Ausbildung von Naturwissenschaftslehrkräften: Technologie mit pädagogischem Zweck integrieren

Der pädagogische Zweck steht vor dem Werkzeug

Der von der Europäischen Kommission — Gemeinsame Forschungsstelle (JRC) — entwickelte Europäische Rahmen für die digitale Kompetenz von Lehrenden (DigCompEdu) gliedert die digitale Kompetenz von Lehrenden in Bereiche wie berufliches Engagement, digitale Ressourcen, Lehren und Lernen, Bewertung und die Stärkung der Lernenden. Der Rahmen bietet Orientierung bei Entscheidungen, etwa bei der Auswahl oder Erstellung von Ressourcen entsprechend dem Ziel, dem Kontext, dem pädagogischen Ansatz und den Merkmalen der Gruppe; beim Schutz von Inhalten und Daten; sowie bei der Analyse von Lernnachweisen. Er ist eine professionelle Orientierungshilfe, kein Versuch über eine Anwendung und kein Beleg dafür, dass der Einsatz von Technologie für sich genommen das Lernen verbessert (DigCompEdu, Europäische Kommission — JRC).

Der TPACK-Rahmen ergänzt diese Perspektive, indem er technologisches, pädagogisches und fachliches Wissen miteinander in Beziehung setzt. Es reicht nicht, ein Werkzeug bedienen zu können: Wichtig ist auch, wie gelehrt wird und welches wissenschaftliche Konzept behandelt wird. Beide Rahmen helfen dabei, pädagogische Entscheidungen zu durchdenken, garantieren jedoch nicht die Wirksamkeit eines Werkzeugs oder einer Aktivität.

In der Praxis empfiehlt es sich, zunächst festzulegen, welches wissenschaftliche Konzept vermittelt werden soll, welche Schwierigkeit auftreten könnte und welche Leistung Verständnis erkennen ließe. Anschließend kann zwischen einer Simulation, einem virtuellen Labor, Sensoren oder nicht digitalen Materialien gewählt werden. Die Frage ist nicht, ob ein Werkzeug neuartig ist, sondern ob es dabei hilft, das Ziel zu erreichen und die Denkprozesse der Lernenden sichtbar zu machen. DigCompEdu umfasst auch Barrierefreiheit, Differenzierung und aktive Beteiligung: Die Kompetenz von Lehrenden beschränkt sich nicht auf die technische Bedienung der Ressource.

Eine systematische Übersicht von 2026 zur digitalen Kompetenz im Physikunterricht, die auf Suchanfragen in Scopus und englischsprachigen Veröffentlichungen beruht, bündelt Arbeiten mit unterschiedlichen Forschungsdesigns. Sie beschreibt Möglichkeiten von Simulationen und virtuellen Laboren, wenn diese auf pädagogische Ziele abgestimmt sind, warnt jedoch davor, dass Wahrnehmungen, Selbsteinschätzungen oder Expertenvalidierungen nicht ausreichen, um Verbesserungen des Lernens nachzuweisen. Die Übersicht bietet Kontext zum Forschungsfeld; sie schätzt keinen universellen Effekt, und ihre Schlussfolgerungen lassen sich nicht automatisch auf alle Naturwissenschaften und Bildungsstufen übertragen (Übersicht zur digitalen Kompetenz in der Physikdidaktik).

Aktivitäten so gestalten, dass sich Denkprozesse untersuchen lassen

Eine Untersuchungssequenz kann mit einer Frage beginnen, zu einer Vorhersage auffordern, eine Bedingung verändern, während andere konstant gehalten werden, Beobachtungen festhalten und eine Erklärung begründen lassen. Die digitale Ressource kann dabei helfen, ein Phänomen zu erkunden, doch die Interaktion allein ist noch keine Untersuchung. Um das Lernen zu untersuchen, kommt es darauf an, was die Lernenden erklären oder tun können, nicht nur darauf, ob sie eine Aktion auf dem Bildschirm abgeschlossen haben.

