5E-Unterrichtsplan mit interaktiven Simulationen

Ein 5E-Unterrichtsplan gibt einer Physik-, Chemie-, Biologie- oder Mathestunde einen klaren Bogen: Die Schülerinnen und Schüler werden neugierig, erkunden, ordnen ihre Ergebnisse ein, wenden sie an und zeigen, was sie können. Interaktive Simulationen passen erstaunlich gut zu diesem Modell, denn eine einzige Simulation kann mehrere Phasen tragen. Sie ist der Einstieg am Beamer, die Untersuchung in Partnerarbeit und am Ende die Prüfaufgabe. Diese Anleitung erklärt das 5E-Modell kurz, zeigt, was die Simulation in jeder Phase leistet, und enthält dann eine vollständige 5E-Stunde zur Photosyntheserate mit Zeitplan und den Daten, die Ihre Klasse tatsächlich erhebt. Dazu bekommen Sie eine leere Vorlage für jede beliebige Simulation und Ideen, wie Sie den Plan an Ihre Klasse anpassen.

Was ist das 5E-Modell?

Das 5E-Unterrichtsmodell wurde in den späten 1980er-Jahren von BSCS entwickelt. Heute ist es eine der am weitesten verbreiteten Stundenstrukturen im naturwissenschaftlichen Unterricht. Die Grundidee ist einfach: Lernende verstehen ein Konzept besser, wenn sie das Phänomen kennenlernen, bevor sie die Erklärung hören.

Die fünf Phasen sind:

1. Engage (Einstieg): Neugier wecken und sichtbar machen, was die Lernenden schon denken.
2. Explore (Erkunden): Die Lernenden untersuchen selbst, bevor es formalen Unterricht gibt.
3. Explain (Erklären): Die Lernenden teilen ihre Ergebnisse, die Lehrkraft führt Fachbegriffe und Modell ein.
4. Elaborate (Vertiefen): Die Lernenden wenden die Idee auf eine neue Situation oder eine schwierigere Aufgabe an.
5. Evaluate (Überprüfen): Lernende und Lehrkraft prüfen das Verständnis am Lernziel.

Die Reihenfolge ist wichtig. Im traditionellen Unterricht kommt zuerst die Erklärung, und die Aktivität bestätigt sie. In einer 5E-Stunde kommt die Aktivität zuerst, sodass die Erklärung auf echter Erfahrung aufbaut. Die Phasen sind auch nicht streng linear. Sie können die ganze Stunde über informell überprüfen und zu Explore zurückkehren, wenn eine Erklärung nicht trägt.

Wie Simulationen in jede Phase passen

Phase	Was die Simulation leistet	Typisches Format
Engage	Zeigt ein überraschendes Ergebnis oder stellt eine Frage mit gesperrter Vorhersage	Beamer im Präsentationsmodus, ganze Klasse
Explore	Lässt die Lernenden Variablen ändern und schnell Daten sammeln	Paare oder Kleingruppen an Geräten, per Link oder QR-Code
Explain	Liefert gemeinsame Belege, auf die Sie zeigen können, während Sie das Konzept benennen	Beamer, mit den Schülerergebnissen an der Tafel
Elaborate	Stellt eine Aufgabe mit neuen Werten oder einem anderen Bildschirm derselben Simulation	Paare, oft ein angehefteter Link mit neuen Startwerten
Evaluate	Enthält ein Fragenset mit Zahlen-, Multiple-Choice- und Kurzantworten	Einzeln, nur mit Spitzname, Ergebnistabelle für die Lehrkraft

Zwei Funktionen sorgen dafür, dass das reibungslos läuft. Erstens zeigt der Präsentationsmodus (hängen Sie ?present=1 an den Link zum Starten an) die Simulation am Beamer mit der Schaltfläche „QR-Code zeigen“. Die Lernenden scannen den Code und wechseln in Sekunden von der Engage-Demo auf ihre eigenen Geräte. Zweitens kann ein Fragenset am Link Vorhersagefragen enthalten, die die Simulation sperren, bis die Lernenden sich festlegen. Diese Vorhersagen lassen sich nach dem Experiment erneut stellen, sodass Sie über die ganze Stunde ein Vorher und Nachher haben.

Komplette 5E-Stunde: Was beeinflusst die Photosyntheserate?

Stufe: Alter 12–16 Jahre (Biologie in der Sekundarstufe I und II) Zeit: 60 Minuten Simulation: Photosynthese – Sauerstoffbläschen an Wasserpest zählen Lernziel: Die Lernenden können beschreiben, wie Lichtintensität, CO₂-Konzentration und Temperatur die Photosyntheserate beeinflussen, und mit dem Begriff des limitierenden Faktors erklären, warum die Rate einen Grenzwert erreicht.

