Ende der 8. Jahrgangsstufe erreichten Fähigkeitsniveau. Defizite liegen weniger, aber auch im Bereich der Beherrschung grundlegender Routineverfahren, vor allem aber im konzeptuellen Verständnis und im Verständnis naturwissenschaftlichen Arbeitens und Argumentierens. Die Standards, die als Kriterien eines auf mathematisches und naturwissenschaftliches Verständnis zielenden Unterrichts für die 8. Klasse gelten, erfüllen nur Gymnasiasten mit überdurchschnittlichem Leistungsnviveau. In der deutschsprachigen Schweiz werden diese Normen von nahezu der Hälfte der gesamten Schülerschaft erreicht.
Die relativen Leistungsschwächen der deutschen Schüler in Mathematik und den naturwissenschaftlichen Fächer werden insbesondere bei Aufgaben sichtbar, die eine sinnvolle Anwendung und Übertragung des Gelernten auf neue innerfachliche oder außerfachliche Problemstellungen verlangen. Diese Aufgaben prüfen das Verständnis von Sachverhalten und dessen Flexibilität. Insbesondere sind anspruchsvollere Aufgaben, die den durchgenommenen Stoff auf lebenspraktische Situationen beziehen, für die meisten deutschen Schüler unlösbar. Dies weist auf Mängel im lateralen Transfer hin.
(5) Aber auch die Kumulativität des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts läßt zu wünschen übrig. Die Leistungsfortschritte von einer Jahrgangsstufe zur nächsten sind in diesen Fächern im Vergleich etwa zum Fremdsprachenunterricht gering. Dies gilt insbesondere für den Unterricht in Biologie und Physik. Damit sind die Chancen der Erfahrung individuellen Kompetenzzuwachses - eine wichtige Voraussetzung für Interessenbildung - herabgesetzt. Die geringe Kumulativität der Lernprozesse im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht kann auch nicht allein auf die inhärente Struktur dieser Fächer zurückgeführt werden, die systematisches Lernen erschwere. Denn die in den mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächern in Deutschland erreichten Lernfortschritte sind im internationalen Vergleich eher gering.
Die relativ geringe Kumulativität des Lernens in den mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächern läßt sich auch noch in der gymnasialen Oberstufe nachweisen. In den Fächern Mathematik und Physik sind in den Grundkursen die Stoffe curricular offenbar so angeordnet, daß individuelle Leistungsfortschritte von einer Jahrgangsstufe zur nächsten kaum - wie im Fach Mathematik - oder nur im geringen Umfang - wie im Fach Physik - erfahrbar sind. Deutliche Leistungsfortschritte werden vom 12. zum 13. Jahrgang allerdings in den Physikleistungskursen erzielt, die zu einer deutlichen Verbreiterung des physikalischen Verständnisses führen. Ein zentraler Problembereich der gymnasialen Oberstufe scheint die Konzeption der Grundkurse zu sein.
(6) Vergleicht man die in TIMSS gefundenen internationalen Unterschiede in den Zuwachsraten der Fachleistungen mit den Unterschieden der Leistungsresultate, so wird augenfällig, daß die nachweisbaren differentiellen Zuwachsraten weder in Mathematik noch in den naturwissenschaftlichen Fächern eine ausreichende Erklärung für die immensen Unterschiede in den Fachleistungen zwischen den Ländern bieten können. Bereits am Ende der Grundschulzeit müssen erhebliche Leistungsunterschiede vorhanden sein. In Deutschland fehlen die entsprechenden Vergleichsdaten. Diese Forschungslücke bedarf dringend der Schließung.
