Der naturwissenschaftliche Unterricht an unseren Schulen

Do, 22.06.2017 - 07:52 — Inge Schuster

Die ungemein stürmische Entwicklung der Naturwissenschaften und ihrer Anwendungen im letzten Jahrhundert prägt unsere Lebenswelt, spiegelt sich aber nicht in den Lehrplänen unserer Schulen wider. Der Fächerkanon und was wann und in welchem Ausmaß unterrichtet wird, hat sich kaum verändert, Chemie, Physik und Biologie sind unterrepräsentiert geblieben. Wie der jüngste PISA-Test zeigt, schneiden unsere Schüler in diesen Fächern nur mittelmäßig ab, haben zu wenig Interesse sich mit Naturwissenschaften zu beschäftigen und halten diese für ihr zukünftiges Berufsleben entbehrlich. Eine Bildungsreform, die ihren Namen verdient, sollte darauf hinarbeiten dem Naturwissenschaftsunterricht zu einem positiverem Image zu verhelfen und unserer Jugend Wissen und Können in diesen Fächern zu vermitteln, um sie auf eine naturwissenschaftlich orientierte Welt von Morgen vorzubereiten.

Eine Diskussion zur Reform des naturwissenschaftlichen Unterrichts

"Das ist wohl uns allen klar, dass bei jeder Mittelschulreform der nächsten Zeit die Naturwissenschaften eine stärkere Berücksichtigung finden müssen als bisher. Nicht umsonst liegt doch ein ganzes Jahrhundert, das man mit Vorliebe das Jahrhundert der Naturwissenschaften nennt, hinter uns, nicht umsonst ist doch der formale, der sachliche und ethische Bildungswert der Naturwissenschaften so oft betont und erwiesen worden."

Dies ist keine längst überfällige Einsicht der letzten Wochen: vielmehr stammt diese Erkenntnis aus einer breiten Reformdiskussion, die im Jahr 1908 über den naturwissenschaftlichen Unterricht an den österreichischen Mittelschulen stattfand [1]. In der Tat war die naturwissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Entwicklung der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts an den Lehrplänen der Schulen vorbeigegangen. Besonders stiefmütterlich war die Chemie im Unterricht behandelt worden - sie fristete als Anhängsel einerseits der Physik und andererseits der Mineralogie ein Schattendasein. Und dies obwohl man die Chemie als eine Grundwissenschaft t erkannt hatte "welche uns erst mit der Zusammensetzung und inneren Beschaffenheit der Körper bekannt macht, die für das Verständnis der Lebensvorgänge des Menschen, der Tiere und der Pflanzen ebenso notwendig wie für das Verständnis der Bildungsweise der Mineralien. Von ihrer großen praktischen Bedeutung hier ganz zu schweigen"[1]. In letzterer Hinsicht hatte die Chemie ja damals völlig neue, praktisch verwertbare Möglichkeiten geschaffen: von der Herstellung reiner Metalle mit Hilfe elektrochemischer Verfahren über die Erzeugung von Düngemitteln bis hin zur Synthese von Farbstoffen und Derivierung von Naturstoffen, die zur Produktion von Arzneimitteln führte. Eine neue Industrie , die chemische Industrie war entstanden. Konzerne wie BASF, Bayer, Hoechst in Deutschland oder in Österreich beispielsweise die Treibacher Werke waren gegründet worden.

In der Reformdiskussion vom Jahr 1908 stellte Rudolf Wegscheider, damals Professor für Chemie an der Universität Wien, aber auch klar:

"Der Chemieunterricht am Gymnasium ist nicht zu fordern vom Standpunkt der Heranbildung von Chemikern, sondern weil heute chemische (wie überhaupt naturwissenschaftliche) Kenntnisse ein notwendiger Bestandteil der allgemeinen Bildung sind und zahlreiche Hörer der Universität chemische Kenntnisse brauchen."[1]

Als wären seit damals nicht mehr als 100 Jahre vergangen

klingt es sehr ähnlich im Vorwort der vor einigen Monaten veröffentlichten Ergebnisse der PISA 2015 Studie (PISA bedeutet: OECD Programme for International Student Assessment ):

"Kenntnisse und Kompetenzen im Bereich Naturwissenschaften sind nicht nur für die berufliche Tätigkeit von Naturwissenschaftlern von Nutzen, sondern sie sind in einer durch naturwissenschaftliche Technologien geprägten Zeit auch Voraussetzung für eine volle gesellschaftliche Teilhabe. Deshalb sollte darauf hingearbeitet werden, dass der Naturwissenschaftsunterricht ein positiveres Image erhält, indem er als Wissensbereiche präsentiert wird, die interessant sind und Spaß machen." Um an anderer Stelle zu konstatieren: "Besorgniserregend ist, wie vielen jungen Menschen es nicht einmal gelingt, ein Grundniveau an Kompetenzen zu erreichen"[2].