Die Simulation zeigt einen Spross Wasserpest unter einem Trichter. Im Licht gibt er Sauerstoffbläschen ab, und die Zahl der Bläschen pro Minute misst die Photosyntheserate. Die Lernenden ziehen die Lampe oder nutzen Regler für die Lichtintensität (0–100 %), die CO₂-Konzentration im Wasser (0–0,1 %) und die Temperatur (0–50 °C). Ein Diagramm trägt die Rate gegen den gewählten Faktor auf, und die Infozeile zeigt die aktuelle Rate in Bläschen pro Minute.

Vor der Stunde (10 Minuten Vorbereitung)

1. Erstellen Sie auf der Seite „Teilen“ einen Link für die Klasse (zum Beispiel „Photosynthese – 8c“). Heften Sie die Startwerte an: Licht 60 %, CO₂ 0,04 %, Temperatur 25 °C, Diagrammachse Lichtintensität, Bläschenzähler an.
2. Erstellen Sie auf dem Tab „Fragen“ ein Fragenset (siehe Evaluate unten) und verknüpfen Sie es mit dem Link.
3. Drucken Sie die Datentabelle für die Explore-Phase aus oder hängen Sie sie auf.

Engage (8 Minuten)

Öffnen Sie den Link im Präsentationsmodus am Beamer. Lassen Sie die Bläschen 20 Sekunden ohne Kommentar laufen und fragen Sie dann: „Was kommt aus der Pflanze? Woher kommt es?“

Sammeln Sie die Antworten und ziehen Sie dann den Lichtregler auf 0. Die Bläschen hören auf. Fragen Sie: „Was sagt uns das?“ Die Lernenden verbinden Licht und Photosynthese meist schnell. Stellen Sie jetzt die eigentliche Frage: „Wenn wir das Licht immer heller machen, was passiert dann mit der Bläschenrate?“

Die Lernenden beantworten die erste Vorhersagefrage auf ihren Geräten (QR-Code scannen). Die Simulation bleibt gesperrt, bis sie sich festlegen:

P1 (Multiple Choice): Wird das Licht immer heller, dann wird die Bläschenrate …

• 1. im gleichen Tempo weiter steigen
• 2. steigen und dann einen Grenzwert erreichen ✔
• 3. gleich bleiben
• 4. sinken

Verraten Sie die Antwort nicht. Die meisten Klassen teilen sich zwischen A und B, und genau diese Spannung brauchen Sie für Explore. Mehr zum Einsatz von Vorhersagen finden Sie in Vorhersagen, beobachten, erklären mit Simulationen.

Explore (17 Minuten)

Die Lernenden arbeiten zu zweit. Jedes Paar beginnt mit der Lichtintensität und hält CO₂ bei 0,04 % und die Temperatur bei 25 °C. Es stellt das Licht auf jeden Wert ein und notiert die Rate aus der Infozeile.

Erwartete Ergebnisse der Simulation:

Lichtintensität (%)	0	20	40	60	80	100
Rate (Bläschen/min)	0	33	45	52	56	59

Teilen Sie die Klasse nach 8 Minuten. Die eine Hälfte der Paare untersucht CO₂ (Licht zurück auf 60 %, Temperatur 25 °C). Die andere Hälfte untersucht die Temperatur (Licht 60 %, CO₂ 0,04 %). Jedes Paar stellt die Diagrammachse passend zu seinem Faktor um.

CO₂-Konzentration (%)	0	0,02	0,04	0,06	0,08	0,10
Rate (Bläschen/min)	0	37	52	61	66	70

Temperatur (°C)	5	15	25	30	35	40	45	46
Rate (Bläschen/min)	1	16	52	61	52	33	16	0

Der Bläschenzähler zählt auch echte Bläschen über die Zeit. Seine Zahl schwankt etwas. Sagen Sie den Lernenden deshalb, sie sollen für die Tabelle die Rate aus der Infozeile nehmen und den Zähler zur Kontrolle.

Gehen Sie herum und stellen Sie jedem Paar eine Frage: „Welche Änderung hat den größten Unterschied gemacht? Wo begann die Kurve flach zu werden?“

Explain (12 Minuten)

Holen Sie die Klasse zusammen. Zeichnen Sie die drei Diagrammformen aus den Daten der Lernenden an die Tafel:

• Licht und CO₂: Anstieg, dann Abflachung (Sättigungskurven);
• Temperatur: Anstieg bis zu einem Maximum bei etwa 30 °C, dann Abfall, und oberhalb von 45 °C kommt die Rate zum Stillstand.