(7) Mädchen erreichen in Mathematik und Physik in allen Schulformen schwächere Leistungen als Jungen. Die Leistungsunterschiede sind in beiden Fächern, vor allem aber in Physik, beträchtlich. Die Leistungsunterschiede zwischen Jungen und Mädchen sind auch im internationalen Vergleich groß. Im Fach Physik sind die Leistungsunterschiede zwischen Jungen und Mädchen in allen Schulformen der neuen Länder kleiner als in den alten Ländern, jedoch nicht aufgehoben. Bei der Betrachtung der Leistungsbilanz von Jungen und Mädchen auf der Ebene des gesamten Altersjahrgangs treten im Fach Mathematik keine und im Fach Physik kleinere Leistungsunterschiede zwischen den Geschlechtern auf als in den einzelnen Schulformen. Dies ist ausschließlich eine Folge der höheren gymnasialen Bildungsbeteiligung von Mädchen, insbesondere in den neuen Ländern. Im Fach Biologie lassen sich keine über Schulformen und Regionen hinweg konsistenten Leistungsunterschiede zwischen Jungen und Mädchen zeigen. Die Leistungsunterschiede zwischen Jungen und Mädchen in den Fächern Mathematik und Physik bleiben bis in die gymnasiale Oberstufe hinein erhalten. Sie lassen sich erstaunlicherweise sogar in den Leistungskursen nachweisen.
7.4 Lernmotivation und Interesse als Ziele des Unterrichts
Im Laufe der Schulzeit bilden sich indivduelle Interessenprofile heraus, wenn Schülerinnen und Schüler ihre spezifischen Stärken und Schwächen kennenlernen und ihren Fähigkeiten entsprechend Interessenschwerpunkte entwickeln. Dies ist für eine gelingende Identitätsentwicklung auch wünschenswert. Allerdings hat dieser intraindividuelle Differenzierungsprozeß zur Folge, daß mit zunehmendem Alter der Schüler die Interessenheterogenität in der Schulklasse zu- und das mittlere Interessenniveau notwendigerweise abnimmt, und zwar in allen Fächern im Prinzip in vergleichbarer Weise. Dies ist ein Strukturproblem des Pflichtunterrichts und keine Folge zunehmender Schulunlust von Schülern, auch wenn diese Interpretation aus der Perspektive des einzelnen Fachlehrers naheliegt. Trotz dieser Interessendifferenzierung kann ein allgemeines "schwebendes" Interesse und eine Lernmotivation, die für eine ausreichende Beteiligung am Unterricht sorgt, durch eine lernfördernde, in der Bearbeitung der Aufgaben Kompetenzerleben vermittelnde und zugleich sozial unterstützende Unterrichtsführung positiv beeinflußt werden. Insbesondere erklärt der an sich wünschenswerte Prozeß der Interessendifferenzierung nicht die immensen Interessenunterschiede zwischen den Unterrichtsfächern. Die mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächer sind generell unbeliebter. Besorgniserregend ist insbesondere das niedrige Interesse an Physik und Chemie.
Der häufig vorgetragene Einwand, daß es sich bei Mathematik, Physik und Chemie um schwierige Unterrichtsfächer handele, die Abstraktionsleistungen erforderten, zu denen viele Schüler nicht in der Lage seien, ist nicht zu halten. Entscheidend für die Entwicklung von Lernmotivation und Interesse ist nicht die Schwierigkeit des Gegenstandes an sich, sondern der subjektiv wahrgenommene Kompetenzzuwachs und der persönliche Bedeutungsgehalt des Gegenstandes, der sich in der sinnstiftenden Begegnung entwickelt. Interesse wird vor allem durch Kompetenzerleben erzeugt und aufrechterhalten. Die Kumulativität des Lernprozesses selbst ist also eine der günstigsten Voraussetzungen zur Erhaltung der Lernmotivation. Intrinsische Motivation kann nicht erwartet werden, wo Wissenserwerbsprozesse erfolglos sind. Der internationale Vergleich belegt aber, daß gerade in Deutschland die mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächer wenig kumulativ unterrichtet werden.
Kompetenzzuwachs ist wahrscheinlich eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung der Genese und Stabilisierung von Interessen. Der Komptenzzuwachs muß auch als persönlich bedeutungsvoll empfunden werden. Dies ist jedoch nur dann zu erwarten, wenn die Auseinandersetzung mit dem Gegenstand selbst sinnvoll erscheint. Für den Experten macht der Umgang mit dem abstrakten theoretischen Modell bereits höchsten Sinn. Dies gilt für den Anfänger in der Regel nicht im gleichen Maße. Für diesen hängt ein verständnisvoller Wissenserwerb nicht zuletzt auch von der Sinnhaftigkeit des Kontextes ab. Offensichtlich bietet die Biologie thematisch mehr Identifikationspunkte, als dies in Physik und Chemie der Fall ist. Dennoch ist mittlerweile durch experimentelle Untersuchungen und Feldstudien in ausreichender Weise belegt, daß auch in diesen Fächern mit didaktischer Phantasie die fachlichen Gegenstände ohne Abstriche an ihre Substanz in Kontexten vermittelt werden können, die nicht nur zur Interessenentwicklung beitragen, sondern überdies auch leistungssteigernd wirken. Handlungsbedarf ist in dieser Hinsicht vordringlich in der Sekundarstufe I. Denn die Interessenentwicklung während der Adoleszenz entscheidet maßgeblich mit über Berufswahlen und Fachwahlen in der Oberstufe.
