Vorhersagen, beobachten, erklären mit Simulationen

Vorhersagen, beobachten, erklären (Predict–Observe–Explain, kurz POE) ist eine der einfachsten Methoden, damit Lernende nachdenken, bevor sie hinschauen. Die Lernenden legen sich auf eine Vorhersage fest, beobachten, was wirklich geschieht, und erklären dann den Unterschied. Interaktive Simulationen eignen sich sehr gut für POE, weil Sie den „Versuch“ in Sekunden ausführen, auf Wunsch wiederholen und die Lernenden daran hindern können, vor der Festlegung auf die Antwort zu schauen. Dieser Leitfaden zeigt, wie Sie POE mit einer Simulation von Anfang bis Ende durchführen. Er enthält ein vollständig ausgearbeitetes Beispiel zum freien Fall mit den genauen Fragen und Antworten, drei kürzere Beispiele aus Chemie, Biologie und Mathematik, eine Sammlung von Vorhersageimpulsen zum Kopieren und die Gesprächszüge, die die Diskussion gelingen lassen.

Was ist Vorhersagen, beobachten, erklären?

POE ist eine Routine in drei Schritten aus der naturwissenschaftsdidaktischen Forschung, die sichtbar macht, was Lernende wirklich glauben.

1. Vorhersagen. Die Lernenden sagen, was ihrer Meinung nach geschehen wird und warum. Das „Warum“ ist so wichtig wie die Vorhersage. Es zeigt das mentale Modell hinter der Antwort.
2. Beobachten. Die Lernenden führen den Versuch aus oder sehen ihm zu und halten fest, was tatsächlich geschieht, noch ohne zu erklären.
3. Erklären. Die Lernenden bringen Vorhersage und Beobachtung zusammen. Wenn sie übereinstimmen, prüfen sie, ob ihre Begründung trägt. Wenn nicht, finden sie heraus, welcher Teil ihres Denkens falsch war.

Die Wirkung liegt im ersten Schritt. Eine Schülerin, die sagt „Die schwere Kugel landet zuerst, weil schwerere Dinge stärker angezogen werden“, hat eine konkrete Idee auf den Tisch gelegt. Wenn die Kugeln gleichzeitig landen, muss diese Idee repariert und nicht nur beiseitegelegt werden.

Warum POE funktioniert: Fehlvorstellungen verschwinden nicht von selbst

Viele Fehlvorstellungen in den Naturwissenschaften sind hartnäckig, weil sie aus der Alltagserfahrung stammen, und die Alltagserfahrung stützt sie meistens. Ein Stein fällt tatsächlich schneller als ein Blatt. Schwerere Dinge fühlen sich tatsächlich schwerer an zu schieben. Wer den Lernenden die richtige Regel nennt, verdrängt diese Vorstellungen selten. Sie lernen die Regel für die Klassenarbeit und behalten die Intuition für alles andere.

POE funktioniert aus drei Gründen:

• Festlegung. Wer eine Vorhersage aufgeschrieben hat, interessiert sich für das Ergebnis. Eine Vorhersage ist eine kleine Wette.
• Konflikt. Eine klare Abweichung zwischen Vorhersage und Beobachtung erzeugt den Moment des „Moment, das stimmt nicht“. In diesem Moment sind die Lernenden am ehesten bereit, ihre Meinung zu ändern.
• Reparatur. Der Schritt Erklären lässt die Lernenden mit den Belegen vor Augen ein besseres Modell in eigenen Worten aufbauen.

Simulationen fügen Kontrolle hinzu: Sie können den Luftwiderstand ausschalten, den Graphen beim Entstehen zeigen und denselben Versuch zehnmal ausführen. Eine klare Beobachtung erzeugt einen klareren Konflikt.

So richten Sie POE mit einer Simulation ein

Nutzen Sie diese Checkliste, wenn Sie eine POE-Aktivität planen.