Benennen Sie nun die Ideen:

1. Photosynthesegleichung: Kohlenstoffdioxid + Wasser → Glucose + Sauerstoff, mit Lichtenergie, die vom Chlorophyll aufgenommen wird. Die Simulation zeigt diese Wortgleichung neben der aktuellen Rate.
2. Limitierender Faktor: Die Rate wird von dem Faktor gebremst, der am knappsten ist. Wenn die Lichtkurve abflacht, begrenzt das Licht nicht mehr. Etwas anderes ist jetzt der Engpass.
3. Enzyme und Temperatur: Die Photosynthese beruht auf Enzymen. Wärme beschleunigt sie, zu viel Hitze denaturiert sie jedoch, und deshalb hat die Kurve ein Optimum.

Kehren Sie zu P1 zurück. Bitten Sie eine Schülerin oder einen Schüler, der A gewählt hat, zu erklären, warum das plausibel schien, und zeigen Sie dann an den Lichtdaten die Abflachung. Halten Sie das kurz. Die Daten haben den größten Teil der Arbeit schon getan.

Elaborate (15 Minuten)

Geben Sie den Paaren eine Aufgabe: „Bei 100 % Licht beträgt die Rate nur etwa 59 Bläschen/min. Finden Sie Einstellungen, die sie über 85 bringen, ohne das Licht zu ändern.“

Die Lernenden müssen die Idee des limitierenden Faktors nutzen. Mit CO₂ auf 0,1 % und einer Temperatur von 30 °C gelingt es: Bei 100 % Licht erreicht die Rate etwa 92 Bläschen/min. Bitten Sie sie, mit diesen Einstellungen die Lichtreihe zu wiederholen:

Lichtintensität (%), CO₂ 0,1 %, 30 °C	0	20	40	60	80	100
Rate (Bläschen/min)	0	51	71	81	88	92

Die ganze Kurve ist nach oben gerückt. Das ist der entscheidende Beleg dafür, dass CO₂ und Temperatur vorher limitierend waren. Schließen Sie mit einem Alltagsbezug: „Warum geben manche Gewächshäuser im Erwerbsgartenbau CO₂ zu und heizen, statt nur Lampen zu verwenden?“

Für ältere oder schnellere Lernende ergänzt die Simulation zu Photosynthese und Kompensationspunkt die Atmung und die Nettophotosynthese und zeigt den Lichtkompensationspunkt.

Fotosyntheserate – Licht, CO₂, Temperatur und Kompensationspunkt

Evaluate (8 Minuten)

Die Lernenden beantworten die übrigen Fragen des Fragensets einzeln unter der Simulation. P1 wird noch einmal gestellt, damit jede und jeder die Antworten vorher und nachher vergleichen kann.

1. P1 noch einmal: Wird das Licht heller, dann wird die Rate … (B ✔)
2. Zahl: Welche Rate zeigt die Simulation bei Licht 60 %, CO₂ 0,04 % und 25 °C? Antwort 52 Bläschen/min, Toleranz ± 2.
3. Multiple Choice: Bei Licht 100 %, CO₂ 0,04 % und 25 °C: Welche einzelne Änderung erhöht die Rate am stärksten?
   • 1. Die Temperatur auf 30 °C erhöhen
   • 2. CO₂ auf 0,1 % erhöhen ✔ (die Rate steigt auf etwa 80, gegenüber etwa 69 bei Option A)
   • 3. Die Lampe noch näher heranrücken
4. Zahl: Bei welcher Temperatur ist die Rate am höchsten? Antwort 30 °C, Toleranz ± 2 °C.
5. Kurzantwort: Warum sinkt die Rate oberhalb von etwa 35 °C und kommt oberhalb von 45 °C zum Stillstand? Musterantwort: Die Enzyme, die die Photosynthese steuern, werden durch hohe Temperaturen geschädigt (denaturiert), sodass die Reaktionen langsamer werden und schließlich aufhören.

Fügen Sie nach Frage 3 eine Erklärung hinzu: „Bei 100 % Licht ist das Licht fast gesättigt. CO₂ war der Faktor, der am knappsten war.“

Öffnen Sie nach dem Unterricht die Ergebnistabelle des Links. Haben viele Frage 3 falsch beantwortet, beginnen Sie die nächste Stunde noch einmal mit der Elaborate-Aufgabe, statt weiterzugehen. Mehr dazu, wie Sie Ergebnisse nutzen, steht in Simulationen für die formative Leistungsbewertung nutzen.

Wiederverwendbare 5E-Vorlage für jede Simulation

Kopieren Sie diese Struktur und füllen Sie die Klammern aus.

Thema: [Konzept] · Simulation: [Name und Link] · Zeit: [45–60 min] Lernziel: Die Lernenden können [beobachtbares Verb] [Zusammenhang oder Wert].

