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MINT-Fächer » Praxisorientiertes & fächerübergreifendes Lernen

Die Erinnerungen an den Unterricht in Mathematik, Biologie oder an andere mathematisch-naturwissenschaftliche Fächer werden den einen oder anderen erschauern lassen. Trockener Unterricht mit Formelsammlungen und dem Periodensystem, ellenlange kryptische Hefteinträge und kein Bezug zur Realität. Das war einmal. Heute sorgen Lehrkräfte, Bildungsministerien und Unternehmen dafür, dass die sogenannten MINT-Fächer möglichst praxisorientiert und spannend gestaltet werden. Denn eines ist klar: Der Bereich ist für die Wirtschaft sehr bedeutend, da sie den Kern vieler Innovationen bildet. Arbeitnehmer mit einem entsprechenden Abschluss sind also die innovationstreibenden Kräfte, die Unternehmen in vielen Themen voranbringen. Das Problem: Der allgemeine Fachkräftemangel und die hohen Anforderungen bei Studium oder Ausbildung sorgen für einen Mangel an qualifizierten Mitarbeitern.



Was ist MINT?

MINT ist die Abkürzung für die Fächer Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik. Neben den klassischen Unterrichtsfächern in der Grundschule, in weiterführenden Schulen und in Hochschulen werden auch Experimente und Projekte im Kindergarten dazu gezählt. Was mit vier einfachen Buchstaben abgekürzt wird, deckt also ein umfassendes Feld an Unterrichtsthemen ab von Algebra und Geometrie über Chemie, Physik bis hin zu Robotik, Automatisierung und Programmierung.

Diese Fächer sind nicht nur dazu da, um Schülerinnen und Schüler zu benoten. Ganz im Gegenteil, sie sind der Motor für die Innovationskraft der Wirtschaft. Um aktuelle und zukünftige Herausforderungen zu lösen, sind viele Fachkräfte mit einer MINT-Ausbildung nötig, beispielsweise in der Bionik, Digitaltechnik, Mechatronik oder im Softwareengineering. MINT bietet ein breites Berufsspektrum, das vom Versicherungsmathematiker über den Biochemiker bis hin zur Kardiotechnikerin reicht. In all diesen wirtschaftlichen Bereichen verbindet sich das strukturierte Vorgehen der mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächer mit Erfindungsreichtum und Kreativität. Darüber hinaus wissen Absolventen, wie vernetzt und fließend die Übergänge zwischen den einzelnen Fachbereichen sind. Für die Informatik benötigt man Mathematik und technische Neuerungen bauen vorwiegend auf naturwissenschaftlichen Erkenntnissen auf. Kurzum: Ohne MINT läuft es nicht..

Das Problem: Genau diese Fachkräfte fehlen durch den allgemein zunehmenden Mangel an gut ausgebildeten Arbeitnehmern. Zusätzlich haben die entsprechenden Studiengänge relativ hohe Abbrecherquoten. Dies liegt nicht zuletzt an der Komplexität dieser Studienfächer.

Die Lösung: Frühzeitig, also bereits im Kindergarten, das Interesse für Mathematik und Naturwissenschaft wecken. Kindergarten- und Grundschulkinder experimentieren und forschen spielerisch, mit ihrer Neugierde als Antrieb. Schüler und Schülerinnen der Sekundarstufe I und Sekundarstufe II werden gezielt in diesen Kompetenzen gefördert. Um Erzieher und Lehrkräfte zu unterstützen, bieten viele Initiativen und Vereine Fortbildungen sowie kostenlose Unterrichtsmaterialien an. Auch Unternehmen leisten ihren Beitrag, fördern zahlreiche Initiativen und entwickeln eigens für den Unterricht gedachte Bausätze, Programmiersets und Roboter. So sollen Kinder in jedem Alter ganz praktisch an die MINT-Themen herangeführt werden, um sich ohne Scheu oder Angst, dafür mit viel Neugier und Kreativität in diesen Fächern zu bewegen. Und diese Neugier muss nach Schulschluss nicht aufhören. Auch im Kinderzimmer lässt sich mit Bausätzen und Experimentierkästen das Interesse der Kinder fördern.