Mädchen und Jungen unterscheiden sich deutlich hinsichtlich ihres Interesses an mathematischen, physikalischen und chemischen Sachverhalten und ebenso in der Selbsteinschätzung ihrer Leistungsfähigkeit in den entsprechenden Unterrichtsfächern. Die Unterschiede im Fach- und Sachinteresse und im fachspezifischen Selbstkonzept der eigenen Leistungsfähigkeit sind weit größer, als dies aufgrund der tatsächlichen Leistungsdifferenzen zu erwarten wäre. Jungen neigen zur Über-, Mädchen deutlich zur Unterschätzung ihrer Fähigkeiten. Dies bleibt für die Interessenentwicklung nicht ohne Bedeutung. Die Befunde zu den Interessenunterschieden zwischen Jungen und Mädchen im mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich sind robust. Darüber hinaus gibt es mittlerweile aber auch experimentelle Belege und Erfahrungen aus Modellversuchen, die zeigen, daß Interessen von Mädchen ohne nachteilige Wirkung für Jungen durch Änderung der Interaktionsstruktur - zum Beispiel zeitweilige Trennung von Jungen und Mädchen im Anfangsunterricht - oder durch die Einbettung der zu vermittelnden Stoffe in für Mädchen vertrautere Kontexte förderbar sind.
7.5 Modale Muster der Unterrichtsführung
Eines der zentralen Ergebnisse des im Rahmen von TIMSS durchgeführten intensivierten Drei-Länder-Vergleichs auf der Basis von Video-Mitschnitten aus dem Mathematikunterricht ist der Befund, daß der Unterricht in verschiedenen Nationen offenbar sehr spezifischen kulturellen Skripts oder Drehbüchern folgt, in denen die Grundzüge der komplexen Choreographie des Fachunterrichts festgelegt sind. Die Unterschiede zwischen den kulturellen Skripts können weitaus größer sein als die empirisch anzutreffenden Variationen des Unterrichts innerhalb eines Skripts. Diese Skripts enthalten implizite Vorstellungen vom gelingenden Unterricht, die sich auf erwartete Schülerleistungen beziehen, vor allem aber an typischen Handlungssequenzen im Unterricht festgemacht sind. Eine Grundform des Mathematikunterrichts in der Mittelstufe folgt in Deutschland folgendem Muster:
Der Unterricht wird insgesamt überwiegend auf mittlerem bis hohem fachlichen Niveau erteilt.
Für den naturwissenschaftlichen Unterricht verfügen wir nicht über ähnlich dichte, qualitative Informationen. Die verfügbaren Unterrichtsstudien deuten jedoch auf eine vergleichbare Bedeutung des fragend-entwickelnden Unterrichtsgesprächs hin.
