Um Kinder und Jugendliche für Mathematik, Naturwissenschaften und Technik zu begeistern, müssen die Weichen bereits früh gestellt werden. Hierzu bedarf es einer kontinuierlichen Weiterentwicklung von Unterricht. Eine Schlüsselrolle kommt dabei den fachdidaktischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an den Hochschulen zu. Ihre herausragenden, innovativen Forschungs- und Entwicklungsleistungen zeichnet die Stiftung seit 2011 mit dem Polytechnik-Preisfür die Didaktik der Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik aus. So soll die große Bedeutung naturwissenschaftlicher Bildung und die Leistung der Fachdidaktiker in die Öffentlichkeit gerückt sowie der Transfer der ausgezeichneten Unterrichtskonzepte in Frankfurter Schulen gefördert werden.

Der Polytechnik-Preis ist mit 70.000 Euro dotiert und steht unter der Schirmherrschaft der Bundesministerin für Bildung und Forschung. Jede Ausschreibung des Preises erfolgt zu einem aktuellen Schwerpunktthema. Der Preis mit dem Fokus "Umgang mit Vielfalt in der MINT-Bildung" wird im Oktober 2019 in Frankfurt am Main verliehen.


Das sind die nominierten Projekte des Polytechnik-Preises 2019

Das Schulbuch wird digital: mit dem Tablet interaktiv und individuell unterstützt Mathematik lernen.

Eine wesentliche Herausforderung für erfolgreichen Mathematikunterricht ist es, allen Schülerinnen und Schülern unterschiedlicher Leistungsniveaus gerecht zu werden. Das Projekt ALICE:Bruchrechnen zeigt auf, wie digitale Lernumgebungen Lehrkräfte dabei unterstützen können, Lernende im Regelunterricht individuell zu fördern. Im Zentrum steht ein digitales Schulbuch, welches einen handlungsorientierten Zugang zu Bruchzahlen ermöglicht.

Das E-Book bietet interaktive Einstiege in die Thematik, die zum Ausprobieren anregen und individuell unterschiedliche Bearbeitungsstrategien ermöglichen. Es passt den Schwierigkeitsgrad adaptiv auf das individuelle Leistungsniveau der Schüler an und reagiert während des Arbeitens flexibel auf eine Änderung der Schülerleistung. So erhalten die Lernenden stets ein speziell für sie ausgewähltes Lernangebot, das den bestmöglichen Lernerfolg bei der Entwicklung eines tragfähigen Bruchzahlbegriffs verspricht.

Darüber hinaus sind die Aufgaben derart gestaltet, dass sie auf Schülerantworten flexibel, automatisiert und augenblicklich reagieren: die Lernenden erhalten differenziertes Feedback zur Bearbeitung der Aufgaben. Da das E-Book passend zu gängigen Curricula entwickelt wurde, ist eine problemlose Integration in die schulische Praxis möglich, wobei Inhalte und Arbeitsaufträge durch die Lehrkraft vorgegeben werden können.

Somit dient ALICE:Bruchrechnen als wirksame Ergänzung zum traditionellen Mathematikunterricht – insbesondere für leistungsschwächere Schüler. Das Projekt leistet einen wichtigen Beitrag zur evidenzbasierten Digitalisierung des Mathematikunterrichts und stellt dabei die individuelle Förderung sowie den Umgang mit leistungsheterogenen Lerngruppen als einen wesentlichen positiven Aspekt von Digitalisierung heraus.

Biologisches Fachwissen wird mit emotional-sozialem Lernen verknüpft. So verstehen Schüler ihre eigenen Emotionen besser.

Das Konzept „IBU – Inklusiver Biologieunterricht“ vereint das fachliche biologiebezogene Lernen mit dem emotional-sozialen Lernen für Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufen fünf und sechs. Es trägt dazu bei, dass alle Kinder – auch solche mit einem besonderen Risiko im Bereich der emotionalen und sozialen Entwicklung - ihr Lern- und Arbeitsverhalten verbessern und ihr Störverhalten reduzieren, wofür sonst oft zusätzliche außerunterrichtliche Maßnahmen angewendet werden.

