Naturwissenschaftliche Kompetenzen im Praktikum fördern – Analysespinne und Inquiry Boards – einfachlehren

Laborpraktika sind in der Biologie – und anderen naturwissenschaftlichen Studiengängen – ein wesentlicher Teil der Lehre. In diesen Praktika soll das wissenschaftliche Arbeiten erlernt und Studierende sollen auf die Tätigkeit als Forschende vorbereitet werden.

Hierfür müssen im Studium die notwendigen Kompetenzen erworben werden. Doch welche Kompetenzen genau benötigen Studierende für die Durchführung von Experimenten und wie können diese angebahnt werden?

1. Welche Kompetenzen sind für das experimentelle Arbeiten relevant?

Das Studium der Biologie und der meisten MINT-Fächer zeichnet sich durch einen hohen Anteil experimenteller, forschungsnaher Arbeit aus, die meist im Labor, aber auch im (Semi-)Freiland durchgeführt wird.

Das Erlernen wissenschaftlichen Arbeitens und insbesondere das Aufstellen von Hypothesen, die Planung und Durchführung von Experimenten und die Auswertung von Daten ist daher ein zentraler Bestandteil des Bachelorstudiums.

Was müssen Studierende dazu können?

Um eine wissenschaftliche Hypothese zu formulieren, müssen Studierende in der Lage sein, eine begründete Vermutung über den Ausgang des Experiments zu formulieren und die abhängigen und unabhängigen Variablen des Experiments zu identifizieren.
Zur Überprüfung der Hypothese müssen Studierende fähig sein, Experimente zu planen, in denen sie die abhängigen Variablen mit passenden Methoden messen und die unabhängige Variable in geeigneter Weise variieren. Darüber hinaus müssen sie die Dauer und Anzahl der Messungen sinnvoll festlegen sowie mögliche Fehlerquellen und Risiken einschätzen können.
Studierende müssen die Fähigkeit haben, die in den Experimenten gewonnenen Daten sinnvoll auszuwerten. Dazu müssen sie geeignete statistische Methoden anwenden können und die Daten beschreiben, interpretieren und in den wissenschaftlichen Kontext einordnen können. Sie müssen außerdem in der Lage sein, die gewonnenen Ergebnisse kritisch zu reflektieren.

Wissenschaftliches Arbeiten erfordert also Kompetenzen im Bereich der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung (für eine detaillierte Beschreibung der notwendigen Teilkompetenzen s. Tabelle 1). Dieser Kompetenzbereich wird in der Schule als einer von vier zentralen fachlichen Kompetenzbereichen der Naturwissenschaften ab der Klasse 5 sukzessive gefördert. Allerdings attestieren internationale Vergleichstests, wie z.B. PISA, den Schüler:innen in Deutschland immer wieder Defizite im Bereich der naturwissenschaftlichen Kompetenzen (acatech & Joachim Herz Stiftung, 2024). Dementsprechend sind die tatsächlich vorhandenen Kompetenzen bei Studierenden zu Beginn des Studiums sehr heterogen. Bei vielen Studierenden müssen zumindest einzelne Teilkompetenzen gestärkt werden, um eigenständiges wissenschaftliches Arbeiten zu ermöglichen.

2. Das Spinnennetzmodell als Analyseinstrument für Experimentierkompetenzen

Um die Förderung der Experimentierkompetenzen im naturwissenschaftlichen Unterricht zu unterstützen, wurde von Physikdidaktiker:innen sowie Lehrkräften ein Modell entwickelt, das die in Tabelle 1 aufgeführten experimentellen Teilkompetenzen grafisch darstellt. Die in der Tabelle dargestellten Teilkompetenzen entsprechen den Schritten eines Forschungsprozesses und werden in drei Niveaustufen eingeteilt. Dabei steht 0 für das niedrigste und 2 für das höchste Niveau.