Im 20. Jahrhundert kam es zur Wissensexplosion in den Naturwissenschaften

Basierend auf den Erkenntnissen des 19. Jahrhunderts haben sich die Naturwissenschaften in einem rasanten, sich selbst beschleunigendem Tempo weiterentwickelt. Es sind völlig neue Konzepte entstanden: von Raum und Zeit, vom Aufbau der Materie aus Elementarteilchen, von Aufbau und Evolution des Universums, von Struktur und Funktion einfacher Moleküle bis hin zu den molekularen Eigenschaften der Grundbausteine lebender Materie. Daraus resultierten technologische Entwicklungen - Basisinnovationen u.a. in Elektrotechnik, Petrochemie, Hightech-Materialien - , die unsere heutigen Lebenswelten prägen. Molekulare Biowissenschaften sind entstanden und haben uns fundamentale Erkenntnisse über physiologische Prozesse in Organismen und deren pathologische Entgleisungen gebracht: es sind dies die Grundlagen, die uns erstmals in die Lage versetzen kausal Krankheiten zu verhindern oder zu behandeln, Landwirtschaft bei sinkender Nutzfläche an die Erfordernisse einer wachsenden Weltbevölkerung nachhaltig anzupassen, Ursachen von Umweltproblemen gezielt abzuwehren und - mittels biotechnologischer Verfahren - Nutzorganismen für uns arbeiten lassen. Möglich wird dies alles erst durch eine Informationstechnologie, die uns weltweit vernetzt, die globales Wissen speichert und auf Basis des ungeheuren Datenmaterials uns zu einem mehr und mehr präzisen Modellieren/Vorhersagen komplexer Systeme und darin ablaufender Vorgänge befähigt.

Wie steht es um die naturwissenschaftliche Bildung an unseren Schulen?

Unter "§ 2. Aufgabe der österreichischen Schule" heißt es:

"Die Schule hat die Jugend mit dem für das Leben und den künftigen Beruf erforderlichen Wissen und Können auszustatten und zum selbsttätigen Bildungserwerb zu erziehen" (Schulorganisationsgesetz, Fassung vom 20.06.2017).

Man sollte also annehmen, dass die stürmische Entwicklung der Naturwissenschaften und ihrer Anwendungen im letzten Jahrhundert sich auch in den Lehrplänen unserer Schulen widerspiegelt, in denen nach wie vor gültige Grundlagen und darauf aufbauend ein Überblick über die relevantesten Erkenntnisse ihren Platz finden sollten. Zwangsläufig bedeutet dies eine Ausweitung des naturwissenschaftlichen Unterrichts

Ein Blick auf das Ausmaß naturwissenschaftlichen Unterrichts

während des letzten Jahrhunderts bietet ernüchternde Zahlen (Abbildung 1). Betrachten wir vorerst die allgemeinbildenden höheren Schulen (AHS), an denen während einer achtjährigen Schulzeit zweifellos ein Maximum an naturwissenschaftlicher Bildung vermittelt werden kann, so wurden im Jahr 1908 im Gymnasium für Physik, Chemie und Biologie (PCB) zusammengenommen rund 10 % der Unterrichtsszeit aufgewandt. Mehr als ein Jahrhundert später sind es nun gerade einmal 12,7 %. Nimmt man die Mathematik dazu (MPCB) so ist der Anteil an der Unterrichtsszeit von 20 auf 23,3 % gestiegen.

An Realgymnasien wird - wie der Name sagt - mehr Gewicht auf die realistischen Fächer gelegt. Hier war der Anteil von PCB am Unterricht von Anfang an etwas höher: er lag 1918 bei 11,6 % und ist in rund 100 Jahren nur schwach auf 14,8 % gestiegen; inklusive Mathematik betrug 1918 der Anteil am Unterricht 22 % und heute 25,4 %.