Auf folgende Problemzonen, die für dieses kulturelle Skript des Unterrichts charakteristisch sind, soll hingewiesen werden:
7.6 Naturwissenschaftliche Arbeitsweisen
Die große Chance der naturwissenschaftlichen Fächer in der Schule besteht darin, daß naturwissenschaftliche Arbeitsweisen in Ansätzen und in einfacher Form in den Unterricht integriert werden können. Vertrautheit mit naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen und Argumentationsformen ist deshalb nicht nur ein Ziel des naturwissenschaftlichen Unterrichts, sondern das naturwissenschaftliche Arbeiten kann phasenweise geradezu zum Organisationsprinzip der Unterrichtsführung werden. Dies leuchtet sofort ein, wenn man an naturwissenschaftliches Experimentieren als einen wichtigen Bereich naturwissenschaftlichen Arbeitens denkt. Beobachten und Experimentieren werden aber erst dann zum naturwissenschaftlichen Arbeiten, wenn sie Teil des spezifisch naturwissenschaftlichen Argumentierens sind. In dieser Funktion ist das empirische Arbeiten allerdings weniger beliebt als der bloß handelnde Umgang mit Gegenständen des Fachs. Ohne diese Einbindung schult das Experimentieren jedoch höchstens manuelle Geschicklichkeit im Umgang mit diversen, sehr speziellen Apparaten und die Fähigkeit, Arbeitsanweisungen sequentiell abzuarbeiten. Die inhaltliche Einbettung des empirischen, insbesondere experimentellen Arbeitens in seiner ganzen Abfolge gelingt wahrscheinlich nur durch bewußt gestaltete Unterrichtsphasen, deren Organisationsprinzip das naturwissenschaftliche Arbeiten, freilich in elementarer Form, dann selbst ist. Am Beispiel des Experiments läßt sich dies am einfachsten zeigen:
Neue Medien bieten eine besondere Chance, experimentelle Arbeitsweisen für den Unterricht fruchtbar zu machen und das Ausprobieren eigener Ideen und Modelle zu fördern.
Ein besonderer Aspekt experimentellen Arbeitens im Unterricht ist die Notwendigkeit der Zusammenarbeit in kleinen Arbeitsgruppen. Gruppenarbeit in den naturwissenschaftlichen Fächern wird von Schülerinnen und Schülern im allgemeinen als Teil des naturwissenschaftlichen Unterrichts akzeptiert und kann auch relativ leicht um einen Gegenstand herum organisiert werden.
Die Integrierbarkeit naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen als Organisationsprinzip herausgehobener Unterrichtsphasen ist eine einzigartige Chance der naturwissenschaftlichen Fächer. Zugleich ist damit aber auch eine Problemzone des naturwissenschaftlichen Unterrichts bezeichnet. Es gelingt seltener als erwartet, die naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen als Instrumente der Klärung des Denkens wirksam werden zu lassen. Die empirischen Befunde sprechen dafür, daß der Prozeß des naturwissenschaftlichen Arbeitens gerade in den Phasen der eigentlichen kognitiven Herausforderung allzu oft abgekürzt wird.
7.7 Curriculare Problemzonen
Die geringe Kumulativität des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts weist zunächst darauf hin, daß die regelmäßige Wiederholung, die harmonisch mit der Erarbeitung eines neuen Stoffgebiets und dessen Übung verbunden ist, in Deutschland weniger gepflegt wird, als dies in Ländern mit erfolgreicherem mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht geschieht. Daß der relativ geringe Anteil des systematischen und in den Unterrichtsfortgang integrierten Wiederholens in der Regel als nicht sonderlich problematisch wahrgenommen wird, hat wahrscheinlich weniger mit didaktischen Moden - etwa scheinbar zugenommener Geringschätzung von Üben und Wiederholen - zu tun, sondern ist eher eine Folge der Stoffanordnung und Prüfungspraxis in den mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächern. Die einzelnen Sachgebiete werden häufig als relativ in sich geschlossene Einheiten unterrichtet, die kaum aufeinander aufbauen und deshalb ein systematisches Wiederholen und Vernetzen der Inhalte auch nicht erfordern. Aus Schülersicht fehlt die rationale Klammer, die das Fach inhaltlich zusammenhält. (Hinweise auf mangelnde fachliche Kohärenz und die Kompartmentalisierung des Lernens sind abrupte Leistungsschwankungen von Schülern bei einem Wechsel des Sachgebiets. Zu Unrecht und leichtfertig werden solche Leistungsschwankungen auf spezifische Begabungsprofile der Schüler zurückgeführt.) Eine bessere vertikale Vernetzung der Stoffe, die eine Voraussetzung des selbstverständlichen und harmonischen Wiederholens ist, kann nicht allein oder in erster Linie aus dem Entwurf einer Systematik des jeweiligen Fachs abgeleitet werden, sondern bedarf der mit fachsystematischen Überlegungen verträglichen Entwicklung aus den beabsichtigten Lernprozessen heraus. Die Expertengruppe ist der Auffassung, daß das systematische Wiederholen ein guter Indikator für die Kohärenz des Bildungsprogramms eines Faches insgesamt darstellt und deshalb in seiner Bedeutung gar nicht überschätzt werden kann. Ein additives Wiederholen, das nicht auch für die Erarbeitung, Konsolidierung und Einübung des neuen Stoffs Nutzen bringt, kann unter den unvermeidlichen Randbedingungen knapper Unterrichtszeit nicht regelmäßig erwartet werden. Die Praxis der Überprüfung von Unterrichtsergebnissen stützt die relative Randständigkeit systematischen Wiederholens. Die Aufgaben der Klassen-(Schul-)Arbeiten prüfen in der Regel den neu erarbeiteten Stoff und nicht dessen Verknüpfung mit dem früheren Pensum. Die Expertengruppe sieht in diesem Punkt didaktischen Handlungsbedarf vor allem in den Fachgruppen der einzelnen Schulen, die allerdings auf der Ebene von Lehrplanarbeit und didaktischen Anregungen unterstützt werden muß.