1. Wählen Sie ein überraschendes Ereignis. Wählen Sie ein Ergebnis, das ein großer Teil Ihrer Klasse falsch vorhersagen wird. Wenn alle richtig vorhersagen, haben Sie eine Bestätigungsübung, kein POE.
2. Legen Sie die Startwerte fest. Erstellen Sie auf der Seite Teilen der Simulation einen Link für die Klasse und legen Sie die Parameterwerte für das Szenario fest. Dann sieht jede Schülerin und jeder Schüler denselben Versuch.
3. Formulieren Sie die Vorhersagen als Fragen. Erstellen Sie auf dem Tab Fragen ein Fragenset und verknüpfen Sie es mit dem Link. Bis zu drei Fragen können Vorhersagefragen sein. Sie werden gestellt, bevor die Simulation startet, und die Simulation bleibt gesperrt, bis sich die Schülerin oder der Schüler festlegt.
4. Stellen Sie die Vorhersagen danach noch einmal. Vorhersagefragen lassen sich nach dem Versuch noch einmal stellen, damit die Lernenden ihre Antworten vorher und nachher vergleichen können.
5. Fügen Sie Erklärfragen hinzu. Nutzen Sie die übrigen Plätze (ein Set fasst bis zu fünf Fragen) für Erklärung und Messung: eine Kurzantwort für das „Warum“, eine Zahlenfrage mit Toleranz für einen Wert, den die Lernenden in der Simulation ablesen.
6. Planen Sie die Diskussion. Entscheiden Sie, welche falsche Vorhersage Sie zuerst an die Tafel schreiben. Die Ergebnistabelle zeigt Ihnen, welche am häufigsten ist.

Die Lernenden brauchen zum Antworten nur einen Spitznamen. Fragen Sie nach Vornamen oder Spitznamen, nie nach vollständigen Namen oder E-Mail-Adressen.

Ausgearbeitetes Beispiel: Landet die schwerere Kugel zuerst?

Das ist ein klassisches POE für das Alter 11–16. Es dauert etwa 25 Minuten. Es nutzt die Simulation zu freiem Fall und Luftwiderstand, in der zwei Kugeln aus demselben Material, aber mit unterschiedlicher Masse, gemeinsam aus derselben Höhe fallen gelassen werden.

Vorbereitung

Erstellen Sie einen Link mit dem Namen, zum Beispiel, „Freier Fall POE – 9B“ und legen Sie diese Startwerte fest:

Parameter	Wert
Fallhöhe	45 m
Fallbeschleunigung	9,8 m/s²
Masse von Körper 1	5 kg
Masse von Körper 2	0,2 kg
Luftwiderstand aktivieren	aus

Anleitung für Schüler (in das Fragenset einfügen): „Beantworte zuerst die Vorhersagen. Lass dann die beiden Kugeln bei ausgeschaltetem Luftwiderstand fallen, schalte danach den Luftwiderstand ein und lass sie noch einmal fallen. Beobachte die Landezeiten und das v-t-Diagramm.“

Vorhersagefragen (vor dem Start gesperrt)

P1 (Multiple Choice). Zwei Kugeln aus demselben Material werden ohne Luftwiderstand aus 45 m fallen gelassen. Körper 1 hat eine Masse von 5 kg und Körper 2 eine Masse von 0,2 kg. Welche landet zuerst?

• 1. Die Kugel mit 5 kg, deutlich zuerst
• 2. Die Kugel mit 5 kg, nur ganz knapp zuerst
• 3. Beide gleichzeitig ✔
• 4. Die Kugel mit 0,2 kg

P2 (Multiple Choice). Jetzt wird der Luftwiderstand eingeschaltet. Welche landet zuerst?

• 1. Die Kugel mit 5 kg ✔
• 2. Beide gleichzeitig
• 3. Die Kugel mit 0,2 kg

P3 (Kurzantwort). Erkläre deine Antwort auf P1 in ein bis zwei Sätzen.

Stellen Sie P1 und P2 so ein, dass sie nach dem Versuch noch einmal gefragt werden.

Beobachten

Die Lernenden lassen die Kugeln bei ausgeschaltetem Luftwiderstand fallen. Beide landen gleichzeitig, und die Infozeile zeigt für beide die Fallzeit t = √(2h/g) = 3,03 s. Im v-t-Diagramm liegen die beiden Linien genau übereinander: eine Gerade mit der Steigung 9,8 m/s².