Abbildung 1.In den Gymnasien (G) und Realgymnasien(RG) ist im letzten Jahrhundert der Anteil der Unterrichtstunden in Naturwissenschaften (Physik (P), Chemie (C), Biologie (B)) und Mathematik am Gesamtunterricht nur schwach gestiegen. Es wurden die vollen 8 Jahre Ausbildung berücksichtigt. (1908/9: Zehn Jahre Welser Gymnasium, http://digi.landesbibliothek.at/viewer/image/AC08808691/19/#topDocAnchor, * bedeutet: der Anteil von PCB dürfte etwas höher sein, da auch in Geographie darüber gesprochen wurde ; 1918/19: XXX. Jahresbericht des öffentlichen Mädchen-Lyzeums und Reformgymnasiums in Linz, http://digi.landesbibliothek.at/viewer/image/AC04151117_30191819/42/#topDocAnchor; 1933/34: G: LXIII Jahresbericht des Bundesgymnasiums in Freistadt, OÖ, http://digi.landesbibliothek.at/viewer/image/AC11418645_1933/1/LOG_0003 / und RG: 45. Jahresbericht der städtischen Mädchenmittelschulen in Linz, http://digi.landesbibliothek.at/viewer/image/AC04151241_45193334/15/ ; 2004: Österreichischer AHS-Lehrplan im Bundesgesetzblatt kundgemacht (BGBl. II Nr. 133/2000), https://www.bmb.gv.at/schulen/unterricht/lp/lp_ahs_unterstufe.html, https://www.bmb.gv.at/schulen/unterricht/lp/lp_ahs_oberstufe.html).

Nun gibt es heute im Rahmen der schulautonomen Lehrplanbestimmungen die Möglichkeit Schwerpunkte zu setzen, u.a. einen naturwissenschaftlich-technischen/mathematischen Schwerpunkt und in der Oberstufe der AHS im schülerautonomen Bereich Wahlpflichtgegenstände. ( https://www.ris.bka.gv.at/GeltendeFassung.wxe?Abfrage=Bundesnormen&Geset... ). Sind hier adäquate Einrichtungen und Mittel vorhanden und vor allem Lehrer, die für Naturwissenschaften faszinieren können, so bietet dies einem Teil unserer Schüler die Möglichkeit eine vertiefte up-to-date Bildung in diesen Fächern zu erhalten. Für die Mehrheit der Schüler, deren Schwerpunkte in anderen Fachrichtungen liegen, wird dies vermutlich kaum der Fall sein.

Stundenpläne einst und jetzt

Abbildung 2 zeigt als repräsentative Beispiele die Stundenpläne des Realgymnasiums von heute (Klassen 1 - 4: Unterstufe, Sekundarstufe 1;Klassen 5 - 8: Oberstufe, Sekundarstufe 2) und im Schuljahr 1933/34. Der aktuelle Stundenplan der Unterstufe gleicht dem der Hauptschulen und Neuen Mittelschulen (NMS).

Was besonders ins Auge fällt: in über 80 Jahren, in denen sich die Welt komplett veränderte, hatte dies auf den Kanon der Fächer und die diesen zugeteilten Unterrichtsstunden kaum Einfluss. Wann und in welchem Ausmaß was unterrichtet wird, ist im Wesentlichen gleich geblieben. Auch, dass nach wie vor der Cluster Sprachen + Geschichte den umfangreichsten Teil im Unterricht bildet. Letzteres gilt noch mehr für die Stundenpläne an den Gymnasien (nicht gezeigt). Wesentlich reduziert wurde in beiden AHS-Formen der Unterricht in den klassischen Sprachen Latein und Griechisch (Latein ist ja für viele Studienrichtungen nicht mehr Voraussetzung). Abbildung 2. Der Stundenplan des Realgymnasiums heute und im Schuljahr 1933/34 (Bild: Links: https://www.bmb.gv.at/schulen/unterricht/lp/lp_ahs_unterstufe.html, https://www.bmb.gv.at/schulen/unterricht/lp/lp_ahs_oberstufe.html). und rechts: RG: 45. Jahresbericht der städtischen Mädchenmittelschulen in Linz, http://digi.landesbibliothek.at/viewer/image/AC04151241_45193334/15)

In Mathematik und den naturwissenschaftlichen Fächern gab es mit Ausnahme der Chemie hingegen kaum Änderungen. Für dieses besonders stiefmütterlich bedachte Fach wurden - zumindest seit den 1950er Jahren - zusätzliche 2 Stunden in den 4. Klassen der Unterstufe eigeführt.

