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3D-Konstruktion und 3D-Druck als Gewinn für den Unterricht

Christian Albrecht, Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung Freiburg

1. 3D-Drucker kommen in die Schule

Der Einsatz von 3D-Druckern in der Sekundarstufe 1 wird in Baden-Württemberg zur Zeit kontrovers diskutiert. Wie bei jeder neuen Technik kommt es auch beim 3D-Druck immer wieder zu den bekannten Abwehrreaktionen im Stil des "Müssen wir das jetzt auch noch machen?" Lehrer*innen hinterfragen hierbei völlig zu Recht, welche exklusiven Lernzuwächse durch den Einsatz von 3D-Druck im Unterricht entstehen, die diesen für die Zukunft als unverzichtbar auch für Schulen erscheinen lassen.

Aus der Erfahrung der Tablet-Projekte des Landes sollte diese Mehrwert-Diskussion möglichst klein gehalten werden, da sie sich als wenig zielführend erwiesen hat. Genauso wie beim Tablet sollte der Hinweis darauf genügen, dass diese Technik an Bedeutung in der Gesellschaft gewinnt und daher auch in einer zeitgemäßen Lernumgebung präsent sein sollte.

1.1. 3D-Druck in der Arbeitswelt

Zahlreiche große Firmen sehen in der Möglichkeit Großserien im 3D-Drucker zu produzieren den nächsten großen Schritt in der Veränderung der Produktionsstraßen und Lagerhaltung. Nicht mehr nur Prototypen und Kleinserien sondern alle neu entwickelten Teile werden in den nächsten Jahren auf die 3D-Druckbarkeit hin überprüft werden. So haben zuletzt Airbus und VW angekündigt, in Zukunft Teile regulär als 3D-Druck zu realisieren. Eine Rolle spielen hierbei auch die neuen Metalldrucker von HP. Auch das Vorhalten von Lagerteilen ist insbesondere bei Teilen mit geringer Nachfrage eine kostspielige Dienstleistung. Mercedes denkt daher bereits darüber nach, in Zukunft für die Young- und Oldtimer der Marke nicht länger alle Teile sondern auch digitale Vorlagen vorzuhalten, die bei Bedarf 3D-druckbar sind.

1.2. Auswirkungen auf die Sekundarstufe 1

Für die Schüler*innen der Sekundarstufe 1 bedeutet dies, dass eine neue Kompetenz in Zukunft für einen erfolgreichen Start in die Berufstätigkeit an Bedeutung gewinnt. Diese Kompetenz kann als 3D-Konstruktionsfähigkeit beschrieben werden. Hiermit sind sowohl handwerkliche Fähigkeiten, z. B. die Bedienung exemplarischer CAD-Software, Slicer und 3D-Drucker, als auch generell das dreidimensionale Denken und Operieren gemeint. Auch die überfachlichen Kompetenzen wie Kommunikation im Team etc. spielen für den 3D-Druck eine Rolle.

1.3. Verankerung in den Bildungsplänen

Wo lässt sich nun der 3D-Druck in den Bildungsplänen der Sekundarstufe 1 verankern?

Betrachtet man die Bildungspläne 2016 für die Sekundarstufe 1 aus Baden-Württemberg, so stellt man fest, dass die berufsspezifische bzw. berufsvorbereitende Komponente des 3D-Drucks bereits in den Bildungsplänen enthalten ist. So heißt es z. B. im Bildungsplan für das Fach Technik für die Klasse 7/8/9 unter 3.2.3.1 Produktionstechnik:

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und bewerten verschiedene Fertigungsarten und deren Wechselwirkung auf das Arbeitsleben und die Gesellschaft. Sie kennen die Prinzipien arbeitsteiliger Serienfertigung und setzen diese am Beispiel der Fertigung eines einfachen Produkts um. Die Schülerinnen und Schüler reflektieren und bewerten den Prozess und das Produkt.

In den beigefügten Umsetzungshilfen findet sich das Kapitel "Kunststoffe" und hier die Konstruktionsaufgabe "Handyhalterung", die sich sehr gut für die Umsetzung im 3D-Druck eignet.

In dieser Art lassen sich zahlreiche weitere Anknüpfungspunkte im Bildungsplan finden. 3D-Druck ist hier ein zeitgemäßes Verfahren zur Umsetzung der existierenden Bildungspläne und somit für die Schulen der Sekundarstufe 1 unverzichtbar für eine Berufsvorbereitung für den Arbeitsmarkt der 2020er-Jahre.