Die Tabelle enthält anpassbare Unterrichtsvorschläge, keine Aktivitäten, deren pädagogische Wirksamkeit nachgewiesen wurde. In jedem Fall bestimmen Ziel und erwartetes Ergebnis den Einsatz des Werkzeugs; falls es nicht verfügbar ist, wird eine Alternative vorgeschlagen, die eine Analyseaufgabe beibehält.

Bei der Stromkreisaktivität ermöglicht PhET die Erkundung von Gleichstromkreisen, Bauteilen sowie Messungen von Stromstärke und Spannung. Der Vergleich des Modells mit einem realen Aufbau kann dazu dienen, zu erörtern, was es darstellt und was nicht: Die Simulation bildet beispielsweise Kontaktfehler oder Schwankungen der realen Geräte nicht automatisch ab. Jede praktische Arbeit erfordert geeignete Materialien und die Sicherheitsvorschriften der Einrichtung; der Aufbau darf niemals an das Stromnetz angeschlossen werden. Der Vorschlag enthält keine gemessenen Lernergebnisse (Dokumentation zu Circuit Construction Kit: DC).

Virtuelle Labore, Messungen und praktische Erfahrungen

Ein virtuelles Labor kann dabei helfen, Verfahren vorwegzunehmen und Variablen sowie Kontrollbedingungen vor einer Aktivität sichtbar zu machen. Die Lernenden können vorhersagen, was sich ändern würde, begründen, was konstant bleiben sollte, und das Modell anschließend mit einer realen praktischen Arbeit vergleichen, sofern dies angemessen ist. Das Modell kann die Visualisierung und Vorbereitung unterstützen, vermittelt aber nicht automatisch den Umgang mit Geräten, manuelle Fertigkeiten oder den Umgang mit Gerätefehlern und Bedingungen der materiellen Sicherheit. Wenn das Ziel solche Erfahrungen einschließt, ersetzt die virtuelle Aktivität weder die praktische Arbeit noch die Anleitung durch Lehrende.

Im Lichtbeispiel weist die phyphox-Seite darauf hin, dass der Umgebungslichtsensor in der Anwendung auf dem iPhone nicht verfügbar ist. Daher sollte die Gerätekompatibilität geprüft werden, bevor die Aktivität geplant wird, statt davon auszugehen, dass alle Telefone geeignet sind. Eine Sensormessung ist außerdem nicht automatisch gleichbedeutend mit einer kalibrierten Messung der Solarleistung: Beleuchtungsstärke und Bestrahlungsstärke sind unterschiedliche Größen. Eine instrumentelle Studie zu Lichtsensoren in Mobiltelefonen behandelt die Kalibrierung und Unsicherheit bei der Messung der solaren Bestrahlungsstärke; sie bietet Kontext zu Messungen, aber keinen Beleg für die pädagogische Wirksamkeit der vorgeschlagenen Aktivität (phyphox-Experiment Light; instrumentelle Studie zu Lichtsensoren in Mobiltelefonen).

Bei Verbindungsproblemen bietet PhET Möglichkeiten, Simulationen offline zu nutzen, darunter eine Desktop-Anwendung mit HTML5- und Java-Simulationen sowie deren Übersetzungen für Windows und macOS. Die Kompatibilität und Bedingungen der jeweiligen Option sollten vor der Planung der Aktivität geprüft werden. Mit phyphox lassen sich Messungen speichern und exportieren; bei der Übertragung in eine Tabellenkalkulation müssen Einheiten und Kontext erhalten bleiben. Die Ressourcen auf den verfügbaren Geräten zu testen und eine Alternative auf Papier vorzubereiten, hilft dabei, die Fortsetzung der Aktivität zu planen, auch wenn diese Alternative nicht mit der Bedienung der Simulation identisch ist (Offline-Zugang zu PhET; phyphox – häufig gestellte Fragen).