Die Tabelle ergänzt den Artikel, indem sie die Niveau-Stufung experimenteller Kompetenzen detailliert darstellt und konkrete Bewertungskriterien für einzelne Teilkompetenzen liefert.
Die Tabelle ist zweispaltig aufgebaut mit den Überschriften „Teilkompetenz“ und „Stufung“ und gliedert sich in mehrere Kompetenzbereiche, die jeweils in drei Niveaustufen (0, 1, 2) beschrieben werden:
Für die Teilkompetenz „Fragestellung entwickeln“ beschreibt Stufe 2 eine sinnvolle Fragestellung, die mit den verfügbaren experimentellen Mitteln untersucht werden kann, zielgerichtet ist und sich auf das zugrundeliegende naturwissenschaftliche Phänomen bezieht. Stufe 1 umfasst prinzipiell sinnvolle Fragestellungen, die jedoch mit den gegebenen Mitteln nicht oder nur unzureichend untersucht werden können oder sich lediglich auf der Beschreibungsebene befinden. Stufe 0 beschreibt fehlende oder nicht verwertbare Fragestellungen ohne sachlichen Bezug zum Thema.
Bei „Vermutungen aufstellen / Hypothesen bilden“ steht Stufe 2 für Hypothesen mit elaborierter sachlicher Begründung. Stufe 1 beschreibt Vermutungen mit unvollständiger Begründung oder ad-hoc-Annahmen. Stufe 0 umfasst keine, unbegründete oder zusammenhangslose Vermutungen.
Für „Experimente planen“ beschreibt Stufe 2 einen vollständig ausgearbeiteten und realisierbaren Versuchsplan zur Klärung der Aufgabenstellung. Stufe 1 umfasst Versuchspläne mit erkennbarem Zusammenhang zur Fragestellung, jedoch mit ungenauer Beschreibung oder teilweise fehlender Realisierbarkeit. Stufe 0 beschreibt keinen nachvollziehbaren oder nicht zur Fragestellung passenden Versuchsplan.
Bei „Versuch funktionsfähig aufbauen“ steht Stufe 2 für eine eigenständig aufgebaute, funktionsfähige Versuchsanordnung. Stufe 1 beschreibt eine funktionsfähige Anordnung mit geringer externer Hilfe. Stufe 0 umfasst fehlerhafte oder unvollständige Aufbauten sowie Situationen, in denen Probleme nicht erkannt oder keine Hilfe eingeholt wird.
Die Teilkompetenz „Beobachten / Messen / Dokumentieren“ wird in Stufe 2 als vollständige, zielgerichtete und korrekt dokumentierte Beobachtung mit sinnvoller zeitlicher Struktur beschrieben. Stufe 1 umfasst unvollständige oder teilweise fehlerhafte sowie unchronologische Beobachtungen. Stufe 0 beschreibt fehlende, unsystematische oder thematisch unpassende Beobachtungen und Dokumentationen.
Für „Daten aufbereiten“ steht Stufe 2 für eine korrekte und sachgerechte Datenaufbereitung. Stufe 1 beschreibt fehlerhafte oder nicht sachgerechte Aufbereitung. Stufe 0 umfasst keinen erkennbaren Ansatz zur Datenaufbereitung.
Bei „Schlüsse ziehen / diskutieren“ beschreibt Stufe 2 einen klaren Rückbezug der Ergebnisse zur Ausgangsfrage mit elaborierter Begründung. Stufe 1 umfasst einen nur wenig differenzierten Rückbezug. Stufe 0 beschreibt fehlende oder unangemessene Schlussfolgerungen ohne Bezug zur Fragestellung oder Hypothese.
Die Inhalte sind tabellarisch strukturiert und nutzen Stichpunkte zur präzisen Differenzierung der Kompetenzniveaus. — Tabelle 1 | Niveau-Stufung für das Modell experimenteller Kompetenz. (Nawrath et. al., 2011)

Mit Hilfe der Analysespinne (siehe Abbildung 1) können die analysierten Kompetenzen übersichtlich dargestellt und verglichen werden. Sie ist ein Instrument, das Lehrende auf der einen Seite für ihre eigenen Planung und Reflexion von Experimentiersettings einsetzen können. Auf der anderen Seite ermöglicht es die Diagnose der Kompetenzen bei Studierenden und kann zur Rückmeldung dieser eingesetzt werden. Beispiele für die Anwendung finden Sie in dem Artikel Nawrath et. al., 2011.

Die Abbildung ergänzt den Artikel, indem sie experimentelle Teilkompetenzen strukturiert darstellt und deren Bedeutung beziehungsweise Ausprägung visualisiert.
Dargestellt ist ein radial aufgebautes Diagramm mit der Überschrift „Experimentelle Teilkompetenzen“. Oberhalb werden zwei Bewertungsskalen angegeben: „bei der Planung“ mit den Stufen „0: unwichtig“, „1: bedeutsam“ und „2: besonders wichtig“ sowie „bei der Diagnose“ mit „0: niedriges Niveau“, „1: mittleres Niveau“ und „2: hohes Niveau“. Vom Mittelpunkt aus verlaufen mehrere Achsen mit den Beschriftungen „Fragestellung entwickeln“, „Vermutung aufstellen / Hypothesen bilden“, „Experiment planen“, „Versuch funktionsfähig aufbauen“, „Beobachten / Messen / Dokumentieren“, „Daten aufbereiten“ sowie „Schlüsse ziehen / diskutieren“. Entlang der Achsen sind Markierungen mit den Werten 0, 1 und 2 eingezeichnet. — Abbildung 1 | Analysespinne. Das Modell stellt die experimentellen Kompetenzen dar. Je nach Einsatz kann mit einem Kreuz die Bedeutung oder Ausprägung der einzelnen Teilkompetenzen oder deren Niveau markiert werden. Nach Ankreuzen der Niveaustufen können die gesetzten Kreuze verbunden werden. So entsteht optisch ein Spinnennetz, dass eine einfache Visualisierung der Analyse ermöglicht. (Nawrath et. al., 2011)