In der Unterrichtsreihe lernen Schüler beispielsweise, wie ihr Herz aufgebaut ist und wie es funktioniert. Sie vertiefen ihr biologisches Wissen und erweitern gleichzeitig ihre emotionale Kompetenz. Dies hilft ihnen, ihren Herzschlag im Kontext emotionaler Erregung, wie zum Beispiel vor einer Klassenarbeit, einzuschätzen und ihn durch Übungen zu beeinflussen. So trainieren sie z. B. ihre Atmung zu steuern oder ihre Gedanken auf beruhigende Vorstellungen umzulenken.

In der Urterrichtseinheit „Unser Gehirn – Ort der Emotionsverarbeitung“ lernen die Schüler, welche Aufgaben die verschiedenen Areale unseres Gehirns übernehmen und wie sich Ärger auf unsere kognitive Leistungsfähigkeit auswirken kann. So begreifen sie, wie Emotionen unser Handeln steuern und dass es an manchen Stellen Unterstützung braucht. Um besser zu verstehen, wie wir unsere Emotionen zeigen, wird das Zusammenspiel von Skelett, Muskulatur und Gelenken beim Emotionsausdrucks durch Mimik und Körperhaltung sowie von Herzschlag und emotionaler Erregung thematisiert. Haben die Kinder erst erkannt, welchen Ausdruck unsere Emotionen finden, fällt es ihnen leichter diese zu beeinflussen.

Informatische Phänomene verstehen, um die digitale Welt nicht nur zu nutzen, sondern mitzugestalten.

Was haben Blinzeln, Bananen und Barcodes mit Computern zu tun? Wie passt das große Internet in ein kleines Smartphone? Antworten darauf erhalten Kinder und Jugendliche der Klassenstufen 4 bis 10 bei „IT2School – Gemeinsam IT entdecken“, einem Mitmachprojekt der Wirtschaftsinitiative Wissensfabrik – Unternehmen für Deutschland e.V.

Weil das Unterrichtsfach Informatik nur in wenigen Bundesländern verpflichtend ist, finden digitale Themen und Fragestellungen oftmals keinen Platz im Unterricht. Dadurch ist die (digitale) Welt für viele noch eine Scheibe, eine Mattscheibe.  Was dahinter passiert, verstehen die wenigsten. IT2School will das ändern und bei möglichst vielen Mädchen und Jungen mit unterschiedlichen Vorkenntnissen und Vorlieben das Interesse für informatische Phänomene wecken. Mithilfe des Konzepts erwerben die Kinder und Jugendlichen Grundkenntnisse, verstehen die Zusammenhänge und können so diese in Zukunft selbstbestimmt mitgestalten.

Zugleich stehen die Lehrkräfte im Blick, die diesen Unterricht ermöglichen. IT2School hat für jedes Kind und jede Lehrkraft ein passendes Angebot, und zwar unabhängig davon, ob sie sich gerade erst an Informatik herantasten oder bereits sehr erfahren auf dem Gebiet sind. So ist ein Unterricht mit oder ohne Computer, mit einem Fokus auf Software und Programmieren oder auf Hardware und Mikrocontroller oder mit Bezug zur Arbeitswelt möglich. Die Module enthalten Vorschläge für alternative Unterrichtsverläufe, arbeitsteilige oder arbeitsgleiche Gruppenphasen und Arbeitsblätter für verschiedene Schulstufen.

Dabei verfolgt IT2School konsequent das Prinzip der „Entdramatisierung“. Lehrkräfte fühlen sich gerade in der Informatik oft unsicher, da ihnen meist die entsprechende Ausbildung fehlt. Durch das breite Lehrangebot für eine heterogene Zielgruppe können z.B. Inklusion sowie Mädchen- und Begabtenförderung umgesetzt werden. So können alle Kinder und Jugendlichen erreicht werden, ohne die Lehrkräfte zusätzlich zu belasten.

Kooperative Förderung kann helfen, mathematische Strukturen zu erkennen und gravierenden Schwierigkeiten vorzubeugen.