Die inhaltliche Abstimmung zwischen den mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächern ist trotz tatsächlicher und gut vorstellbarer thematischer Überschneidungen relativ gering. Der Versuch, die Behandlung von Stoffgebieten zwischen den mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächern zu synchronisieren, ist kompliziert und nach Ansicht der Expertengruppe derzeit auch nicht erfolgversprechend. Es gibt jedoch eine Reihe von Themen und Konzepten, die nicht nur in einem der mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächer von zentraler Bedeutung sind. Sie bezeichnen inhaltliche Anschlußstellen, an denen sich Fächer ohne systematische zeitliche Koordination der Stoffverteilung wechselseitig mit Gewinn aufeinander beziehen können. Die Möglichkeiten der didaktischen Phantasie und der unterstützenden Lehrplanarbeit sind bei weitem noch nicht ausgeschöpft.
Unterricht, der eine fachübergreifende Perspektive aus dem Fach selbst entwickelt, ist im mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich offensichtlich rar. Projekttage oder die Projektwoche sind eine Bereicherung, aber kein Ersatz. Die Expertengruppe sieht hier ein Defizit didaktischer Anregung sowohl auf der Ebene didaktischer Materialien und Handreichungen als auch der Lehrerfortbildung und der Lehrplanarbeit. Zur Koordination oder Integration der naturwissenschaftlichen Fächer, vor allen Dingen im Anfangsunterricht der Sekundarstufe I, gibt es verschiedene Initiativen in einzelnen Bundesländern und einen noch nicht abgeschlossenen Modellversuch der Bund-Länder-Kommission. Die Expertengruppe hält eine solide Evaluation und Auswertung des Modellversuchs unter dem Gesichtspunkt der Qualitätssicherung im naturwissenschaftlichen Unterricht und der weiteren Nutzbarkeit der entwickelten Materialien für dringend. Ein offensichtliches Desiderat, zu dem es bislang kaum überzeugende Vorarbeiten gibt, ist der theoretisch überzeugende didaktische Entwurf eines Gesamtprogramms für die naturwissenschaftliche Grundbildung in der Sekundarstufe I, in dem die gemeinsamen und spezifischen Leistungen der naturwissenschaftlichen Fächer analysiert und in eine realistische Beziehung zu möglichen Stundenverteilungen gesetzt werden. Unterricht, der eine fachübergreifende Perspektive aus dem Fach selbst entwickelt oder der längerfristig themenbezogen arbeitet, ist im mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich offensichtlich rar.
Ein ähnlicher Mangel an curricular konzeptueller Arbeit besteht hinsichtlich der mathematisch-naturwissenschaftlichen Grundkurse in der gymnasialen Oberstufe. Die Grundkurse haben bislang hinsichtlich der Auswahl von Unterrichtsstoffen und deren Sequenzierung sowie hinsichtlich ihrer didaktisch-methodischen Gestaltung noch keine Form gefunden, die im Rahmen des gymnasialen Bildungsauftrages, der vertiefte Allgemeinbildung, Wissenschaftspropädeutik und Studierfähigkeit verbindet, wirklich überzeugt. Die Expertengruppe hält didaktische Entwicklungsarbeiten für dringend.
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