2.1. Wie finde ich heraus, welche Kompetenzen die Studierenden mitbringen?

Ein wichtiger Faktor für einen optimalen Lernerfolg der Studierenden ist ein Lernsetting, dass auf den vorhandenen Kompetenzen der Studierenden aufbaut. Dies gilt auch für Laborpraktika und die Stärkung experimenteller Kompetenzen. Lehrende müssen also zunächst herausfinden, welche Kompetenzen die Studierenden auf welchem Niveau mitbringen. Hierfür bietet die Analysespinne ein geeignetes Diagnoseinstrument.

Studierende können ihre experimentellen Kompetenzen mit Hilfe der Analysespinne selbst einschätzen. Sie erhalten dazu das Modell und gegebenenfalls eine angepasste Beschreibung der Teilkompetenzen (z.B. „Es fällt mir leicht, eine Fragestellung zu entwickeln“). Durch die Beschäftigung mit dem Modell und die Beschreibung der Niveau-Stufen erhalten die Studierenden gleichzeitig eine klarere Vorstellung von den Anforderungen an experimentelles Arbeiten. Nach dem Ausfüllen der Analysespinne sollten die Lehrenden den Studierenden Gelegenheit geben, über das Ergebnis zu reflektieren und sich bei Bedarf dazu auszutauschen.

Lehrende sollten darüber hinaus deutlich machen, warum sie das Analyseinstrument einsetzen und was die Studierenden gegebenenfalls tun können, um Lücken zu füllen.

Lehrende können das Niveau, auf dem sich die Studierenden in Bezug auf die Teilkompetenzen befinden, auch durch Beobachtung der Studierenden während des experimentellen Arbeitens diagnostizieren. Weiterhin kann durch die Analyse der studentischen Ergebnisse, wie z.B. der Praktikumsprotokolle, auf das Kompetenzniveau geschlossen werden. Auch dies kann mit Hilfe der Analysespinne erfolgen. Anschließend haben Lehrende dann die Möglichkeit den Studierenden kriteriengeleitet ein differenziertes Feedback zu ihrem derzeitigen Kompetenzstand zu geben.

2.2. Wie plane ich die Praktika, um bestimmte Teilkompetenzen zu stärken?

Die Analysespinne kann auf Seiten der Lehrenden für ihre Planung und Reflexion von Lernsettings genutzt werden. Wenn z.B. die Teilkompetenz „Experiment planen“ in einem Praktikumsversuch nicht eingeübt werden soll, sondern der Fokus auf einer Stärkung der Teilkompetenz „Fragestellung entwickeln“ liegt, kann der Versuch vorgegeben werden und die Studierenden sollen die passende Fragestellung dazu finden (Niveau 0 „Experiment planen“, Niveau 2 „Fragestellung entwickeln“). Sollen Studierende gezielt üben „Schlüsse zu ziehen“, können ihnen aufbereitete Daten zur Verfügung gestellt werden, die dann von den Studierenden diskutiert werden sollen (Niveau 0 „Daten aufbereiten“, Niveau 2 „Schlüsse ziehen“). Die Analysespinne kann Lehrende auch dabei unterstützen, bestehende Praktika in Bezug auf die geförderten Teilkompetenzen zu reflektieren. Durch eine strukturierte Analyse der benutzten Lernsettings erhalten Lehrende einen Überblick, welche Teilkompetenzen mit dem jeweiligen Lernsetting gefördert wurden. Dies kann dann mit den Zielen abgeglichen und Praktika gegebenenfalls angepasst werden.