Dann setzen sie das Häkchen beim Luftwiderstand und drücken auf „Neu fallen lassen“. Jetzt landet die Kugel mit 5 kg nach etwa 3,09 s und die mit 0,2 kg nach etwa 3,20 s. Die Linie der leichten Kugel biegt von der Geraden ab, und die Infozeile zeigt die Endgeschwindigkeiten: etwa 62 m/s für die schwere Kugel und 36 m/s für die leichte.

Der Abstand bei 45 m ist klein, was nützlich ist: Bitten Sie die Lernenden, ihn größer zu machen. Bei einer Fallhöhe von 120 m landet die schwere Kugel nach etwa 5,2 s und die leichte nach etwa 5,7 s. Senken Sie Körper 2 auf 0,05 kg, und er braucht etwa 6,2 s.

Erklärfragen

F4 (Kurzantwort). Warum landen beide Kugeln ohne Luft gleichzeitig? Musterantwort: Die schwerere Kugel wird stärker angezogen, braucht aber auch mehr Kraft zum Beschleunigen. Beide Effekte heben sich auf, also hat jeder Körper dieselbe Beschleunigung g.

F5 (Zahl). Welche Endgeschwindigkeit zeigt die Simulation für Körper 2 bei eingeschaltetem Luftwiderstand und den Startwerten? Antwort: 36,4 m/s, Toleranz ± 0,5 m/s, Einheit m/s.

Fügen Sie eine Erklärung hinzu, die nach der Antwort auf F5 angezeigt wird: „Bei der Endgeschwindigkeit ist die Luftwiderstandskraft gleich der Gewichtskraft. Die leichtere Kugel ist kleiner und hat im Verhältnis zu ihrer Masse mehr Oberfläche, also gleicht der Luftwiderstand ihr Gewicht bei einer niedrigeren Geschwindigkeit aus.“

Was meist geschieht

In vielen Klassen wählt eine große Gruppe bei P1 A oder B. Nach dem Versuch wechseln viele davon zu C, aber ihre schriftliche Begründung bei P3 sagt oft immer noch „Schwereres wird stärker angezogen“. Das ist Ihr Gesprächsziel. Die Lernenden haben die Beobachtung akzeptiert, aber noch nicht die Erklärung. Verbringen Sie den Schritt Erklären dort.

Drei weitere POE-Beispiele aus verschiedenen Fächern

Chemie: Was geschieht mit dem pH-Wert, wenn Sie eine Säure verdünnen?

Nutzen Sie die Simulation zu Verdünnung und pH-Wert. Legen Sie den gelösten Stoff auf HCl, die Anfangskonzentration auf 0,1 M und jeden Schritt auf 10-fach fest.

• Vorhersagen: „0,1 M HCl hat einen pH-Wert von 1. Welchen pH-Wert hat es nach einer 10-fachen Verdünnung? Nach dreien?“ Viele Lernende sagen 10 oder „er halbiert sich“.
• Beobachten: Jede 10-fache Verdünnung hebt den pH-Wert um genau 1 Einheit: 1, dann 2, 3, 4.
• Zweite Vorhersage: „Ändert sich 0,1 M CH₃COOH um denselben Betrag?“ Es beginnt bei etwa pH 2,88 und steigt nach einer 10-fachen Verdünnung nur auf etwa 3,38, etwa eine halbe Einheit.
• Erklären: Starke Säuren sind vollständig dissoziiert. Eine schwache Säure ionisiert mit zunehmender Verdünnung stärker, was die Verdünnung teilweise ausgleicht.
• Bonusvorhersage: „Wenn Sie HCl immer weiter verdünnen, kann der pH-Wert über 7 steigen?“ Er nähert sich 7, überschreitet es aber nie, weil Wasser selbst ionisiert.

Biologie: Erholt sich ein gekochtes Enzym?

Nutzen Sie die Simulation zur Enzymaktivität mit Speichelamylase bei 37 °C und pH 7.