Paula und Tim rechnen 16 minus 9. Tim zählt von 16 rückwärts herunter. Paula hingegen erklärt ihren Rechenweg mit 16 minus 10 und addiert zum Ergebnis wieder einen dazu. Paula nutzt mathematische Strukturen und ruft Fakten ab, Tim zählt rückwärts und macht dabei einen Fehler, da er den Subtrahenden mitzählt. Beide Vorgehensweisen finden sich im mathematischen Anfangsunterricht der Grundschule.

Studien belegen, dass zählendes Rechnen, das sich verfestigt hat, zu gravierenden Schwierigkeiten im mathematischen Lernen führen kann – sowohl in der Grundschule als auch langfristig in der Sekundarstufe. Um sich vom zählenden Rechnen abzulösen, müssen die Kinder – wie Paula – Strukturen erkennen und nutzen. Das gelingt jedoch nicht allen von alleine. Im Projekt „Zusammenhänge erkennen und besprechen – rechnen ohne Abzählen“ (ZebrA) wurden Förderbausteine entwickelt, die das Ziel haben, die Entwicklung nicht-zählender Strategien durch kooperative Aktivitäten anzuregen.

Die Heterogenität der Kinder wird dabei als Potential angesehen. Die Chance liegt gerade darin, Kinder, die beim Rechnen unterschiedlich vorgehen, gezielt in einen Austausch über mathematische Strukturen und Strategien zu bringen. Die Förderbausteine sind klar strukturiert, ermöglichen Arbeiten auf unterschiedlichen Niveaus und initiieren kooperativen Austausch und gemeinsame Reflexionen. Grundlage sind geeignete Aufgaben, die auch die Förderung der leistungsstärkeren Kinder ermöglichen.

Die Förderbausteine wurden für die Unterrichtspraxis aufbereitet und im Rahmen einer Studie evaluiert. Es hat sich gezeigt, dass eine Ablösung vom zählenden Rechnen angestoßen werden kann, jedoch zählende und nicht zählende Strategien oft noch parallel benutzt werden. Im Rahmen von Lehrerfortbildungen werden Lehrkräfte befähigt, kooperative Lernsituationen in heterogenen Gruppen zu schaffen.

Sprache zählt – denn fachbezogene Sprachförderung unterstützt auch das fachliche Lernen.

Wer in der Bildungssprache nicht sicher ist, der lernt auch weniger im Mathematikunterricht, das zeigen zahlreiche Studien. Warum ist das so, und was können Lehrkräfte dagegen tun? Diese Fragen sind nicht nur für Schülerinnen und Schüler mit Migrationshintergrund relevant, sondern auch für deutsche Muttersprachler, die im Elternhaus eher wenig sprachliche Anregungen bekommen haben.

Textaufgaben sind eine typische Herausforderung für sprachlich schwache Schüler. Viele versuchen, sich durch den Mathematikunterricht zu schummeln, indem sie die ungeliebten Textaufgaben nur oberflächlich lesen, die Zahlen herauspicken und irgendwie verrechnen.

Im SiMa-Unterrichtskonzept erlernen Kinder hingegen Strategien, Texte gründlicher zu lesen und die enthaltenen Informationen anhand von sogenannten Info-Netzen richtig miteinander in Beziehung zu setzen.

Sprachkompetenz ist aber auch dann notwendig, wenn ein konzeptuelles Verständnis für mathematische Konzepte aufgebaut werden muss. Was bedeutet überhaupt Prozentwert? Wozu braucht man einen Wendepunkt in der Kurvendiskussion? Wer die Bedeutungen erklären will, braucht geeignete sprachliche Mittel. Diese kommen oft weder aus der Fach- noch aus der Alltagssprache, sondern aus der Bildungssprache. Im SiMa-Unterrichtskonzept werden sie systematisch aufgebaut, mit der Alltags- und Fachsprache verknüpft und im Sprachspeicher verankert.

