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Simulationen und virtuelle Experimente in den Naturwissenschaften

Vanessa Nagel
Definition - worum geht’s?

Simulationen in den Naturwissenschaften modellieren naturwissenschaftliche Experimente oder Phänomene, die von mehreren Variablen beeinflusst werden. Interaktive Schaltflächen erlauben eine Manipulation der unabhängigen Variablen, das anschließende Durchführen der Simulation und die Messung (naturwissenschaftliches Experiment) oder Beobachtung (Phänomen) der abhängigen Variablen. Bei der Arbeit mit einer Simulation können einerseits Hypothesen gezielt getestet werden und andererseits ist ein exploratives entdeckendes Vorgehen möglich, bei dem ausprobiert wird, wie ein System auf eine bestimmte Manipulation reagiert. Im folgenden schließt der Begriff virtuelle Experimente sowohl die Simulation naturwissenschaftlicher Experimente als auch die Simulation naturwissenschaftlicher Phänomene ein.
Funktionen für das Lernen  - was wird ermöglicht / unterstützt?

Das Durchführen virtueller Experimente erweitert die Möglichkeiten der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung in der Schule. Durch sie können Experimente am Computer durchgeführt werden, die gefährlich, kostspielig oder zu aufwendig und dadurch in der Schule nicht durchführbar sind. Simulationen bieten darüber hinaus die Möglichkeit, Experimente durchzuführen, die in der Realität nicht oder nur schwer durchführbar sind, wie beispielsweise Experimente zu Räuber- Beute- Beziehungen. Aktuelle Studien zeigen, dass virtuelle Experimente hierbei eher das konzeptionelle Verständnis fördern, während tatsächlich durchgeführte Experimente stärker manuelle Experimentierfertigkeiten fördern. Daher bietet es sich insbesondere an, virtuelle und analoge Experimente zu kombinieren. Virtuelle Experimente können im Vergleich zu manuell durchgeführten Experimenten einen anderen Zugang eröffnen, indem sie unsichtbare Zusammenhänge visualisieren, wie zum Beispiel die Veränderung molekularer Strukturen. Multiple Repräsentationen innerhalb einer Simulation können verschiedene Konzeptebenen verbinden, so dass beispielsweise die Veränderungen molekularer Strukturen mit Diagrammen mental verknüpft werden können.
 
Gelingensbedingungen für die erfolgreichen Einsatz - wann funktioniert’s und wann nicht?

Das Arbeiten mit virtuellen Experimenten ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die kognitive Ressourcen stark beanspruchen kann. Deshalb empfiehlt es sich, die Schülerinnen und Schüler bei der Bearbeitung zu unterstützen und anzuleiten. Je nach Leistungsstand profitieren Schülerinnen und Schüler von unterschiedlichen Maßnahmen. Schwächere Schülerinnen und Schüler können mithilfe von Erklärvideos oder Beispielaufgaben unterstützt werden, die vor dem Arbeiten mit der Simulation exemplarisch zeigen, wie man zu einer Lösung kommt. Leistungsstarke Schülerinnen und Schüler kommen gut mit Problemlöseaufgaben zurecht und benötigen weniger Unterstützung. Ihnen genügen offene Problemstellungen, die sie mithilfe der Simulation beantworten können und Anregungen, wie sie ihre Ergebnisse dokumentieren können. Je offener die Fragen sind, mit denen Schülerinnen und Schüler angeleitet werden, desto stärker interagieren sie mit einer Simulation. Da in naturwissenschaftlichen Simulationen oft multiple Repräsentationen enthalten sind, beispielsweise eine Animation und eine Grafik, empfiehlt es sich, bei der Auswahl der Simulation darauf zu achten, dass diese räumlich nah zueinander präsentiert werden und Veränderungen gleichzeitig stattfinden. Der Lernerfolg wird unterstützt, wenn mit Farben oder Pfeilen auf wesentliche Veränderungen simultan hingewiesen wird.  
Beispiele
Simulationen und virtuelle Experimente finden sich zum Beispiel auf den folgenden Webseiten:

Interaktive Simulationen für die Naturwissenschaften, Geowissenschaften und Mathematik

Planet Schule

ExperiMINTe

LEIFIphysik

GO-LAB (englisch)

Virtual Biology Lab (englisch)
   
Weitere Informationen zum Thema Simulationen und virtuelle Experimente in den Naturwissenschaften finden sich im Video:
Literatur - Evidenz

Brinson, J. R. (2015). Learning outcome achievement in non-traditional (virtual and remote) versus traditional (hands-on) laboratories: A review of the empirical research. Computers & Education, 87, 218–237. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2015.07.003.

de Jong, T., Linn, M. C. & Zacharia, Z. C. (2013). Physical and Virtual Laboratories in Science and Engineering Education. Science, 340 (6130), 305–308.

Lazonder, A. W. & Harmsen, R. (2016). Meta-Analysis of Inquiry-Based Learning. Review of Educational Research 86 (3), 681–718.

Zacharia, Z. C., Manoli, C., Xenofontos, N., de Jong, T., Pedaste, M., van Riesen, S. A. N. et al. (2015). Identifying potential types of guidance for supporting student inquiry when using virtual and remote labs in science: a literature review. Educational Technology Research and Development, 63 (2), 257–302. https://doi.org/10.1007/s11423-015-9370-0.

Zitiervorschlag:

Nagel, V. (2020, April). Lernen mit Simulationen und virtuellen Experimenten in den Naturwissenschaften. In Digitalisierung in der Lehrerbildung Tübingen (TüDiLB) (Hrsg.), Evidenzbasierte Hinweise zum Einsatz digitaler Medien im Lehr-Lernkontext.
Inhaltlich aktualisiert am 10.05.2020

Zuletzt geändert: 19. Mai 2020, 16:22, [a.stephan]