Eine weltweite, von LEGO® Education beauftragte Studie von 2019 belegt, dass die Mehrheit der Schüler und Schülerinnen mit einer selbstbewussten Herangehensweise an Themen in MINT-Fächern auch in anderen Bereichen ein höheres Selbstvertrauen zeigen und weniger Angst vor unbekannten oder neuen Aufgaben haben. Praxisorientiertes Lernen und projektorientierte Gruppenarbeiten stärken ebenfalls das Selbstvertrauen.

Das bedeutet, dass der MINT-Unterricht nicht nur ein wichtiger Bestandteil der Bildung ist, sondern ebenfalls zur Persönlichkeitsbildung beiträgt. Zudem verspricht eine Ausbildung in dieser Fachrichtung gute berufliche Einstiegs- und Aufstiegschancen in interessanten, zukunftsweisenden Bereichen. Um Kinder für Biologie, Mathematik, Chemie, Physik, Technik und Co. zu begeistern, können sich Lehrkräfte aus einem vielfältigen Angebot Unterstützung für ihre Klassen suchen.



Unterstützung für Lehrer: Initiativen, Jugendwettbewerbe, Unterrichtsmaterialien, Fortbildung 

Nachdem Unternehmen und Verbände seit einigen Jahren die Bedeutung von MINT-Absolventen für Deutschlands wirtschaftliche Zukunft betonen, sind zahlreiche Initiativen und Förderprogramme entstanden. Ziel ist es, das geweckte Interesse und die positive Einstellung gegenüber dem mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht bei Kindern über die Kindergarten-Zeit hinaus, auf dem weiteren Bildungsweg aufrecht zu erhalten. Dann werden sich Kinder eher dafür entscheiden eine entsprechende Berufsausbildung zu beginnen und diese auch erfolgreich abzuschließen.

Die Anzahl an Informationsplattformen im Internet ist groß, daher ist die folgende Liste nur ein Auszug der bekanntesten Programme. Viele dieser vorgestellten Projekte werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt. Daneben hat es einen Aktionsplan formuliert, in dem Investitionen in die Forschung zur MINT-Bildung sowie die Förderung einer MINT-Kompetenz- und Vernetzungsstelle festlegt. Auch die Förderung von Frauen und Mädchen, die sich für den Bereich interessieren oder bereits einen entsprechenden Beruf ausüben, bleibt im Fokus. Zudem hat das BMBF eine Kampagne unter dem Namen #mintmagie gestartet. Diese zeigt, welch großen Anteil MINT bereits im Alltag einnimmt und ermutigt Kinder und Jugendliche zum Forschen, Experimentieren und Mitmachen, beispielsweise auf Instagram.

 

Auswahl an Initiativen

Haus der kleinen Forscher (Kindergarten, Hort, Grundschule)

Gemeinnützige Stiftung zur Verbesserung von Bildungschancen, zur Nachwuchsförderung und zur Professionalisierung des pädagogischen Personals. 

Projektideen, Materialien, Fortbildungsangebote, Veranstaltungen, Kita-Zeitschrift.

Komm mach MINT

Verschiedene Projekte und Veranstaltungen, um Mädchen und Frauen im MINT-Bereich stark zu machen.

Unterrichtsmaterialien, Experimente, Fortbildungen, Anregungen um daheim zu forschen.

Verband zur Förderung des MINT-Unterrichts (MNU)

Bundesverband für MINT-Lehrer aller Schulformen und Jahrgänge.

MNU-Zeitschrift, Veranstaltungen, Fortbildungen, Publikationen.

Joachim-Herz-Stiftung

Fördert Bildung, Wissenschaft und Forschung in den Naturwissenschaften und den Wirtschaftswissenschaften.

Unterrichtsideen und Projekte für die Klassen 5 bis 13, auch für den Fernunterricht. Unterstützung des Physikportals LEIFI.

Roberta

Bildungsprogramm des Fraunhofer Instituts für intelligente Analyse- und Informationssysteme.