Durch das wiederholende Erklären von Bedeutungen und das Argumentieren und Erläutern mathematischer Rechenwege in den sprachbildenden Unterrichtseinheiten von SiMa verstehen nicht nur sprachlich schwache Schüler Mathematik besser. Eine Implementationsstudie ergab, dass auch die sprachlich starken Jugendlichen mehr von diesem Unterricht profitieren. Was für sprachlich Schwache entwickelt wurde, nutzt also auch den sprachlich Starken.

Diversität im Unterrichtsalltag mit praxisnahen Lerngelegenheiten meistern.

Das Projekt „Mathe inklusiv“ bietet didaktisch-pädagogische Handlungsempfehlungen und konkrete Materialien für einen Unterricht, in dem jeder Lernende akzeptiert wird und gleichberechtigt gefördert werden kann. Es richtet sich an verschiedene Dimensionen von Diversität, mit einem Fokus auf individuelle Lernbeeinträchtigungen in den Bereichen Kognition, Sprache und Wahrnehmung. Zugleich sensibilisiert das Projekt für individuelle Lernpotentiale und Begabungen von Kindern im inklusiv ausgerichteten Mathematikunterricht.

Gemeinsam mit Lehrkräften werden Lerngelegenheiten entwickelt, die – wo immer es sinnvoll ist – von einem gemeinsamen fachlichen Lerngegenstand ausgehen. So erhält der Lernende individuell-differenzierte Zugänge. Ziel ist es, Perspektiven für das gemeinsame Lernen aller Schüler aufzuzeigen und ein Alternativangebot zu dem Nebeneinander-Lernen in unterschiedlichen Gruppen zu schaffen, das häufig im inklusiven Unterricht zu beobachten ist.

Die entwickelten Lerngelegenheiten werden aufbereitet und online für Lehrkräfte unterschiedlicher Professionen zugänglich gemacht. So werden beispielsweise Hinweise auf material- und sprachgestützte Aufgabenstellungen gegeben. Deutlich herausgestellt wird, wie die jeweiligen Unterstützungsbedarfe einzelner Kinder differenzsensibel berücksichtigt werden können, ohne die Ganzheitlichkeit und das fachliche Potential der gemeinsamen Lernumgebung aufzugeben.

Regelmäßige Tagungen mit Teilnehmern aus ganz Deutschland dienen als zentraler Ort für den Transfer der konzeptionellen Inhalte des Projekts in die Aus- und Fortbildung des gesamten Bundesgebiets. Das Projekt trägt damit nicht nur dazu bei, die Gestaltung eines inklusiven Unterrichts zu unterstützen, sondern sensibilisiert auch grundsätzlich für Möglichkeiten des produktiven Umgangs mit Vielfalt.

Heterogene Schülergruppen erforschen naturwissenschaftliche Alltagsphänomene gemeinsam.

Beim Unterrichtskonzept choice2explore für die Grundschule und choice2learn für die Sekundarstufe erforschen Schülerinnen und Schüler von der dritten bis zur zwölften Klasse alltägliche naturwissenschaftliche Phänomene. Was passiert, wenn eine Aromalampe duftet, eine Brausetablette sprudelt oder wenn man Nudelwasser salzt? Schüler haben dazu sehr individuelle Vorstellungen. Manche vermuten, dass das Salz im Wasser verschwindet andere, dass es sich in Wasser verwandelt oder sich in kleinen Teilchen verteilt. Diese Vorstellungen überprüfen sie anhand von Experimenten. Sie führen Versuche durch, vollziehen Gedankenexperimente und arbeiten mit Modellen.

Das Besondere dabei ist: Schüler mit Einschränkungen im Bereich Sprache, Aufmerksamkeit oder Motorik, Kinder mit sonderpädagogischem Unterstützungsbedarf und leistungsstarke Schüler lernen in kleinen Gruppen gemeinsam. Dass dies funktioniert, liegt an besonderen Merkmalen der Konzeption. Zum einen sorgen die vielfältigen Anfangsprognosen der Schüler für ein gemeinsames Rätsel: Welche Vermutung trifft zu? Zum anderen gelingt gemeinsames Lernen auch deshalb, weil alle Lernenden dieselben Materialien nutzen, diese jedoch verschiedene Zugangsweisen bieten. Versuchsschritte werden sowohl sprachlich als auch bildlich dargestellt.