Was sollten Schüler am Ende der Pflichtschule in den Naturwissenschaften wissen und können?

Gehen wir nun von den AHS-Absolventen zu den Schülern am Ende der Pflichtschulzeit.

Naturwissenschaften rangieren im österreichischen Unterrichtsministerium offensichtlich nicht unter Top Priority. So hat das Ministerium im Jahr 2009 für die 8. Schulstufe Bildungsstandards für die Pflichtfächer Deutsch, lebende Fremdsprache (Englisch) und Mathematik verordnet (StF: BGBl. II Nr. 1/2009 ), die nun seit dem Schuljahr 2011/12 flächendeckend am Ende der Pflichtschule (Hauptschule, NMS, Unterstufe der AHS) in einem Zyklus von fünf Jahren überprüft werden. Entsprechende Bildungsstandards in den Naturwissenschaften existieren aber (noch) nicht.

Die PISA-Studie 2015.....

Ein internationaler Leistungsvergleich erfolgt in der von der OECD beauftragten PISA Studie (Programme for International Student Assessment), die im Abstand von drei Jahren die Leistungen der 15- und 16-jährigen Schüler/innen in drei zentralen Bereichen – Lesen, Mathematik und Naturwissenschaften – erhebt und international vergleicht. Nach 2006 standen im Jahr 2015 die Naturwissenschaften wieder im Mittelpunkt des Tests, in geringerem Ausmaß wurden auch Lesekompetenz und Mathematik erhoben. Über 540 000 Schüler aus 72 Ländern nahmen 2015 an den Pisa-Tests teil, in Österreich waren es rund 7000 Schüler aus rund 270 Schulen.

Der Test evaluierte dabei drei Kompetenzen, von denen jede einen bestimmten Typ von Wissen über Naturwissenschaften voraussetzt: die Fähigkeiten

i) Phänomene naturwissenschaftlich zu erklären,

ii) naturwissenschaftliche Forschung zu bewerten und naturwissenschaftliche Experimente zu planen,

iii) Daten und Evidenz naturwissenschaftlich zu interpretieren.

Ohne nun auf die Art der Fragestellungen, den Verlauf der Testung und das Verfahren zur Quantifizierung der Ergebnisse auf einer Punkteskala eingehen zu wollen (und auf die darin kritisierten Punkte), gibt PISA durchaus einen Eindruck vom Wissen und Können im internationalen Vergleich. In der 2015-Testung erstreckt sich die Skala vom Durchschnittsergebnis über alle Länder von 493 Punkten nach höheren und niedrigeren Werten. Dabei liegt Singapur mit 556 Punkten an der Spitze der Wertung, die Dominikanische Republik mit 332 Punkten am unteren Ende.

... und die Ergebnisse für die österreichischen Schüler

Österreichs Schüler zeichneten sich leider nicht durch Leistungsstärke aus: mit einem Durchschnitt von 495 Punkten sind sie OECD-Durchschnitt. Unter den 38 OECD Ländern bedeutet dies nun nur mehr den 20. Platz. Unerfreulich ist auch, dass nur ein vergleichsweise sehr kleiner Anteil (7,7 %) dieser Schüler mit der naturwissenschaftlichen Kompetenz (Leistungsstufe größer/gleich 5) im internationalen Spitzenfeld lag, dagegen 20,8 % die naturwissenschaftliche Grundkompetenz (Leistungsstufe unter 2) nicht erreicht haben (unter 409,5 Punkte) . Abbildung 3.

Abbildung 3. Mittlere Punktzahlen auf der Gesamtskala Naturwissenschaften, 2006-2015 (oben) und Prozentsatz leistungsschwacher und besonders leistungsstarker Schüler (unten). (Bild: www.bildungswissenschaft.at Auszug aus [2]; mit freundlicher Genehmigung von Gerhard Riegler)

Bedenklicher als das mittelmäßige Abschneiden unserer Schüler erscheinen deren Einstellungen gegenüber Naturwissenschaften. Abbildung 4. Wesentlich weniger Schüler als im OECD-Schnitt finden Freude an Naturwissenschaften, sind bereit darüber zu lesen, zu lernen und sich mit naturwissenschaftlichen Problemen zu beschäftigen. Unter den OECD-Ländern zeigen nur die Niederländer ein ähnlich geringes Interesse wie die Österreicher.