Gestalten, erproben und überarbeiten lernen

Eine kurze technische Einführung in die Bedienelemente einer Anwendung ist für sich genommen keine professionelle Fortbildung. Der Leitfaden der Education Endowment Foundation (EEF) zur beruflichen Weiterbildung beschreibt Mechanismen wie Modellieren, praktisches Erproben, Feedback, soziale Unterstützung und Nachbereitung, um die Anwendung des Gelernten zu festigen. Ausgehend von diesem Rahmen könnte ein Vorschlag für angehende Lehrkräfte vorsehen, dass sie eine Ressource zunächst aus der Perspektive eines Lernenden erkunden, eine Aktivität entwerfen, sie mit Kolleginnen und Kollegen in einer Mikro-Lehrprobe erproben, Rückmeldungen erhalten und die entstandenen Arbeiten nach der Durchführung mit Unterstützung einer Mentorin oder eines Mentors überarbeiten. Damit Erprobung und Überarbeitung möglich sind, braucht es auch Zeit und institutionelle Unterstützung.

Der EEF-Leitfaden bezieht sich auf Lehrkräfte im Schuldienst; seine Mechanismen auf die Erstausbildung anzuwenden, ist daher eine Anpassung und keine für diese Gruppe validierte Abfolge. Eine Studie von 2024, die auf Fokusgruppen mit fortgeschrittenen angehenden Sekundarschullehrkräften an einer europäischen Universität beruht, beschreibt die Einschätzung, dass selbstgesteuertes Lernen beim Erwerb von Fertigkeiten helfen kann, und den Wunsch nach Zusammenarbeit und Anleitung beim Unterrichten digitaler Kompetenzen. Sie umfasst verschiedene Fächer und misst keine kausale Verbesserung des Lernens der Schülerinnen und Schüler. Sie bietet Kontext zu geäußerten Bedürfnissen, aber keinen Nachweis dafür, dass ein bestimmtes Fortbildungsformat für alle angehenden Lehrkräfte funktioniert (EEF-Leitfaden zur beruflichen Weiterbildung; Studie zu den Wahrnehmungen angehender Lehrkräfte).

Bei der Überarbeitung einer Aktivität kann gefragt werden, ob die Anweisungen dazu beigetragen haben, eine Vorhersage zu formulieren, ob die Aufzeichnungen die Einheiten beibehielten, ob die Erklärung Nachweise von Schlussfolgerungen unterschied und ob Zugangsbarrieren auftraten. Diese Fragen dienen der Verbesserung des Designs, stellen aber für sich genommen keine kausale Bewertung der Technologie dar.

Inklusion, Datenschutz und Nutzungsbedingungen

Barrierefreiheit wird zusammen mit der Aktivität geplant. Die Richtlinien für Universelles Design für das Lernen von CAST empfehlen vielfältige Möglichkeiten der Beteiligung, Darstellung sowie Handlung und Ausdruck. Bei einer Aufgabe zur Dateninterpretation kann beispielsweise neben dem Diagramm auch eine Tabelle angeboten und eine mündliche oder schriftliche Erklärung ermöglicht werden. Je nach Bedürfnissen der Gruppe und Merkmalen der Ressource sollte die Bedienung per Tastatur, der Kontrast, die Vergrößerung, die Kompatibilität mit Screenreadern sowie das Vorhandensein textlicher oder akustischer Alternativen geprüft werden. Es sollte nicht davon ausgegangen werden, dass jede Simulation dieselben Optionen bietet oder dass eine Anpassung allein Barrierefreiheit garantiert (CAST-Richtlinien für Universelles Design für das Lernen).

