2.4: Die Wunderschachtel

Autoren:
Publikation:	4.1.2018
Lernstufe:	3
Übersicht:	Die Schüler haben es mit einem Gegenstand zu tun, den sie nicht direkt beobachten können. Sie lernen Hypothesen aufzustellen, die das Verhal­ten des Gegenstands erklären könnten, und planen Experimente zur Überprüfung ihrer Hypothesen. Sie machen sich Gedanken über die ein­zelnen Etappen einer wissenschaftlichen Vorgehensweise: von der Beob­achtung zum Experiment und zur Gegenüberstellung von Ergebnissen und Hypothesen.
Angestrebte Kenntnisse:	Wissenschaftlich denken, kritisch denken: Sich eine Methode aneignen, um die Ursache eines Phänomens zu finden. Für Experten: Sich eine experimentelle Methode aneignen, um ein Phä­nomen zu erklären. Kompetenzen: Mit Unterstützung des Lehrers forschendes Lernen betrei­ben: Aus genauen Beobachtungen Schlüsse ziehen
Schwerpunkt:	Sachunterricht, Wissenschaft und Technik
Dauer:	3 Stunden (auf mindestens 3 Einheiten verteilt)
Material:	Für jede Schülergruppe: zwei nicht allzu große Schachteln (höchstens Schuhkartongröße) kleine Gegenstände, die in den Schachteln versteckt werden Messinstrumente (Zollstock oder Lineal, Waage) und andere Instru­mente, mit denen man die besonderen Merkmale der Gegenstände in den Schachteln untersuchen kann (etwa ein Kompass oder Magneten) verschiedene Gegenstände – darunter solche, die mit den versteckten Gegenständen identisch sind das Arbeitsblatt 30: "Was ist in der Schachtel?" Für jeden Schüler: den Evaluationsbogen 16: "Experimentieren – die einzelnen Schritte"
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Aktivität: Eine Untersuchung durchführen

Ablauf: Die Schüler sollen möglichst viele Informationen über einen Gegen­stand herausfinden, der sich in einer geschlossenen Schachtel befindet. Die Schüler untersuchen die Schachtel, indem sie sie zum Beispiel schütteln oder an ihr riechen. Sie stellen anhand ihrer Beobachtungen erste Hypothesen über den Inhalt der Schachtel auf (Phase 1). Sie planen anschließend Experimente und führen diese durch, um ihre Hypothesen zu überprüfen (Phase 2). Zum Schluss teilen und vergleichen sie ihre Ergebnisse mit ihren Mitschülern (Phase 3).

Botschaft zum Mitnehmen: Man kann Gegenstände, die uns umgeben, bes­ser verstehen, wenn man sie genau beobachtet. Manchmal ist jedoch nicht alles sofort sichtbar. Um mehr über einen Gegenstand zu erfahren, kann man Experimente machen. Man erhält allerdings nur dann verlässliche Informatio­nen, wenn man das Experiment sorgfältig plant und durchführt. Man muss: möglichst viele Informationen aus den Beobachtungen ziehen; Hypothesen aufstellen, die man anschließend überprüft; die Hypothesen eine nach der anderen überprüfen, indem man nur einen Parameter auf einmal ändert; die Ergebnisse analysieren, indem man sie miteinander vergleicht. Zum Schluss hat man schon eine ganz gute Vorstellung, um was es sich bei dem "verborgenen" Gegenstand handeln könnte – auch wenn noch Unsicherheiten bestehen bleiben.

Vorbemerkungen:

• Diese Unterrichtseinheit eignet sich sehr gut dazu, die Methode des wis­senschaftlichen Arbeitens zu erlernen. Die Schüler eignen sich insbeson­dere die wichtigsten Etappen einer wissenschaftlichen Vorgehensweise an. Dies kann die Gelegenheit sein, ein Methodenblatt zu erstellen, das bei späteren Gelegenheiten wieder eingesetzt werden kann.
• Der Lehrer kann den vorgeschlagenen Ablauf als Grundgerüst nehmen und ihn nach Belieben modifizieren. Diese Unterrichtseinheit kann auch mit Erst- bis Drittklässlern durchgeführt werden. Dann sollten die Gegenstände in den Schachteln einfacher zu erraten sein.
• Man kann diese Unterrichtseinheit auch mit speziellen Lehrplanthemen verknüpfen – etwa mit dem Materiebegriff oder dem inneren Aufbau der Erde. Sowohl das Innere der Materie als auch das Innere der Erde sind "unsichtbar": Man kann mit bloßem Auge weder in die Materie noch ins Innere der Erde gucken.
• Der Lehrer kann in der Schule ein Wettbewerb veranstalten, bei dem es darum geht, den Inhalt der Schachteln zu erraten. Für den Wettbewerb kann der Inhalt ein bisschen ausgefeilter sein und die Untersuchung/Er­mittlung entsprechend aufwendiger.