3. Wie können experimentelle Kompetenzen sukzessive angebahnt werden?

Bei der Bildung von Hypothesen, der Planung einer Versuchsdurchführung oder auch bei der Auswertung von Daten während des naturwissenschaftlichen Experimentierens ist ein systematischer Umgang mit Variablen notwendig. Häufig fällt dieses Studierenden schwer und es ist Unterstützung notwendig. Um die Rolle von Variablen systematisch zu untersuchen und diese im naturwissenschaftlichen Erkenntnisprozess zu visualisieren, wurde von Helen Buttmer (Buttemer, 2006) das sogenannte Inquiry Board (Forschungstafel) entwickelt. Das methodische Vorgehen kann Studierende in ihrem Erkenntnisprozess unterstützen.

Inquiry Boards

Bei dem Inquiry Board handelt es sich um Plakate oder Whiteboards, die mit den Phasen des experimentellen Erkenntnisgewinns beschriftet sind und freien Platz zum Ausfüllen enthalten (siehe Abbildung 2). Hierfür können zunächst Wortkarten oder Post-its verwendet werden. Diese werden dann im Laufe des Erkenntnisprozesses von den Studierenden mit Hilfe von Variablen und Messgrößen gefüllt, den Phasen zugeordnet und entsprechend an die freien Stellen auf den Plakaten/Whiteboards gehängt. Die Wortkarten mit den Variablen wandern während des Arbeitsprozesses von Phase zu Phase und verdeutlichen systematisch den Zusammenhang sowie die Bedeutung der Variablen in den einzelnen Phasen des experimentellen Erkenntnisgewinns (siehe auch: https://www.youtube.com/watch?v=2RuXjrGrggY). Abbildung 3 zeigt beispielhaft ein ausgefülltes Inquiry Board.

Eine andere Möglichkeit für den Einsatz von einem Inquiry Board zeigt das Forschungsboard Fotosynthese im Downloadbereich. Hier wurden Phasen des Erkenntnisprozesses bereits ausgefüllt und die Studierenden sollten mit Hilfe des Boards den Versuch durchführen und dokumentieren. Ein weiteres Beispiel findet man in Fischer (2010).

Die Abbildung ergänzt den Artikel, indem sie ein strukturiertes Forschungsboard zur Planung und Durchführung eines Experiments darstellt.
Dargestellt ist ein Arbeitsblatt mit der Überschrift „FORSCHUNGSBOARD“, das in mehrere nummerierte Felder unterteilt ist. Feld 1 „Grund des Forschungsprojekts“ enthält den Hinweis „Beobachtung eines Problems oder Phänomens in der Natur oder im Lebensalltag“. Feld 2 „Ableitung einer Forschungsfrage“ ist als leeres Eingabefeld gestaltet. Feld 3 „Brainstorming“ enthält die Fragen „Was kann ich (in dem Experiment) alles verändern?“ und „Was kann ich beobachten oder messen?“. Feld 4 „Aufstellen von Vermutungen“ enthält die Formulierung „Formulierung von prüfbaren Vermutungen“ sowie den Satzanfang „Wenn ich das in dem Experiment verändere, wird Folgendes geschehen:“ und „Weil:“.
Feld 5 „Wahl der Variablen“ enthält die Punkte „Ich werde verändern:“, „Ich werde messen:“ und „Ich werde nicht verändern:“. Feld 6 „Planung des Experiments“ ist als leeres Feld dargestellt. Feld 7 „Beobachtung/Messung“ ist ebenfalls ein leeres Eingabefeld. Feld 8 „Darstellung der Ergebnisse“ ist als leeres Feld vorgesehen. Feld 9 „Überprüfung der Vermutungen“ ist ein weiteres leeres Feld. Feld 10 „Beantwortung der Forschungsfrage“ bildet den Abschluss und ist ebenfalls leer gestaltet. — Abbildung 2 | Vorlage für ein Inquiry Board aus der Lehrveranstaltung “Biologische Schulversuche” (LaG Biologie).

Sie finden die PowerPoint-Version des Forschungsboards im Downloadbereich in der rechten Spalte dieser Seite.

