2.3: Was ist die Ursache?

Autoren:
Publikation:	9.10.2017
Lernstufe:	2
Übersicht:	Die Schüler wollen ein Phänomen erklären und suchen nach dessen Ursa­che. Sie lernen ein geeignetes Experiment zu planen (oder zu erkennen), mit dessen Hilfe sich eine Hypothese überprüfen lässt.
Angestrebte Kenntnisse:	Wissenschaftlich denken, kritisch denken: Sich eine Methode aneignen, um die Ursache eines Phänomens zu finden. Für Fortgeschrittene: Sich ein geeignetes Experiment ausdenken, mit dem verschiedene Hypothesen überprüft werden können. Kompetenzen: Mit Unterstützung des Lehrers forschendes Lernen betrei­ben.
Schwerpunkt:	Sachunterricht
Dauer:	1 bis 1,5 Stunden – verteilt auf 1, 2 oder sogar 3 Unterrichtseinheiten
Material:	Für jeden Schüler oder jede Schülergruppe: das Arbeitsblatt 8: "Die Maus und der Käse" das Arbeitsblatt 9: "Die niesende Katze" das Arbeitsblatt 10: "Test mit der niesenden Katze" das Arbeitsblatt 11: "Die besten Kekse" Für jede Schülergruppe oder die gesamte Klasse: zwei Schachteln (Schuhkartons); in der einen ein kleines, in der anderen ein größeres Loch ausschneiden (siehe Arbeitsblatt 8) zwei unterschiedlich große Murmeln oder Bälle (die/der eine muss durch beide Löcher passen, der/die größere nur durch das größere Loch) Für jeden Schüler: den Evaluationsbogen 7: "Hypothesen überprüfen"
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Aktivität: Wer ist der Schuldige?

Ablauf: Die Schüler schlüpfen in die Rolle von Detektiven, die ein paar kleine Rätsel zu lösen haben. Sie müssen Erklärungen, Ursachen und den/die Schul­digen finden. Dazu führen sie einfache, gut durchdachte Ermittlungen durch. Sie müssen zum Beispiel, um eine bestimmte Hypothese zu überprüfen, das geeignetere von zwei Experimenten auswählen (Rätsel 1). Anschließend entwi­ckeln sie einen Test, mit dem man die tatsächliche Ursache herausfinden kann (Rätsel 2). Sie begreifen zum Schluss, welche Vorteile es hat, wenn man in einem Experiment nur einen Parameter auf einmal verändert (Rätsel 3).

Botschaft zum Mitnehmen: Wenn man eine Veränderung bemerkt oder ein Phänomen beobachtet, möchte man oft gern wissen, was deren/dessen Ursa­che ist. Wer/was ist "schuld"? Man möchte wissen, wer/was die Veränderung oder das Phänomen bewirkt hat. Manchmal haben wir dazu bereits eine Mei­nung, eine Idee, oder wir denken sogar, Dass wir die Antwort wissen. Aber der einzige Weg, um sicher zu sein, welches die Ursache ist, besteht darin, gezielt nachzudenken: Hypothesen aufzustellen, eine Methode zu finden, um alle un­zutreffenden Ursachen auszuschließen – um schließlich nur die richtige Ursa­che herauszufinden.

Vorbemerkungen:

• Es werden hier drei Rätsel vorgeschlagen, die es zu lösen gilt: "Eine Maus im Haus", "Die niesende Katze", "Die besten Kekse". Man kann die Schüler in einer einzigen Stunde alle drei Rätsel bearbeiten lassen, oder man lässt dazwischen ein paar Tage verstreichen. So kann der Lehrer mehrfach auf ein und das gleiche Konzept zurückkommen, und die Schüler verstehen und behalten es besser.
• Je nach Niveau der Schüler kann der Lehrer beschließen, die Rätsel mit der gesamten Klasse, in Gruppenarbeit oder in Einzelarbeit lösen zu lassen. Ar­beiten die Schüler einzeln oder in Gruppen, wird er sie zunächst selbst­ständig nachdenken lassen und erst danach zu einer Diskussion mit der gesamten Klasse übergehen.
• Die Schüler sollten ihre Antworten immer begründen, da der Lehrer anhand der Begründung erkennen kann, ob der Gedankengang richtig ist oder nicht. Und er kann erkennen, welche Art von Fehlvorstellung den Schüler in seinem Gedankengang blockiert.
• Manche Schüler ergreifen das Wort öfter als andere. Das kann dazu füh­ren, dass der Lehrer den (falschen) Eindruck bekommt, alle Schüler hätten begriffen, was eine Ursache ist und wozu eine Versuchsplanung dient. In Wirklichkeit gibt es große Unterschiede, wie (gut) Schüler diese beiden Begriffe begreifen. Es kann auch passieren, dass Schüler verstanden ha­ben, wie es in einem Beispiel funktioniert, in einer anderen Situation aber nicht weiterkommen (Transferschwierigkeiten). Es ist daher wichtig, dass möglichst viele/alle Schüler die Gelegenheit bekommen, sich zu äußern, und dass der Lehrer immer wieder, in unterschiedlichen Situationen, auf die gleichen Konzepte zurückkommt.
• Bei jüngeren Schülern empfehlen wir, die Situationen so konkret wie möglich zu machen – zum Beispiel mit der Hilfe von Zeichnungen oder Gegenständen.

Rätsel 1: Eine Maus im Haus (ca. 20 min)

Der Lehrer gibt jedem Schüler oder jeder Schülergruppe das Arbeitsblatt 8 (Die Maus und der Käse) und liest der Klasse die Geschichte der Maus vor – mehr­mals, wenn es nötig ist. Für jüngere Schüler kann er die Geschichte mit kon­kreten Gegenständen (kleinen Figuren, einer Lupe) oder Zeichnungen (einer Maus, eines Käsestücks) anschaulicher machen. Eventuell kann er den Text der Geschichte auch an die Tafel projizieren.

Nach dem Vorlesen stellt der Lehrer drei Fragen (siehe Arbeitsblatt 8), eine zu jeder Episode der Geschichte. Die Schüler machen sich Gedanken über mögli­che Antworten, die anschließend mit der ganzen Klasse diskutiert werden. Erst wenn eine Frage beantwortet ist, wird nach einer Antwort für die nächste ge­sucht.

• Die erste Frage bietet die Gelegenheit, auf die Begriffe Ursache und Wir­kung zurückzukommen. Die Ursache für das Verschwinden des Käsestücks ist die Anwesenheit einer Maus im Schrank. Umgekehrt ist die Wirkung der Anwesenheit einer Maus im Schrank das Verschwinden des Käsestücks. "Die Ursache ist das, was ein Ereignis erzeugt. Entfernt man die Ursache, findet das Ereignis nicht statt." "Die Wirkung ist das Ergebnis einer Aktion, eines Phänomens."
• Die zweite Frage regt die Schüler dazu an, darüber nachzudenken, wie man die beobachtete Wirkung – das Verschwinden des Käsestücks – reproduzieren könnte. Der Lehrer kann den Schülern eventuell eine Zeich­nung der beiden Schachteln zeigen (Arbeitsblatt 8) oder sogar zwei Schachteln mitbringen, in die er zwei unterschiedlich große Löcher ge­schnitten hat. Er kann Hilfsfragen stellen wie: "Könnte eine große Maus durch das kleine Loch schlüpfen? Und eine kleine?"
• Mit der dritten Frage sollen die Schüler die Ursache für das Verschwinden des Käsestücks näher einkreisen. Sie wollen mehr über die Größe der Maus erfahren. Die Fragen 2 und 3 führen also zu "unterschiedlichen" Antworten (einmal geht es um die Größe des Lochs und einmal um die Größe der Maus). Der Lehrer merkt an, dass es einen Unterschied macht, ob man sucht, "wie man eine Wirkung auslösen kann" oder ob "man die Ursache für die Wirkung" sucht. Um die Ursache zu bestimmen, muss man alle nicht zutreffenden Ursachen (alle Alternativen) ausschließen. Mit dem kleinen Loch kann man zum Beispiel eine Hypothese verwerfen (nämlich die, dass es sich um eine große Maus handelt), während man dies mit dem großen Loch nicht kann – da durch das große Loch sowohl eine kleine als auch eine große Maus passen. Das kann mit zwei reellen Schachteln demons­triert werden. Die Schüler werden zu dem Schluss kommen, dass das Experiment nur dann aussagekräftig ist, wenn man die Schachtel mit dem kleinen Loch nimmt. Dann muss man nur noch beobachten, ob der Käse am nächsten Morgen verschwunden ist oder nicht. Beispiele für Bemerkun­gen der Schüler: "Ich nehme die Schachtel mit dem kleinen Loch, weil die große Maus nicht durch das kleine Loch passt." "Ich nehme die Schachtel mit dem großen Loch, dann können alle durch. Ach nein! Wenn man die mit dem kleinen Loch nimmt, kommt nur die kleine Maus durch. Und wenn der Käse nicht gefressen wurde, weiß man, dass es eine große Maus ist!" "Wenn morgens der Käse aus der Schachtel mit dem kleinen Loch verschwunden ist, heißt das, dass die Maus hineinkommen konnte. Da nur eine kleine Maus durch das kleine Loch schlüpfen kann, ist es keine große Maus, und Tom hat Recht!"