Abb. 1: Ein Verpackungskarton und eine Nudelbox

Vorbereitung: Vor der Unterrichtsstunde bereitet der Lehrer die Schachteln vor. In die Hälfte der Schachteln legt er kleine Gegenstände, die anderen blei­ben leer. Anschließend werden alle Schachteln (die gefüllten und die leeren) gut verschlossen.

• Die Schachteln sollten alle identisch sein und eine praktische Form haben (nicht zu flach). Man kann zum Beispiel Verpackungskartons der Post ver­wenden (der Karton ist schön dick, Gerüche dringen kaum nach außen). Sie sind nicht ganz billig, aber leicht zu besorgen. Oder man nimmt Nudel­boxen (Asia-Boxen) oder Geschenkeboxen.
• Die leeren Schachteln dienen als "Kontrolle" bei den Experimenten.
• Bei der Auswahl der Gegenstände sollte man darauf achten, dass beim Erforschen des Inhalts der Schachteln alle Sinne angesprochen werden, und dass die Eigenschaften der Gegenstände (zum Beispiel, dass sie magnetisch sind, oder flüssig/fest) gut/eindeutig nachzuweisen sind. Der Lehrer sollte unbedingt ausprobieren, wie sich die Schachteln mit dem Inhalt handhaben lassen, bevor er sie den Schülern aushändigt.
• Es ist ratsam, nicht zu viele verschiedene Gegenstände auszuwählen (maximal drei bis fünf). Hier sind einige Gegenstände, die in den Klassen, die diese Unterrichtseinheit ausprobiert haben, gut funktioniert haben: starke Magnete (vorher testen); kleine Döschen oder Luftballons, die zum Teil mit Wasser gefüllt sind; Murmeln; Reis, Linsen oder andere "Körner" in kleinen Behältern; ein riechender Gegenstand (zum Beispiel ein Teebeutel oder eine kleine Menge Waschpulver, die in ein leeres Überraschungsei gefüllt wurde).
• Wenn der Lehrer vorsieht, dass die Schachteln zum Schluss geöffnet wer­den, kann er Gegenstände hineinlegen, die man noch weiter untersuchen kann und zusätzlich einen kleinen Zettel mit einem Lob an die jungen For­scher. Der Zettel ist nicht nur eine nette Überraschung, sondern unter­streicht auch, dass im Forschungsalltag immer ein Teil verborgen bleibt (wie der Zettel). Mit den Mitteln, die ihnen zur Verfügung standen, haben die Schüler bestimmt nicht erraten, dass sich in der Schachtel (auch) ein Zettel befand. Und was auf dem Zettel steht, konnten sie erst recht nicht erahnen. Wissenschaftler haben in der Regel nicht die Möglichkeit, am Ende eines Experiments ihren Forschungsgegenstand zu "öffnen", um zu sehen, ob sie mit ihren Vermutungen wirklich richtiglagen. Dieser Rest Ungewissheit (und dass man oft nur Teilerkenntnisse gewinnt) gehört zur Forschungsarbeit dazu – zumindest so lange, bis sich die Technik weiter­entwickelt und man eines Tages ein bisschen mehr erfährt.
• Eine pädagogisch interessante Variante besteht darin, einen Lehrerkolle­gen zu bitten, die Schachteln zu befüllen. Der Lehrer, der die Aktivität durchführt, kennt dann den Inhalt der Schachteln genauso wenig wie seine Schüler. Auf diese Weise ist er wie seine Klasse mit Neugierde und Entdeckergeist bei der Untersuchung dabei.