Die Abbildung ergänzt den Artikel, indem sie ein ausgefülltes Forschungsboard als Beispiel für einen vollständigen Forschungsprozess darstellt.
Dargestellt ist ein Arbeitsblatt mit der Überschrift „FORSCHUNGSBOARD“, das in zehn nummerierte Felder gegliedert ist. In Feld 1 „Grund des Forschungsprojekts“ steht als Ausgangspunkt „Schnell reagieren → Reaktionszeit“. Feld 2 enthält die Forschungsfrage „Wie kann die Reaktionszeit beeinflusst werden?“. In Feld 3 „Brainstorming“ werden mögliche Einflussfaktoren genannt, darunter ob die fangende Person abgelenkt ist oder nicht, die Höhe, aus der ein Gegenstand fallen gelassen wird, die Entfernung zwischen Person und Gegenstand sowie der Gegenstand selbst; als messbare Größe wird der Abstand zwischen Fallenlassen und Fangen angegeben.
In Feld 4 „Aufstellen von Vermutungen“ wird formuliert, dass sich der Abstand beim Fangen vergrößert, wenn die fangende Person abgelenkt ist, und verringert, wenn sie nicht abgelenkt ist, mit der Begründung, dass das Gehirn nicht mehrere Reize gleichzeitig verarbeiten kann. Feld 5 „Wahl der Variablen“ legt den Aufmerksamkeitszustand der fangenden Person als veränderliche Variable fest, den Abstand zwischen Fallenlassen und Fangen als Messgröße sowie Gegenstand, Höhe und Abstand als konstant zu haltende Faktoren.
Feld 6 „Planung des Experiments“ beschreibt eine Versuchsdurchführung mit Lineal, bei der eine Person das Lineal fallen lässt und eine andere es möglichst schnell fängt; dabei werden unterschiedliche Bedingungen wie Aufmerksamkeit und gleichzeitiges Aufsagen des Alphabets berücksichtigt, und die Messwerte werden anhand der Position am Lineal abgelesen.
In Feld 7 „Beobachtung/Messung“ werden Messwerte in Zentimetern angegeben, unterteilt in „Aufmerksam“ mit Werten 19 cm und 14 cm (Mittelwert 16,5) sowie „ABC“ mit 24 cm und 23,5 cm (Mittelwert 23,75). Feld 8 „Darstellung der Ergebnisse“ zeigt ein Balkendiagramm mit zwei Balken für „aufmerksam“ und „ABC“.
Feld 9 „Überprüfung der Vermutungen“ hält fest, dass die Vermutung bestätigt wird, da der Abstand beim Fangen größer ist, wenn das ABC aufgesagt wird. Feld 10 „Beantwortung der Forschungsfrage“ formuliert als Ergebnis, dass die Reaktionszeit durch den Aufmerksamkeitszustand beeinflusst werden kann. — Abbildung 3 | Ein Beispiel für ein ausgefülltes Inquiry Board zur Reaktionszeit aus der Lehrveranstaltung “Biologische Schulversuche” (LaG Biologie).

Die Analysespinne sowie das Inquiry Board sind somit Hilfsmittel für Lehrende sowie Lernende, um experimentelle Kompetenzen anzubahnen. Lehrende erhalten Unterstützung bei der Diagnose, Planung und Reflexion von Experimentiersettings. Auf Seiten der Lernenden ist nicht nur eine Unterstützung bei dem Erlernen naturwissenschaftlicher Kompetenzen möglich, sondern ebenso die Anleitung zur Reflexion ihres Kompetenzstandes.

Durch Förderung der naturwissenschaftlichen Kompetenzen im Biologiestudium, wird auch die Fähigkeit zur Bewertung von naturwissenschaftlichen Informationen und Entscheidungsprozessen gestärkt. Diese Fähigkeiten sind wiederum ein zentraler Bestandteil der sogenannten Scientific Literacy und eine wichtige Voraussetzung für die Tätigkeit in biologischen Berufsfeldern, aber auch für alle Berufe, die ein hohes Maß an wissenschaftlicher Kompetenz erfordern.

Literatur

acatech & Joachim Herz Stiftung. (2024). MINT Nachwuchsbarometer 2024. https://www.joachim-herz-stiftung.de/fileadmin/user_upload/MINT_Nachwuchsbarometer_2024.pdf (PDF-Datei) (wird in neuem Tab geöffnet) (07.03.2026)

Buttemer, H. (2006). Inquiry on Board! Science and Children, 34-39. https://edusites.uregina.ca/nicolemccracken/wp-content/uploads/sites/327/2022/05/Inquiry-on-Board-Buttemer.pdf (PDF-Datei) (wird in neuem Tab geöffnet) (07.03.2026)

Fischer, C. (2010). Inquiry Boards. Eine Planungshilfe zur Förderung der Experimentierkompetenz. Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht, 63, S. 422-428.

Nawrath, D.; Maiseyenka, V.; Schecker, H. (2011). Experimentelle Kompetenzen – Ein Modell für die Unterrichtspraxis. Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule, 60, S. 42-49.

Schlamann, T.; Hänsel, M. (2019). Musik – Risiko im Straßenverkehr. Biologie 5-10. Potential von Aufgaben. Friedrich-Verlag, Nr.27, S. 11-13.

Autorinnen:

Madeleine Crößmann-Amend
Ulrike Homann