Phase	Zeit	Lehrkraft	Lernende	Einrichtung der Simulation
Engage	5–10 min	Projiziert die Simulation, stellt eine verblüffende Frage	Legen sich auf eine Vorhersage fest (gesperrte Vorhersagefrage)	Präsentationsmodus, angeheftete Startwerte
Explore	15–20 min	Geht herum, fragt „Was hat sich am meisten verändert?“	Ändern jeweils eine Variable, füllen eine Datentabelle aus	Klassenlink per QR-Code; Gruppen teilen die Variablen auf
Explain	10–12 min	Sammelt Muster, benennt Konzept und Fachbegriffe	Stellen Ergebnisse vor, kehren zu ihrer Vorhersage zurück	Beamer, Schülerdaten an der Tafel
Elaborate	10–15 min	Stellt eine Aufgabe in neuem Kontext	Wenden das Konzept an, um ein Ziel zu erreichen	Dieselbe Simulation, neue Werte oder ein anderer Bildschirm
Evaluate	5–10 min	Prüft nach dem Unterricht die Ergebnistabelle	Beantworten das Fragenset einzeln	Bis zu 5 Fragen; Vorhersage erneut gestellt

Checkliste vor dem Unterricht:

• Habe ich jeden Schritt selbst in der Simulation durchgespielt und die echten Werte notiert?
• Gibt es bei der Engage-Frage eine häufige falsche Antwort?
• Kommt Explore vor jeder formalen Erklärung?
• Braucht Elaborate das Konzept, nicht nur mehr vom Gleichen?
• Lässt sich jede Evaluate-Frage automatisch oder in unter einer Minute bewerten?

Den Plan anpassen

Nur Beamer, keine Geräte für die Lernenden. Führen Sie Explore als Untersuchung der ganzen Klasse durch. Die Paare nennen abwechselnd einen Wert zum Testen, und alle notieren die Ergebnisse. Sammeln Sie Vorhersagen auf kleinen Whiteboards. Die automatische Ergebnistabelle fehlt dann, aber jede Phase funktioniert weiterhin.

Kurze Stunden (40–45 Minuten). Verteilen Sie den Plan auf zwei Stunden. Am ersten Tag Engage, Explore und eine kurze Zusammenfassung. Am zweiten Tag Explain, Elaborate und Evaluate. Der Klassenlink behält an beiden Tagen dieselben Startwerte.

Engage als Flipped Classroom oder Hausaufgabe. Schicken Sie den Link mit der Vorhersagefrage und fünf Minuten freiem Erkunden nach Hause. Beginnen Sie die Stunde mit der Ergebnistabelle. Die Lernenden brauchen keine Konten, ein QR-Code auf einem Arbeitsblatt oder ein Beitrag in Ihrem Lernmanagementsystem genügt. Siehe So betten Sie eine Simulation in Ihr LMS ein.

Leistungsheterogene Klassen. Geben Sie Förderpaaren nur die Lichtreihe mit halb ausgefüllter Tabelle. Geben Sie sicheren Paaren die Elaborate-Aufgabe früh oder die Simulation zum Kompensationspunkt.

Andere Fächer. Derselbe Bogen funktioniert auch für ein Mathe-Konzept. Nutzen Sie zum Beispiel Graphen quadratischer Funktionen mit „Was passiert mit den Nullstellen, wenn sich c ändert?“ als Engage, einer Tabelle von c gegen die Zahl der Nullstellen als Explore, der Diskriminante als Explain und „Finde c für genau eine Nullstelle“ als Elaborate.

Explore zu einem vollständigen Versuch ausbauen. Wenn Sie ein formales Praktikum mit Wiederholungen und Auswertung wünschen, lesen Sie So erstellen Sie eine virtuelle Laboraktivität. Weitere Einsatzmöglichkeiten von Simulationen über 5E hinaus finden Sie in So setzen Sie interaktive Simulationen im Unterricht ein.

Häufige Fragen

Wie lange sollte eine 5E-Stunde mit Simulation dauern?

Ein einzelnes Konzept passt in 45–60 Minuten. Explore braucht meist am meisten Zeit (15–20 Minuten). Sind Ihre Stunden kürzer, verteilen Sie den Plan auf zwei Stunden.

Kann eine Simulation alle fünf Phasen abdecken?

Oft ja. Nutzen Sie sie am Beamer für Engage, auf Geräten für Explore, mit neuen Werten für Elaborate und mit einem Fragenset für Evaluate. Für Elaborate kann eine verwandte Simulation zusätzliche Herausforderung bieten.

Wo passen Vorhersagefragen in das 5E-Modell?

In Engage. Eine gesperrte Vorhersage zwingt alle Lernenden, sich vor dem Erkunden festzulegen, und stellen Sie sie in Evaluate erneut, sehen Sie, wie sich ihr Denken verändert hat.

Brauche ich einen kostenpflichtigen Tarif für diese Stunde?

Nein. Simulationen abspielen, Klassenlinks und Fragensets funktionieren im kostenlosen Tarif, der 100 Schülerantworten pro Monat enthält. Mit Pro entfällt diese Grenze.