Technologie sollte das persönliche Mobiltelefon nicht zur Voraussetzung machen. Geräte der Einrichtung, gemeinsames Arbeiten oder eine Alternative auf Papier können vorgesehen werden. Bei Anwendungen und Plattformen muss die Einrichtung wissen, welche Daten erhoben werden, welche Berechtigungen angefordert werden, wer auf die Informationen zugreifen kann, wo und wie lange sie gespeichert werden und wie sie gelöscht werden. Arbeiten oder identifizierbare Daten sollten nicht in nicht autorisierte Dienste hochgeladen werden; Dateien sollten über zugelassene Kanäle geteilt werden. Der Leitfaden der spanischen Datenschutzbehörde bietet kontextbezogene Orientierung für Bildungseinrichtungen in Spanien und ist als in Überarbeitung gekennzeichnet; er ist weder eine allgemeingültige Regelung noch ersetzt er die Prüfung der Bedingungen, die an der jeweiligen Einrichtung gelten (Leitfaden der AEPD für Bildungseinrichtungen).

Auch die Gesamtkosten sollten bewertet werden: Geräte, Betrieb, Wartung, Konnektivität und Schulung zusätzlich zur anfänglichen Lizenz. Die Empfehlungen des UNESCO-GEM-Berichts 2023 sehen vor, Relevanz, Gerechtigkeit, Nachhaltigkeit und unabhängige Evidenz unter Berücksichtigung der Bedürfnisse der Lernenden und Lehrenden einzubeziehen. Bei der Bewertung von Evidenz zu einer Technologie sollten die Methoden, die Stichprobe, die Messgrößen, mögliche Verzerrungen, die Finanzierung oder Interessen des Anbieters sowie die Relevanz für den Kontext geprüft werden. Es handelt sich um Empfehlungen zur Orientierung von Entscheidungen, nicht um eine Garantie dafür, dass jede Ressource kostenlos oder in jedem Kontext geeignet ist (Empfehlungen des UNESCO-GEM-Berichts 2023).

Mit Vorsicht bewerten

Vor der Umsetzung eines Vorschlags kann vereinbart werden, welches wissenschaftliche Ergebnis erwartet wird und welche Nachweise es erkennen lassen würden. Erste und spätere Erklärungen, eine Transferaufgabe zu einem anderen Fall und die Nachverfolgung der Arbeitsergebnisse können helfen, die Denkprozesse zu überprüfen. Wenn möglich, kann auch ein Vergleich mit einer sinnvollen Alternative nützlich sein. Bei der Interpretation der Ergebnisse sind Vorwissen, Zeit, Unterstützung durch Lehrende und Zugangsbarrieren von Bedeutung.

Zufriedenheit, erklärte Motivation oder Bildschirmzeit sind für sich genommen nicht mit naturwissenschaftlichem Lernen gleichzusetzen. Auch ein Vorher-Nachher-Vergleich in nur einer Gruppe beweist nicht, dass ein beobachteter Unterschied auf das Werkzeug zurückzuführen ist. Um Veränderungen der Ressource zuzuschreiben, wären Lernergebnisse, geeignete Vergleiche und eine Berücksichtigung der Einschränkungen des Designs nötig; ein Zusammenhang oder eine positive Wahrnehmung belegt keine Kausalität.

Die zitierten Materialien erfüllen unterschiedliche Funktionen. DigCompEdu und TPACK sind Orientierungsrahmen; die CAST-Richtlinien und die UNESCO-Empfehlungen bieten Orientierung für die Gestaltung; die Studie zu angehenden Lehrkräften informiert über Wahrnehmungen; die Sensorstudie behandelt Messungen; und die Übersicht zur Physikdidaktik fasst Arbeiten mit unterschiedlichen Methoden zusammen. Keines dieser Materialien belegt für sich genommen, dass eine Simulation, ein Sensor oder ein Fortbildungsformat das Lernen in jedem Unterricht verbessert. Eine pädagogische Entscheidung, die sich begründen lässt, verknüpft die Ressource mit einem klaren Ziel, erhebt relevante Nachweise und berücksichtigt die Einschränkungen des Kontexts und der Messung.