Abb. 2: Schüler mit einer Nudelbox

Phase 1: Eine erste Erforschung der Wunderschachtel (ca. 1 Stunde)

Der Lehrer zeigt der Klasse eine der Schachteln. Er inszeniert die Aktivität als "Kriminaluntersuchung zur Auflösung eines Rätsels". "Es ist/sind eine/mehrere mysteriöse Schachtel(n) gefunden worden. Wir dürfen sie auf keinen Fall öffnen oder beschädigen, um ja keine Spuren zu verwischen. Wir sollen sie aber näher untersuchen, um herauszufinden, was sich darin befindet."

Abb. 3: Ein Schüler untersucht die verschlossene Schachtel.

Der Lehrer erklärt, dass die Arbeit in Gruppen fortgeführt werden soll. Er gibt jeder Gruppe eine "Wunderschachtel". Jede Gruppe schreibt alle ihre Beobach­tungen auf, ebenso die Hypothesen, die sich aus diesen Beobachtungen erge­ben.

Jede Gruppe bekommt das Arbeitsblatt 30 (Was ist in der Schachtel?). Mit dem Arbeitsblatt sollte es den Schülern leichter fallen, zwischen den beiden folgen­den Dingen zu unterscheiden: "Was ich beobachte" und "Hypothese, die ich aufgrund meiner Beobachtungen aufstelle". Beispiel: "Aus der Schachtel kommt ein Geruch nach Zitrusfrüchten" kommt in die Spalte "Beobachtungen". Diese Beobachtung führt zu folgenden Annahmen: In der Schachtel befindet sich eine Zitrusfrucht, ein Teebeutel, ein Stück Seife, das nach Zitrusfrucht riecht. Kommen weitere Beobachtungen hinzu, werden die Annahmen verändert oder eingegrenzt. Der Lehrer hilft den Schülern beim Aufschreiben ihrer Beobach­tungen und bei der Formulierung ihrer Hypothesen.

Zum Schluss wird die Schachtel vermessen. Dazu stehen den Schülern Lineale, Zollstöcke und Waagen zur Verfügung. Wenn die Schüler nicht spontan selbst darauf kommen, lässt der Lehrer sie über die Notwendigkeit nachdenken, dass man eine leere Schachtel wiegen und deren Masse von der gefüllten Schachtel abziehen muss, um auf die Masse des Gegenstands/Inhalts zu kommen.

Der Lehrer sagt an, dass die Schüler in der nächsten Stunde ihre Hypothesen überprüfen werden. Dazu wird er ihnen Material/Geräte zur Verfügung stellen. Wenn sie selbst schon bestimmtes Material/bestimmte Geräte im Blick haben, sollen sie diese(s) zur nächsten Stunde mitbringen – zum Beispiel Magnete, um zu überprüfen, ob der Gegenstand Eisen, Nickel oder Cobalt enthält [1].

Phase 2: Die Ermittlung geht weiter (ca. 1 Stunde)

Der Lehrer stellt den Schülern auf einem Tisch alles Mögliche an Material zur Verfügung, darunter auch Gegenstände, die "Kandidaten" für den Inhalt der Schachteln sind. Einige entsprechen auch tatsächlich den Gegenständen in den Schachteln, andere nicht. Die Schüler nehmen das Arbeitsblatt 30 (Was ist in der Schachtel?), das sie in der Phase 1 ausgefüllt haben, wieder zu Hand und nehmen sich das Material, das sie zum Testen ihrer Hypothesen brauchen.

Abb. 4: Möglicher Inhalt der Wunderschachtel (zum Vergrößern auf das Bild klicken)

Die infrage kommenden Gegenstände werden in die leere Schachtel (die Kon­trollschachtel) gelegt – erst jeder Gegenstand einzeln, dann mehrere zusam­men. Dann wird geschaut, ob die Kontrollschachtel und die Wunderschachtel sich ähnlich verhalten. Der Lehrer macht die Schüler auf Folgendes aufmerk­sam:

• Beide Schachteln müssen den identischen Prozeduren unterworfen wer­den: aus der gleichen Entfernung daran riechen, gleich stark schütteln usw.
• Zumindest am Anfang sollte nur ein Gegenstand auf einmal in die Kontroll­schachtel gelegt werden.
• Es sollte jeder Schüler der Gruppe reihum die Tests wiederholen. Das er­höht die Verlässlichkeit des Ergebnisses.

