Ob Automotor, die Logistik bei der Getreideernte oder Besucherströme auf einer Messe: Alles lässt sich heute mit entsprechender Software am PC simulieren, bevor es in „echte“ Konstrukte oder Systeme umgesetzt wird. Schüler, die einen MINT-Beruf anstreben, brauchen diese Kompetenz, um ihre Chancen auf dem Arbeitsmarkt zu vergrößern. Darum darf der MINT-Unterricht nicht mehr nur auf die klassischen Experimentiermethoden setzen

Grüne Klötzchen rollen über ein neues Laufbandsystem. Drehscheiben schicken sie zu einer gerade freien Verpackungsmaschine und weiter geht es ins vollautomatisierte Hochregallager. Doch dann kommt es zum Klötzchenstau auf einem Laufband: Das Fördertempo ist zu schnell für die Verpackungsmaschinen, die Produktion gerät ins Stocken. Ein verlustreiches Szenario für ein Unternehmen – wenn es real auftritt und nicht wie hier in einer computeranimierten 3D-Simulation.

Noch bevor die erste Strippe gezogen wird, kann man im digitalen Experiment mögliche Schwächen einer geplanten Anlage, Konstruktion oder Architektur entlarven und beheben. Das ist der entscheidende Vorteil einer Simulation: Es erspart den Unternehmen böse Überraschungen im Nachhinein, den kostspieligen Bau von Prototypen und aufwändige Modifikationen des fertigen Objekts. Denn letztendlich sind es mathematische Zusammenhänge, die das Verhalten eines Systems beschreiben. Diese kann man durch ein Softwaretool bei unterschiedlichen Randbedingungen und Parametern laufend neu berechnen lassen. Je ausgefeilter und realitätsnäher die Simulation, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass später alles gut funktioniert.

Fachkräfte, die dafür das Know-how mitbringen, sind für produzierende Gewerbebetriebe, aber auch für Logistik- und Dienstleistungsunternehmen, für Architektur- und Ingenieurbüros von hohem Wert.

Ungenutzte Möglichkeiten

Der MINT-Unterricht an unseren Schulen geht auf diesen Bedarf leider kaum ein. Man verlässt sich dort noch häufig auf traditionelle Methoden zur Vermittlung technischer Sachverhalte. Das kostet viel Zeit und ist zugleich recht unzuverlässig: Man arbeitet vorwiegend mit Experimenten sowie an „physischen“ Modellen und Prototypen. Im Zeitalter von Computer und Multimedia stehen jedoch mit spezifisch entwickelten Simulationssoftware-Tools effizientere Medien zur Verfügung, um technische Einsichten und Vorstellungen zu vermitteln und Verbesserungen von Produkten noch während der frühen Entwurfsphase zu testen.

Das heißt freilich nicht, dass nun alles und jedes am PC simuliert werden sollte. Grundlagen der Mechanik etwa können sich die Schüler selbstverständlich gut an konkreten Versuchsreihen und Modellen erarbeiten. Bei elektrischen Schaltkreisen oder gar elektronischen Komponenten wird das schon deutlich schwieriger. Die Abläufe darin entziehen sich dem unmittelbaren Anschauungs- und Erfahrungsbereich, da vieles unsichtbar abläuft. Dennoch zieht der MINT-Unterricht herkömmliche Modelle heran, um die Grundlagen der Elektrizität und Elektronik zu vermitteln. Der Nachteil: Sie bleiben für die allgemeine Technikbildung zu abstrakt, die Kenntnisse über elektrische und elektronische Prinzipien und Wirkweisen entsprechend lückenhaft. Derlei ist aber entscheidend, um moderne Technologien verstehen und (im späteren Beruf zum Beispiel) weiterentwickeln zu können. Simulationen machen die technischen Zusammenhänge und Phänomene wesentlich anschaulicher. Erfahrungsgemäß ergeben sich insbesondere bei komplexeren Simulationen oft unerwartete Ergebnisse, da Vernetzungen und Dynamik bei der Planung des virtuellen Versuchsaufbaus meist nur unzureichend berücksichtigt werden. Dies eröffnet spannende Lernchancen, die neben einem verbesserten Verständnis des untersuchten Systems auch die Fähigkeit zu systemischem Denken insgesamt verbessern können.

Und nicht zuletzt helfen Simulationen, Geld zu sparen: Man muss teure Apparaturen wie z.B. Oszilloskope gar nicht anschaffen, um deren Funktionen kennenzulernen oder zu nutzen – es gibt sie oftmals als Simulation im Internet.

Tipps für die Praxis

Nun ist diese neue Art des Experimentierens sicher für viele Pädagogen noch Neuland. Aber nur Mut: Für Unterrichtssequenzen gibt es Hilfestellungen und Anregungen, mit deren Hilfe die digitale Simulation in den Technikunterricht implementiert werden kann. Etwa das „Zentrum für Unterrichtsmedien im Internet“ (ZUM), das Portal Lehrer-Online sowie die Landesbildungsserver liefern auf ihren Websites Anregungen.

Voraussetzung für digitales Experimentieren ist logischerweise eine geeignete IT-Infrastruktur in der Schule (oder zumindest im Fachraum) inklusive Internetzugang. Allerdings genügen für unterrichtliche Zwecke bereits einfache Simulationsprogramme und browserbasierende Java-Applets, die keine besonderen Ansprüche an die Computertechnik stellen.

Wichtig ist es für Pädagogen, technisch nicht gleich alle Register zu ziehen, um die Schüler (und sich selbst) nicht zu überfordern. Überschaubare Themen lassen sich bereits für die Mittelstufe in der Informatik, der Mathematik, den Natur- und Gesellschaftswissenschaften sowie im Wirtschaftsunterricht finden. Beispielsweise die Kfz-Elektrik eignet sich für eine mehrtägige Unterrichtseinheit oder eine Projektwoche. Die Funktionsweise solch relativ einfacher Systeme lässt sich schon mit wenigen basalen Komponenten der Elektrotechnik virtuell verdeutlichen. Als Simulationsprogramm eignen sich einfache elektrotechnische Anwendungen wie eXact (kostenloser Download unter www.shareware.de/exact/). Zudem lohnt ein Blick auf die bekannten Bildungsserver, die oftmals einen Fundus kleinerer Simulationen und animierter Modelle bieten oder dorthin verlinken. Wer leistungsstärkere Anwendungen implementieren möchte, muss diese freilich bezahlen. Immerhin haben aber einige Anbieter günstige Schulversionen und Klassenraumlizenzen für ihre Software im Programm.

Vorgehen

Jedem virtuellen Experiment geht die Hypothesenbildung voraus – in der Arbeitswelt genauso wie im Unterricht. Als Lernform ist die selbstständige Partner- oder Gruppenarbeit zu bevorzugen, um gebrauchsfertige Modelle zu erforschen. Natürlich sollten die Schüler auch eigene Modelle entwickeln dürfen, um zuvor aufgestellte Hypothesen zu prüfen. Die Ergebnisse können dann der Klasse präsentiert und im Plenum diskutiert werden.

Nach einem Simulationslauf ergeben sich oft deutliche Unterschiede zwischen dem erwarteten und dem tatsächlichen Modellverhalten. Die Ursache mag beispielsweise in einem fehlerhaft konstruierten formalen Modell liegen, das dann zu verbessern wäre. Oder in irrigen Vorstellungen über das System und sein Verhalten, also in einem falschen mentalen Modell des Anwenders. Dies erkannt zu haben, ermöglicht eine intensivere Auseinandersetzung mit der Thematik – und damit die Verbesserung des mentalen Modells und des Systemverständnisses.