Abb. 1: Ursachen und Wirkungen sortieren

Abb. 2: Auf der Suche nach dem Schuldigen

Rätsel 2: Die niesende Katze (ca. 20 min)

Der Lehrer liest der Klasse die kleine Geschichte des Arbeitsblattes 9 (Die nie­sende Katze) vor. In der Geschichte niest eine Katze jedes Mal, wenn sie auf den Balkon geht. Dort stehen drei Blumentöpfe, in denen drei verschiedene Blumenarten blühen.

Jeder Schüler bzw. jede Schülergruppe bekommt das Arbeitsblatt 9 und macht sich über die erste Frage Gedanken. In einer anschließenden gemeinsamen Erörterung diskutiert die ganze Klasse über Hypothesen und überlegt sich Ex­perimente, mit denen man herausfinden könnte, welche Blume die Katze zum Niesen bringt. Die Schüler werden zum Beispiel vorschlagen, dass man der Katze jeden Blumentopf einzeln vor die Nase halten und dann feststellen könn­te, welche Blume(n) für das Niesen verantwortlich ist (sind). Oder sie schlagen vor, einen Blumentopf nach dem anderen zu entfernen (dieses Beispiel ist in dem Arbeitsblatt 10 (Test mit der niesenden Katze) dargestellt.

Nun wenden sich die Schüler der zweiten Frage zu, erst einzeln oder in Grup­pen, dann alle gemeinsam. Das Arbeitsblatt 10 wird an die Wand projiziert (oder verteilt, wenn der Lehrer es in Farbe ausdrucken kann). In dem Arbeits­blatt ist der Verlauf des Experiments dargestellt. In jedem Schritt kann eine Hypothese eliminiert werden. In dem zweiten Bild kann man ausschließen, dass die gelben Blumen für das Niesen verantwortlich sind. In dem vierten Bild kann man ausschließen, dass die roten Blumen verantwortlich sind. Es bleibt also allein die Hypothese, dass die blauen Blumen für das Niesen verantwortlich sind. Der Lehrer macht die Schüler darauf aufmerksam, dass immer nur ein Element (ein Parameter) auf einmal verändert wurde.

Abb. 3: Eine Schülerin mit dem Arbeitsblatt 10

Beispiele für Bemerkungen der Schüler: "Am Anfang waren alle Blumen da und wir konnten nicht wissen, welche die Katze zum Niesen bringt. Man stellt ihr einen Blumentopf nach dem anderen vor die Nase und beobachtet jedes Mal, ob die Katze niest. Man nimmt die Blumen weg, die die Katze zum Niesen bringen, und lässt die andere(n) auf dem Balkon. Oder man entfernt einen Blumentopf nach dem anderen vom Balkon und schaut, ob die Katze dann weniger/nicht niest. Man behält alle Blumen auf dem Balkon, bei denen die Katze nicht niest, und zum Schluss weiß man, welche Blume schuld ist. Beide Methoden sind äquivalent. Wichtig ist lediglich, dass man nicht mehrere Dinge auf einmal und alles durcheinander ändert. Man sollte alles aufschreiben, sonst vergisst man es."

Rätsel 3: Die besten Kekse (ca. 20 min)

Dieses Rätsel führt den Schülern noch einmal vor Augen, wie wichtig es ist, dass man nur ein Parameter auf einmal verändert, wenn man nach Ursachen eines Phänomens sucht.