• Vorhersagen: „Wir erhitzen das Enzym auf 60 °C und kühlen es dann wieder auf 37 °C ab. Was geschieht mit der Rate der Produktbildung?“ Die meisten Lernenden sagen voraus, dass sie wieder normal wird.
• Beobachten: Oberhalb von 55 °C denaturiert das Enzym, und der Status zeigt DENATURIERT. Das Abkühlen auf 37 °C bringt die Aktivität nicht zurück. Die Lernenden müssen auf Zurücksetzen drücken.
• Erklären: Hitze verändert die Form des aktiven Zentrums. Das Protein faltet sich beim Abkühlen nicht zurück, also passt das Substrat nicht mehr.
• Vorhersage zur Erweiterung: „Pepsin arbeitet im Magen. Was geschieht mit seiner Aktivität bei pH 8?“ Sie verschwindet fast.

Mathematik: Welche Summe ist mit zwei Würfeln am wahrscheinlichsten?

Nutzen Sie die Simulation zu zwei Würfeln.

• Vorhersagen: „Sie würfeln mit zwei Würfeln und addieren. Sind alle Summen von 2 bis 12 gleich wahrscheinlich? Wenn nicht, welche ist am wahrscheinlichsten?“ Viele Lernende sagen, alle Summen seien gleich wahrscheinlich oder 6 und 7 seien „ungefähr gleich“.
• Beobachten: Wählen Sie das Ereignis „Summe = k“ mit k = 7. Sechs der 36 Felder leuchten auf, also P = 6/36 ≈ 0,167. Bei k = 2 leuchtet nur eines auf (≈ 0,028). Stellen Sie dann N auf 2000 und drücken Sie auf „N× würfeln“. Die experimentelle Wahrscheinlichkeit für 7 pendelt sich nahe bei 0,167 ein.
• Erklären: (1; 2) und (2; 1) sind verschiedene Ergebnisse, also lassen sich Summen nahe der Mitte auf mehr Arten bilden.

Zahlenfrage dazu: „Wie groß ist die theoretische Wahrscheinlichkeit, dass die Summe 7 ist? Gib eine Dezimalzahl an.“ Antwort 0,167, Toleranz ± 0,005.

Vorhersageimpulse zum Kopieren

Nutzen Sie diese Satzanfänge mit jeder Simulation. Jeder verlangt eine Begründung, nicht nur eine Vermutung.

• „Was geschieht mit ___, wenn wir ___ erhöhen? Erkläre, warum.“
• „Ordne A, B und C vom schnellsten zum langsamsten. Worauf hast du deine Reihenfolge gestützt?“
• „Skizziere den Graphen von ___ gegen ___, den du erwartest.“
• „Wird ___ steigen, fallen oder gleich bleiben? Wie sicher bist du (1–5)?“
• „Wenn wir ___ verdoppeln, was geschieht mit ___: verdoppelt es sich, halbiert es sich, bleibt es gleich oder etwas anderes?“
• „Welches dieser beiden Ergebnisse erwartest du, und was würde es bedeuten, wenn du falsch lägst?“

Fachspezifische Impulse, die zuverlässig falsche Vorhersagen erzeugen:

• Physik: „Schwingt ein Pendel mit schwererem Pendelkörper schneller?“ (Fadenpendel). „Sinkt ein Block mit mehr Masse immer?“ (Dichte – sinken oder schwimmen).
• Chemie: „Macht das Zerkleinern eines Feststoffs zu Pulver die Reaktion schneller, langsamer oder ändert es nichts?“ (Reaktionsgeschwindigkeit – Stoßmodell).
• Biologie: „Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in reinem Wasser. Nimmt es an Masse zu, verliert es Masse oder bleibt es gleich?“ (Diffusion und Osmose).
• Mathematik: „Wenn Sie in y = x² − 4x + 3 nur c ändern, wandert der Scheitelpunkt nach links, rechts, oben oder unten?“ (Quadratische Funktionen).

Nutzen Sie, wo es geht, Multiple Choice für Vorhersagen, mit den häufigen falschen Antworten als Optionen, damit die Ergebnistabelle zeigt, welche Vorstellung die Lernenden haben. Behalten Sie eine Kurzantwort für die Begründung.

So führen Sie die Diskussion zum Erklären

Im Schritt Erklären findet das Lernen statt, und ihn überstürzen Lehrkräfte am häufigsten. Planen Sie dafür mindestens 10 Minuten ein.