Beispiel: Die Hypothese lautet "In der Wunderschachtel ist ein Teebeutel mit Zitrusfruchtgeschmack". Auf dem Tisch liegt solch ein Teebeutel, außerdem ein nach Zitrusfrucht riechender Teststreifen aus Pappe sowie eine Zitrone. Es wird ein Gegenstand nach dem anderen in die leere Schachtel gelegt. Jedes Mal wird mit der Wunderschachtel verglichen: Es wird an beiden Schachteln aus der gleichen Entfernung gerochen und beide Schachteln werden auf die gleiche Weise geschüttelt. Jeder Schüler der Gruppe wiederholt das "Experi­ment".

Der Lehrer bittet die Schüler jede neue Beobachtung in die Tabelle einzutra­gen, ihre Hypothesen entsprechend zu ändern bzw. zu eliminieren. Es werden sich in dieser Phase des Herantastens wahrscheinlich zahlreiche Hypothesen als falsch herausstellen. Die Schüler werden aber feststellen, dass alle diese Fehlschläge sie durch Ausschluss näher ans richtige Ergebnis bringen: "Es ist zu schwer, und die Bewegung ist ganz anders. Also ist es keine echte Zitrone, wir probieren mal den Teebeutel aus."

Phase 3: Vergleich der Ergebnisse (ca. 1 Stunde)

Die einzelnen Schülergruppen bereiten eine etwa 5-minütige Präsentation vor. Reihum werden die Ergebnisse den Mitschülern vorgestellt – wie bei einer Kon­ferenz. Anschließend diskutiert die Klasse über die jeweiligen Beobachtungen und Tests.

Zusammenfassung

Der Lehrer nutzt diese Diskussion, um noch einmal auf die Vorgehensweisen hinzuweisen und sie von den Schülern erklären zu lassen: "Was habt ihr in dieser Unterrichtseinheit gelernt?" "Wir haben gelernt etwas zu erforschen, das wir nicht sehen konnten; Hypothesen aufzustellen und dann zu überprü­fen, ob diese stimmen oder nicht; zum Vergleichen eine 'Kontrollschachtel' zu verwenden; erst in Gruppen und dann alle gemeinsam zu arbeiten; dass man nicht immer eine Antwort auf die Ausgangsfrage findet – so ergeht es auch den Forschern." "Wir mussten herausbekommen, was sich in der Wunder­schachtel befindet. Wir mussten uns auf Indizien stützen, weil wir den Inhalt der Schachtel nicht direkt beobachten konnten."

Die Schüler fassen gemeinsam zusammen.

Zum Schluss kann/können (muss aber nicht) die Wunderschachtel(n) geöffnet werden. Der Lehrer erinnert daran, dass den Wissenschaftlern dieser "Luxus" in der Regel nicht vergönnt ist.

Im Alltag hat man meistens weder die Zeit noch die Geduld, um solch ein aus­führliches Testverfahren zu entwickeln und anzuwenden, nur um eine Hypo­these zu überprüfen. Die Wissenschaft dagegen muss diese Prozedur jedes Mal und immer wieder durchführen. Eine Behauptung, die auf diese Weise getestet wurde, hat einen ganz anderen Wahrheitsgehalt als eine Behauptung, die sich auf Eindrücke oder vorgefasste Meinungen stützt bzw. die aus einer einfachen Werbeanzeige stammt.

Abb. 5: Schachtel mit Teebeutel, Murmel und Zettel

Evaluation

Die Schüler bekommen den Evaluationsbogen 16 (Experimentieren – die einzel­nen Schritte). Sie sollen ein Plakat zur experimentellen Methode entwerfen, die sie in dieser Unterrichtseinheit kenngelernt haben. Es sollen die einzelnen Schritte beschrieben werden sowie die Punkte, auf die man besonders achten sollte. Die Schüler können für jeden Schritt eigens ein Symbol entwerfen. Die Plakate der einzelnen Gruppen können anschließend als Grundlage für ein Pla­kat der gesamten Klasse dienen.

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Fußnote

1: Viele metallische Gegenstände sind aus bzw. enthalten eins der drei ferro­magnetischen Metalle Eisen, Nickel oder Cobalt. Andere Metalle wie Kupfer, Silber oder Aluminium sind nicht ferromagnetisch und werden nicht von Magne­ten angezogen.

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