Der Lehrer verteilt das Arbeitsblatt 11 (Die besten Kekse) an jeden Schüler oder jede Schülergruppe. Er liest die kleine Geschichte vor. Für die jüngeren Schüler kann er die Geschichte veranschaulichen, indem er ihnen Bilder von Keksen und den in der Geschichte vorkommenden Zutaten zeigt.

Die Schüler denken – jeder für sich oder in kleinen Gruppen – über die beiden Aufgaben nach. Anschließend werden die Aufgaben gemeinsam erörtert. Es geht darum herauszufinden, welche Zutat dazu führt, dass die Kekse von Toms und Lillys Mutter dieses Mal so gut schmecken. In Aufgabe 1 sollen die Schüler aus drei Möglichkeiten das Experiment auswählen, mit dem man die Annahme überprüfen kann, ob es am Rohrzucker liegt, dass die Kekse so lecker sind. In der zweiten Aufgabe sollen sie selbst ein geeignetes Experiment pla­nen und formulieren.

In beiden Aufgaben geht es um das grundlegende Konzept, dass man bei einem Experiment nur einen Parameter auf einmal ändern sollte. Der Lehrer kann den Schülern zur Verdeutlichung die Frage stellen: "Was würde passie­ren, wenn man alles auf einmal ändern würde? Oder zwei Zutaten auf einmal? Kann man dann herausfinden, an welcher Zutat es liegt, dass die Kekse dies­mal so gut geworden sind?" "Welche Aussage kann man machen, wenn man den Rohrzucker durch weißen Zucker ersetzt und die Kekse dann nicht mehr so gut schmecken?"

Beispiele für Bemerkungen der Schüler: "Wir wissen, dass es nicht der Rohr­zucker ist, aber wir wissen nicht, ob es am Öl oder am Mehl liegt. Wir müssen beides testen. Wir machen also einen Teig mit Weizenmehl anstatt mit Dinkel­mehl und probieren, ob die fertigen Kekse weniger gut sind. Anschließend machen wir einen Teig mit Butter anstatt mit Öl und probieren erneut. Schmecken die Kekse jetzt weniger gut, ist es das Öl, das die Kekse so lecker macht." "Man darf nur eine Zutat auf einmal ändern. Wenn man die Annahme überprüfen möchte, dass das Mehl die 'Wunderzutat' ist, dann darf man nur das Mehl ändern. Wenn man denkt, dass es das Öl ist, darf man nur das Öl weglassen und durch etwas Anderes ersetzen."

Abb. 4: Auf der Suche nach der Wunderzutat

Zusammenfassung

Zum Schluss diskutiert die Klasse über Situationen – in der Wissenschaft oder im Alltag –, in denen wir ähnlich vorgehen wie bei der Auflösung dieser drei Rätsel. Ein Beispiel: "Als Wissenschaftler versucht haben herauszubekommen, was Pflanzen zum Leben brauchen, haben sie bei einer Pflanze die Wasser­menge variiert, bei einer anderen die Lichtmenge, während eine Pflanze immer als Kontrollpflanze diente. Diese bekam immer die gleiche Menge Wasser und Licht." Ein weiteres Beispiel: "Bei uns zu Hause war die Wäsche ganz grau. Wir wussten nicht, ob es am Waschmittel oder an dem Weich­spüler lag. Wir haben einen anderen Weichspüler genommen, aber die Wäsche war immer noch grau. Dann haben wir ein anderes Waschmittel genommen, aber den ursprünglichen Weichspüler. Die Wäsche war dann nicht mehr grau. Daraus haben wir geschlossen, dass das Problem an dem Waschmittel lag."

Evaluation

Im Evaluationsbogen 7 (Hypothesen überprüfen) soll ein weiteres Rätsel gelöst werden. Die Schüler müssen eins von zwei vorgeschlagenen Experimenten aus­wählen, um zu überprüfen, warum die kleinen Pflanzen so kränklich aussehen.

Zunächst überlegt jeder Schüler für sich und schreibt seine Antwort nieder. Anschließend diskutieren die Schüler zu zweit über ihre jeweiligen Antworten. Zum Schluss diskutiert die ganze Klasse und beschließt eine gemeinsame Ver­suchsplanung. Jeder Schüler kann anschließend die gemeinsam besprochene Lösung in seinen Evaluationsbogen schreiben oder seine eigene verändern.

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