Formulierungen in einfacher Sprache erleichtern das Lesen. Übersichtliche Gliederungen und Felder zur Selbstüberprüfung bieten Unterstützung und alternative Versuchsaufbauten ermöglichen beispielsweise Schülern mit motorischen Einschränkungen ein sicheres Experimentieren. Spezielle Forscherprotokolle fördern schließlich das gemeinsame Deuten und Schlussfolgern. In der digitalen Umsetzung der Unterrichtskonzeption für Tablets können sich die jungen Forscher zudem Materialien vorlesen lassen, Ergebnisse individuell dokumentieren, Experimente filmen und gemeinsam ein Erklärvideo drehen, in dem sie das untersuchte Phänomen mit einem Modell veranschaulichen.

Umweltbildung als Verknüpfung der Naturwissenschaften mit den Lebens- und Erfahrungswelten der Schüler.

Die Gestaltung einer nachhaltigen Entwicklung ist die zentrale globale Herausforderung des 21. Jahrhunderts. Entsprechend gilt es, allen Kindern und Jugendlichen – unabhängig von ihren persönlichen Lernvoraussetzungen – zu ermöglichen, an nachhaltigkeitsrelevanten naturwissenschaftsbezogenen Bildungsangeboten zu partizipieren. Das Konzept NachHLtig bietet didaktisch-pädagogische Handlungsempfehlungen, die darauf zielen, Lernmaterialien in Bezug auf Lesefähigkeiten und die Komplexität der Lerninhalte zu differenzieren. Die Keimzelle des Konzepts bildete das Projekt „Umweltbildung und Inklusion“.

Hier entwickelten Experten aus den Bereichen Umweltwissenschaft, Fachdidaktik Chemie und Sonderpädagogik gemeinsam Lernmodule für heterogene Lerngruppen zu den Themenbereichen „Sonne(n) mit Verstand“, „Kraftwerke der Natur“, „nachhaltiger Weinbau“ und „Lebensgrundlage Boden“. Mit ihnen sollen zum einen naturwissenschaftliche Inhalte und Arbeitsweisen mit den lokalen Lebens- und Erfahrungswelten der Schülerinnen und Schüler verknüpft werden, und zum anderen die dafür notwendigen Materialien so gestaltet werden, dass sie möglichst barrierefrei für Kinder und Jugendliche mit unterschiedlichsten Lernvoraussetzungen zugänglich sind. Als Materialien werden überwiegend Alltagsgegenstände genutzt. Inhalte und Experimente sind für einen möglichst eigenständigen, explorativen Zugang aufgearbeitet und das Material im Hinblick auf die individuellen Lesekompetenzen für Nichtleser bis fortgeschrittene Leser variantenreich.

Das Konzept wird in zwei universitären Lehr-Lern-Laboren eingesetzt und fließt somit auch direkt in die Lehrerbildung mit ein. Die entwickelten Materialien werden kontinuierlich ergänzt und stehen online kostenlos zur Verfügung.


Stimmen zum Polytechnik-Preis

"Anspruch von gutem MINT-Unterricht muss es sein, alle Kinder für naturwissenschaftlich-technische Zusammenhänge zu begeistern: ob Mädchen oder Jungen, ob Kinder mit offensichtlichen Begabungen oder versteckten Talenten. Moderne Didaktikkonzepte können dabei durch den Einsatz von digitalen Medien die Lehrkräfte wirkungsvoll unterstützen."

Anja Karliczek

Bundesministerin für Bildung und Forschung - Schirmherrin des Polytechnik-Preises

"Der zunehmenden Heterogenität der Schülerinnen und Schüler in unseren Klassenräumen können Lehrkräfte nur mithilfe professioneller Aus- und Weiterbildung gerecht werden. Unsere Aufgabe ist es, fachbezogene, diversitätssensible Angebote hierfür zu entwickeln."

Prof. Dr. Bernd Ralle

Technische Universität Dortmund, Didaktik der Chemie - Vorsitzender der Auswahlkommission des Polytechnik-Preises


Prämiert und umgesetzt