Betreuung und Weiterbildungen für Lehrkräfte, Roboter-Baukastensysteme, Experimente und Unterrichtsmaterialien.

Deutscher Bildungsserver (Sekundarstufen)

Zentraler Wegweiser zum Bildungssystem in Deutschland. 

Zahlreiche Informationen für verschiedene Schulfächer, Vorstellung weiterer Initiativen, Unterrichtskonzepte.

Welt der Physik

Umfangreiches Informationsportal über Physik. 

Beantwortung häufig gestellter Fragen, regelmäßige Podcasts, Tipps zu Veranstaltungen und digitalen Angeboten.

Lukas Experimente - Die Lichtwerkstatt für die Grundschule

Projekt des VDI Technologiezentrums GmbH.

Informationsmaterial zur Gestaltung des Technik- und Sachkundeunterrichts, Themenhefte zu Experimenten, Videoworkshops für Lehrkräfte.

Max-Planck-Gesellschaft (Sekundarstufe II Gymnasium)

Eine der führenden Institutionen in Deutschland zur Grundlagenforschung und zur Förderung der Wissenschaften.

Regelmäßige Herausgabe der Hefte Biomax, Geomax und Techmax zu den Fächern Biologie, Erdkunde, Physik und Chemie. Auf der Internetseite befinden sich weitere Artikel, Filme und Animationen, Unterrichtsmaterialien sowie Material für Referate und Facharbeiten. 

MINT-Programme der Fraunhofer Gesellschaft

Die größte Organisation für angewandte Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen in Europa. 

Vom Kindergarten bis ins Studium hinein bietet die Fraunhofer Gesellschaft zahlreiche Programme an, beispielsweise "Kids Kreativ" für den Kindergarten, der Entdeckercampus für 6- bis 10-Jährige und das Orientierungsprogramm "Talent Take Off". 

MINT erleben im Museum

Acht große Forschungsmuseen sind in der Leibniz-Gemeinschaft beheimatet und umfassen über 100 Millionen Objekte zu den Themen Erdgeschichte, Artenvielfalt, Kultur- und Technikgeschichte und zur Erhaltung des wissenschaftlichen und kulturellen Erbes. Mit individuellen Angeboten bringen die Museen ihre vielfältigen Themen vom Bergbau bis zur Schifffahrt ihren Besuchern altersgerecht näher.

Beispielsweise gehören folgende Museen zur Leibniz-Gemeinschaft:

Das Museum macht Naturwissenschaft und Technik in seinen verschiedenen Ausstellungen erlebbar und hat für jede Altersgruppe zwischen Kindergarten und Schule ein altersgerechtes Programm sowie Fortbildungen für Lehrkräfte, Erzieher, Studierende und Auszubildende entwickelt. Außerdem bietet es verschiedene digitale Formate an, sodass auch virtuelle Museumsbesuche möglich sind.

Parasiten, Saurier, Mineralien: Die Ausstellungen des Museums sind vielfältig. Dazu wurden spezielle Programme entwickelt, die auf Besucher aus dem Kindergarten und der Schule ausgerichtet sind. Zusätzlich erhalten Lehrkräfte Materialien auf der Webseite, um auf den Museumsbesuch thematisch vorzubereiten. Auch Fortbildungen können Lehrende sowie Erzieher besuchen. 



Praxisorientiertes, fächerübergreifendes Lernen in den MINT-Fächern - auch von daheim

 

Gerade die Zusammenhänge zwischen Mathematik, Technik, Physik und anderen MINT-Modulen machen einen fächerübergreifenden Unterricht möglich. Dank speziell für den Unterricht entwickelter Materialien lässt sich anhand kleiner Projekte der Praxisbezug von Mathematik und Naturwissenschaften darstellen. Ausgangspunkt ist meist ein lebenspraktisches Problem, für das die Schüler und Schülerinnen eine Lösung suchen. Bei diesem problemorientierten Ansatz wird durch Experimentieren, Forschen und kooperative Lernformen auch mithilfe digitaler Medien das Problem aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet und am Ende gelöst. So können Lehrer die Unterrichtseinheit abwechslungsreich gestalten, interessierte Kinder haben Spaß und lernen spielerisch.