Mit dem Desinteresse in Einklang meint (mehr als) die Hälfte der Schüler, dass es sich einfach nicht lohnt sich im Unterricht anzustrengen - dass die Jobaussichten damit nicht besser werden und dass sie für ihren künftigen Beruf Naturwissenschaften nicht brauchen werden.

Abbildung 4. Freude an Naturwissenschaften (oben) und Lernmotivation (unten). (Quelle: Auszug aus [2], oben: Tabelle I.3.1a, unten: Tabelle I.3.3a)

Es ist nicht von der Hand zu weisen, dass die Einstellung der Schüler zu den Naturwissenschaften und die Einschätzung der damit verbundenen Zukunftsaussichten von dem in unserem Land grassierenden Misstrauen diesen Fächern gegenüber geprägt sind.

Mangelnde naturwissenschaftliche Bildung führt ja dazu, dass in neuen Erkenntnissen und Anwendungen vor allem Gefahren gesehen werden und die Ängste die Positiva überdecken, die mit den neuen Möglichkeiten verbunden sind. Insbesondere ist das Bild der Chemie negativ besetzt - die Medien werden nicht müde die böse Chemie anzuprangern als Verursacherin von Umweltschäden, Vergiftungen, Nebenwirkungen von Medikamenten und, und, und.....Über die Schlüsselrolle, welche die Chemie in allen Bereichen unseres Lebens hat, wird kaum berichtet. Ebenso werden in der Biologie Gefahrenquellen gesehen; hier werden vor allem Ängste vor Gentechnik , vor der Humangenetik geschürt, Tierversuche verdammt. Dazu kommt die Furcht vor der Kernenergie, vor Versuchen in Teilchenbeschleunigern, vor Radioaktivität. An die Stelle von kritischen Risikoabwägungen treten Vorurteile und es wird Verschwörungstheorien Glauben geschenkt, beispielsweise zu den vermeintlichen Gefahren der Handystrahlung oder zu der Vergiftung durch Chemtrails. Wer im Internet nach einigermaßen seriösen Darstellungen/Videos zu einem naturwissenschaftlichen Thema sucht, muss sich durch einen riesigen Berg mit pseudowissenschaftlichen Inhalten durchkämpfen, deren Richtigkeit er häufig nicht abschätzen kann.

Fazit

Unsere Schulen können das Verständnis für Naturwissenschaften offensichtlich nicht ausreichend vermitteln. Das mag daran liegen, dass diese Fächer nicht ihrer Bedeutung entsprechend im Unterricht repräsentiert sind, aber auch, dass in unserer Gesellschaft ungenügendes naturwissenschaftliches Wissen nicht als Bildungslücke angesehen wird. Es mag auch an einem Mangel an kompetenten Lehrern liegen, die bereit sind gegen Vorurteile und Desinteresse anzukämpfen und für ihre Fächer Faszination auslösen können. Wie bereits eingangs zitiert muss also " darauf hingearbeitet werden, dass der Naturwissenschaftsunterricht ein positiveres Image erhält, indem er als Wissensbereiche präsentiert wird, die interessant sind und Spaß machen[2.]

[1] R.von Wettstein (als Präsident der k.k. zool.- bot. Gesellschaft): Der naturwissenschaftliche Unterricht an den österreichischen Mittelschulen. Bericht über die von der k. k. zoologisch-botanischen Gesellschaft in Wien veranstalteten Diskussionsabende und über die hiebei beschlossenen Reformvorschläge.1908, Wien.

[2] OECD (2016), PISA 2015 Ergebnisse (Band I): Exzellenz und Chancengerechtigkeit in der Bildung, PISA, W. Bertelsmann Verlag, Germany. DOI 10.3278/6004573w

[3] OECD (2016), PISA 2015 Results (Volume II): Policies and Practices for Successful Schools, PISA, http://dx.doi.org/10.1787/9789264267510-en

Weiterführende Links

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inge Thu, 22.06.2017 - 07:52