Hilda Scheuermann und Mathias Ropohl

Abhängige Variable, unabhängige Variable, Störvariable!?

Variablenkontrollstrategie, Experimentplanung
Aufbau eines Experiments zur Variablenkontrollstrategie

Hilda Scheuermann und Mathias Ropohl

Die Einführung der Variablenkontrollstrategie

In den Bildungsstandards und Kerncurricula wird gefordert, dass Schülerinnen und Schüler nicht nur über inhaltsbezogene, sondern auch über prozessbezogene Kompetenzen verfügen [1, 2]. Zu letzteren zählen das Fragen-Formulieren, das Hypothesen-Aufstellen, das Experimente-Planen und -Durchführen sowie das Auswerten und Erklären anhand von Modellen [2]. Lerngelegenheiten für prozessbezogene Kompetenzen können im Unterricht auf vielfältige Weise geschaffen werden.
In dem vorliegenden Beitrag steht das Planen von Experimenten im Fokus. Basierend auf Befunden empirischer Untersuchungen, wird eine Möglichkeit zur Einführung der Variablenkontrollstrategie vorgestellt. Die Anwendung der Strategie ist ein wichtiges Ziel des Chemieunterrichts, da lediglich bei adäquater Anwendung der Strategie eindeutige Schlussfolgerungen (anhand der gewonnenen Daten des Experiments)gezogen werden können. Schülerinnen und Schüler haben dabei jedoch verschiedene Schwierigkeiten, die es bei der Einführung der Strategie gezielt zu berücksichtigen gilt [36].
Die Variablenkontrollstrategie
Beim hypothesenprüfenden Experimentieren wird der Einfluss von einer Größe oder einem Faktor auf ein Phänomen unter konstanten Bedingungen gemessen. Größe und Faktor können dahingehend differenziert werden, dass eine Größe quantitativ messbar ist, wie z.B. die Temperatur (20 °C vs. 50 °C), während ein Faktor eher qualitativ beschrieben wird, wie z.B. der Faktor Metall (Kupfer vs. Eisen). Wegen der besseren Lesbarkeit wird im Folgenden nur der Begriff des Faktors verwendet. Um in einem Experiment prüfen zu können, ob ein Faktor einen Einfluss auf ein Phänomen ausübt, muss der Faktor in seinen Ausprägungen variiert werden. Das Phänomen, das untersucht wird, nennt man abhängige Variable. Die abhängige Variable wird mit einem Messinstrument gemessen. Der Faktor, der in seinen Ausprägungen variiert wird, heißt unabhängige Variable. Die unabhängige Variable wird durch Angaben zu ihren Ausprägungen spezifiziert. Um in dem Experiment den Einfluss der unabhängigen Variable auf die abhängige Variable möglichst kontrolliert messen zu können, sollte zudem eine Messzeit festgelegt werden. Wichtig ist, dass Störvariablen, die das Ergebnis des Experiments verfälschen könnten, konstant gehalten werden. Für eine Absicherung der gewonnenen Daten sind ferner Kontrollexperimente notwendig. In diesen muss das Experiment zum einen unverändert wiederholt und zum anderen verändert durchgeführt werden [3, 7, 8]. Nur wenn die zuvor beschriebenen Kriterien erfüllt sind (s. Kasten1), liegt eine vollständige Experimentplanung mit richtig angewendeter Variablenkontrollstrategie vor [9, 10].
Information 1: Veranschaulichung der Variablenkontrollstrategie
Information 1: Veranschaulichung der Variablenkontrollstrategie
Experiment zur Wärmeleitfähigkeit von Metallen [11]
Fragestellung
Inwiefern unterscheiden sich die Metalle Kupfer und Eisen in ihrer Wärmeleitfähigkeit?
Vermutung
Kupfer weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Eisen auf.
Mögliche Unterstützungsmaßnahmen
Schülerinnen und Schüler machen bei der Anwendung der Variablenkontrollstrategie häufig Fehler: (1) sie untersuchen den Einfluss lediglich einer Ausprägung der unabhängigen Variable auf die abhängige Variable, (2) sie variieren die Ausprägungen der unabhängigen Variable unsystematisch, und/oder (3) sie halten mögliche Störvariablen nicht konstant. In diesen drei Fällen führen Schülerinnen und Schüler Experimente ohne Variation und unter unkontrollierten Bedingungen durch [3 – 6]. Daher ist es notwendig, das Planen und Durchführen von Experimenten unter Anwendung der Variablenkon-trollstrategie im Unterricht zu fördern. Ergebnisse einer Meta-Analyse zum Effekt von möglichen Maßnahmen zur Einführung der Variablenkontrollstrategie belegen, dass die Strategie (A) durch Instruktion generell gefördert werden...

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aus: Unterricht Chemie Nr. 158 / 2017

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