1. Zeigen Sie vorher und nachher. Öffnen Sie die Ergebnistabelle des Links (oder über alle Klassen, die dasselbe Fragenset nutzen). Schreiben Sie die Vorhersagezahlen ohne Namen an die Tafel: „14 von euch haben gesagt, die schwere Kugel landet zuerst. Nach dem Versuch sagen es noch 3.“
2. Beginnen Sie mit der häufigsten falschen Antwort. Fragen Sie: „Warum könnte ein vernünftiger Mensch das vorhersagen?“ So wird Irren sicher, und die Intuition, die repariert werden soll, kommt ans Licht.
3. Denken, austauschen, vorstellen. Die Lernenden schreiben allein einen Satz („Ich denke jetzt …, weil …“), vergleichen ihn mit einer Partnerin oder einem Partner und stellen ihn dann vor.
4. Gehen Sie zur Simulation zurück. Wenn eine Erklärung vage ist, testen Sie sie: „Wenn der Luftwiderstand den Abstand verursacht, was sollte geschehen, wenn beide Kugeln dieselbe Masse haben?“ Stellen Sie Körper 2 auf 5 kg und lassen Sie sie erneut fallen.
5. Benennen Sie das Modell. Formulieren Sie die naturwissenschaftliche Idee in schülernahen Worten, neben der ursprünglichen falschen Vorhersage.
6. Prüfen Sie den Transfer. Geben Sie am nächsten Tag einen neuen Fall: „Eine Bowlingkugel und ein Tennisball werden aus einem Fenster fallen gelassen. Was geschieht?“

Satzanfänge helfen Lernenden, die das Erklären noch üben:

• „Ich habe ___ vorhergesagt, weil ich dachte, ___.“
• „Tatsächlich geschah ___.“
• „Der Unterschied zeigt, dass ___.“
• „Das würde sich ändern, wenn ___.“

Bewerten Sie niemals die Vorhersage. Bewerten Sie, wenn überhaupt, die Erklärung. Lernende, die für falsche Vorhersagen bestraft werden, lernen vorsichtig vorherzusagen, und POE hört auf zu funktionieren.

Wo POE in eine Stunde passt

POE funktioniert als Stundeneinstieg, als Phase Explore (Erkunden) einer 5E-Stunde oder als Check am Ende eines Themas. Eine vollständige Stundenstruktur finden Sie im 5E-Unterrichtsplan mit interaktiven Simulationen. Wie Sie die Vorhersageergebnisse nutzen, um Ihren Unterricht über eine Einheit hinweg anzupassen, lesen Sie in Simulationen für formative Leistungsbewertung. Weitere Wege, Simulationen in den Unterricht zu bringen, finden Sie, wenn Sie mit Interaktive Simulationen im Unterricht einsetzen beginnen.

Häufige Fragen

Wie viele Vorhersagefragen kann ich hinzufügen?

Bis zu drei pro Fragenset, innerhalb eines Sets von bis zu fünf Fragen. Vorhersagefragen werden gestellt, bevor die Simulation startet, und lassen sich nach dem Versuch noch einmal stellen.

Können die Lernenden die Simulation sehen, bevor sie vorhersagen?

Nein. Wenn ein Fragenset Vorhersagefragen enthält, bleibt die Simulation gesperrt, bis sich die Schülerin oder der Schüler auf eine Vorhersage festlegt. So können die Lernenden nicht erst testen und danach „vorhersagen“.

Funktioniert POE mit einem Beamer statt mit Geräten?

Ja. Sammeln Sie Vorhersagen auf kleinen Whiteboards oder per Handzeichen und führen Sie die Simulation dann im Präsentationsmodus aus. Sie verlieren die automatische Aufzeichnung von vorher und nachher, aber die Routine funktioniert genauso.

Was, wenn die meisten Lernenden richtig vorhersagen?

Dann war das Ereignis für diese Klasse nicht überraschend genug. Gehen Sie mit einer Folgevorhersage weiter, etwa „Was, wenn wir die Fallhöhe auf 120 m erhöhen?“ oder „Was, wenn die Säure schwach ist?“, oder machen Sie weiter und heben Sie die Aktivität für eine jüngere Gruppe auf.