Was so einfach klingt, ist für die Lehrenden in der Praxis natürlich nicht immer einfach umzusetzen. Denn es bedarf einer engen Zusammenarbeit zwischen Kollegen und intensiven Planungen. Doch die Bemühungen lohnen sich. Denn die Schüler und Schülerinnen erhalten nicht nur einen Wissenszuwachs, sie gewinnen auch an Selbstvertrauen in die eigenen Fähigkeiten und gehen mit Freude an die Aufgaben. Das hilft nicht nur in der Schule, sondern kann mehr Schulabgänger motivieren, eine Berufsausbildung oder ein Studium in den Bereichen der Mathematik, Technik, Informatik oder den Naturwissenschaften zu beginnen. Die Systeme lassen sich nicht nur in der Schule einsetzen. Auch daheim können kleine und große Bastler verschiedene Projekte in Angriff nehmen und ganz nebenbei wichtiges Wissen erlangen. Im Folgenden sollen ein paar dieser Systeme vorgestellt werden. 


Wie wird die Schule der Zukunft aussehen? Zu diesem Thema haben sich Schülerinnen und Schüler Gedanken gemacht und ihre Lösungen mit Scratch, LEGO® oder Stop Motion Film dargestellt. 


Bausätze, Experimentierkästen und Entwicklungskits

Möglichkeiten für einen spannenden, naturwissenschaftlich-technischen Unterricht sind Bausätze, Experimentierkästen und Entwicklungskits. Durch die gestellten Aufgaben können die Kinder und Jugendlichen ihr Wissen spielerisch vertiefen und stärken gleichzeitig ihre Teamfähigkeit. Je nach System ist auch der Zeitaufwand unterschiedlich. Manche Projekte lassen sich innerhalb einer Schulstunde beenden, für andere wiederum ist ein halbes Schuljahr nötig

 

Bausätze

Bausätze gibt es für jede Altersstufe vom Kindergarten bis zur Abiturklasse, für jeden Wissensstand und in unterschiedlicher Komplexität. Der Vorteil an diesen Sets ist, dass Schülerinnen und Schüler durch den Zusammenbau der Einzelteile verstehen lernen, wie etwas funktioniert und welche Zusammenhänge existieren.    

 

Roboter Bausätze

Roboter erleichtern nicht nur den betrieblichen und privaten Alltag, sondern man kann mit ihnen ganz schön viel lernen.

Vom Kindergarten bis zur Hochschule gibt es Formen der humanoiden Roboter, die bei der Vermittlung von Sachthemen in Programmierung, Roboter-Technik, Steuer- und Regeltechnik sowie kreatives Arbeiten helfen.

Die einfachste Form der Programmierung, die schon für Kindergartenkinder zu erlernen ist, ist die Programmierung und Steuerung der Roboter mit farbigen Coding Blöcken oder per App. Ältere Schüler sowie Studierende können ihre Roboter mit komplexeren Programmiersprachen wie C++ steuern.

Zusammenhänge, die Fähigkeit zur Zusammenarbeit und zur Problemlösung lassen sich auf diese Weise genauso erlernen, wie verschiedene technische Verfahren der Telemetrie und der Mechatronik.


LEGO® Education Spike™ Prime

LEGO® Education bietet bereits zahlreiche Produkte für den MINT-Unterricht an und beginnt dabei schon bei den Kleinsten im Kindergarten. Aber auch für Grundschule, weiterführende Schulen und für die Berufsausbildung gibt es entsprechende Angebote.

Einfache Einsteigerübungen sind mit den  Spike™ Prime Bausatz von LEGO® genauso möglich wie komplexe Konstruktionen für Kinder ab 10 Jahren. So lassen sich verschiedene Modelle bauen und in der App mit einer Drag-and-Drop-Sprache programmieren. Diese Programmiersprache ist an Scratch angelehnt. Alle vorgeschlagenen Projekte sind auf die Lehrpläne der MINT-Fächer ausgerichtet und in einer Unterrichtseinheit von 45 Minuten realisierbar. Lehrkräfte finden ergänzende Materialien online, um ihren Unterricht ohne Vorkenntnisse umsetzen zu können, und auch in der App gibt es mehrere Aufgaben zu den Themen Maschinenbau und Informatik.

Im Video erklärt unser Technikexperte die ersten Schritte mit dem Bausatz: 


fischertechnik education

fischertechnik education bietet Kindergärten und Schulen der Sekundarstufen I und II verschiedene Konstruktionsbaukästen mit konkreten Lernzielen aus den MINT-Fächern an. So lassen sich Übungen für Themen aus der Technik und Physik bis hin zu den Prinzipien der Robotic durchführen.

Es gibt beispielsweise Bausets mit dem Schwerpunkt Messen, Steuern, Regeln und Programmieren oder mit der Themenkombination Robotik, Kybernetik, Mechatronik und Automatisierung. Die Sets sind beliebig erweiterbar und kombinierbar und lassen sich per App oder Software programmieren und steuern. Darüber hinaus steht Lehrenden umfassendes Begleitmaterial online sowie ein eLearning-Portal zur Verfügung.

Im Video stellt unser Technikexperte das Dynamic-Set mit Kugelbahn vor:


Experimentierkästen

Experimentierkästen oder Lernpakete beinhalten alles, was für das entsprechende Themengebiet in Chemie, Physik, Elektronik oder Mathematik benötigt wird. So kann man beispielsweise an Radios, LED-Leuchten oder Brennstoffzellen tüfteln. Aber auch für Arduino Boards und Raspberry Pis, die normalerweise ohne Anleitung zu kaufen sind, gibt es Lernpakete. Diese erleichtern den Einstieg in die Welt der Einplatinencomputer. Beachten sollte man beim Kauf die Altersbeschränkung, da manche Experimentierkästen speziell für Erwachsene konzipiert sind. 


Entwicklungskits

Entwicklungskits gibt es in der Einsteigervariante genauso wie für Fortgeschrittene mit entsprechenden Vorkenntnissen. Geeignet sind sie für höhere Klassen in der Sekundarstufe II sowie während der Berufsausbildung, wo verschiedene Themen aus verschiedenen Fächern miteinander verknüpft werden und fächerübergreifendes Lernen stattfinden soll. So werden Zusammenhänge und Funktionsweisen in Haushaltsgeräten, Kraftfahrzeugen, Smartphones oder Servern genau unter die Lupe genommen.     

Single Board Computer (SBC)

Single Board Computer kennt man heutzutage aus dem Smartphone oder dem Tablet. Diese simplen Einplatinencomputer, beispielsweise das Raspberry Pi®, sind etwa kreditkartengroß und vereinen darauf alles wichtige: Mikroprozessor mit Chipsatz, RAM, Cache und einen Slot für Datenträger mit einem Betriebssystem wie Linux. Mit dieser Ausstattung lassen sich bereits einfache Ablaufsteuerungen realisieren. Da die SBCs kein Gehäuse haben, können sie jederzeit leicht umgebaut werden. Auch die Einbettung in andere Systeme für Mess-, Steuer- und Regelungsvorgänge ist möglich, da sie komplexe Multi-Tasking-Anwendungen erlauben.

Je nach Einsatz sind gegebenenfalls Erweiterungsplatinen notwendig, die die Platine flexibler nutzbar machen. Diese Breakout Boards haben den Vorteil, dass darauf bereits Bauteile verlötet sind und nur noch auf den Single Board Computer aufgesteckt werden müssen.      

Microcontroller Board (MCU)

Im Gegensatz zu den flexiblen SBCs werden MCUs typischerweise für einen spezifischen Anwendungszweck programmiert. Die Microcontroller Boards, zu denen beispielsweise das Arduino Board gehört, vereinen einen Mikrocontroller sowie eine Programmier-Schnittstelle und Peripherie-Schnittstellen. Sie können mit verschiedenen Aktoren und Sensoren verbunden werden. In der Industrie finden sie Einsatz in der Automobil-Industrie, der Medizintechnik sowie dort, wo eine Automatisierung nötig ist. Auch hier helfen Breakout Boards zur einfachen Erweiterung. 



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