Dieser berufsvorbereitende Aspekt sollte eigentlich als Begründung für die Implementierung des 3D-Drucks in die Sekundarstufe 1 bereits ausreichen. Der 3D-Druck bietet aber darüber hinaus noch weitere Vorteile für das Lernen der Schüler*innen, die sich aus einer lerntheoretischen Analyse des Einsatzes von 3D-Druckern im Unterricht erkennen lassen.

2. Lerntheoretische Analyse zum Einsatz von 3D-Druck

2.1. Aktuelle Studien zum Lernerfolg in der Sekundarstufe 1

Auf die Frage, welche Faktoren das Lernen von Schüler*innen der Sekundarstufe 1 besonders fördern, kann aktuell die Gemeinschaftsschulstudie von Bohl und Wacker aus dem Jahr 2016 Antworten liefern. In dieser Studie kommen die Wissenschaftler zu dem Ergebnis, dass es zwischen den Gemeinschaftsschulen große Unterschiede bezüglich der Unterrichtsqualität gibt. Entscheidend ist aus ihrer Sicht nicht eine bloße Veränderung der Rahmenbedingungen sondern eine Qualifizierung der Lehrkräfte hinsichtlich der fachbezogenen Arbeit mit Aufgaben in individualisierten Unterrichtskonzepten.

Das bloße Verändern von Rahmenbedingungen im Umgang mit Heterogenität bezeichnet man nach einem Modell von Wygotski auch als Oberflächenstruktur oder Sichtstruktur. Eine Änderung beispielsweise der Sozialform führt demnach nicht automatisch zu einem größeren Lernerfolg, wenn die Art des Unterrichts gleich bleibt.

Das alleinige Bereitstellen von 3D-Druckern und das Operieren mit vorgefertigten Inhalten ist in Anlehnung an Wygotski also dem Bereich der Oberflächenstruktur zuzurechnen.

Erst das Schaffen von Tiefenstruktur führt dazu, dass Schüler*innen einen dauerhaften Lernerfolg erreichen. Entwicklungspsychologisch wird Lernen also erst dann interessant, wenn seine Ergebnisse erhalten bleiben (nachhaltiges Lernen).

Bohl bezieht sich hierbei auf Klieme und nennt als drei wesentliche Merkmale der Unterrichtsqualität, die als Basisdimensionen für Tiefenstruktur gelten können:

  • Kognitive Aktivierung
  • Klassenführung
  • Unterstützendes Unterrichtsklima

Tiefenstruktur kann hierbei nicht immer zwingend erreicht werden. Zumindest kann aber die Wahrscheinlichkeit deutlich erhöht werden, dass man die Tiefenstruktur erreicht und dann auch erfolgreiche Lernprozesse anbahnen kann. Das heißt, unabhängig von der Oberflächenstruktur kommt man nicht darum herum, die Tiefenstruktur zu durchschreiten und abzusichern, um dauerhafte Lernerfolge zu erreichen.

Zu den zentralen Aspekten der kognitiven Aktivierung gehört der Aspekt der Selbststeuerung der Schüler*innen. Herausfordernde Aufgaben, die eine Bedeutsamkeit für die Schüler*innen haben, führen zu besonders guten Lernerfolgen. Makerspaces mit offenen Werkstattangeboten, in denen die Schüler*innen projektorientiert an selbstgewählten Problemstellungen arbeiten können, bieten hierfür besonders gute Bedingungen.

Die Unterrichtsqualität ist nach Pietsch in vier aufeinander folgende Stufen einzuteilen. In den ersten beiden Stufen folgt nach der Etablierung von Regeln und der Entwicklung eines lernförderlichen Unterrichtsklimas eine effiziente Klassenführung mit optimierter Lernzeit und methodischer Variation. Die Orientierung an den Bedarfen der Schülerinnen und Schüler, deren vielfältige Motivierung, die Förderung von selbstständigem, aktivem und nachhaltigem Lernen durch die Bereitstellung von Transfer- und Mitbestimmungsmöglichkeiten, sind Merkmale der Stufe drei. Lehrkräfte, die auf der Stufe vier arbeiten, sind in der Lage, binnendifferenziert und individualisiert zu unterrichten und ihre Lernenden wirkungs- und kompetenzorientiert zu fördern. Eine individuelle Unterstützung mit kompetenzorientiertem, motivierendem und autonomieförderndem Unterrichtsklima schafft die Möglichkeit, die Bedeutsamkeit für die Schüler*innen zu erhöhen. Diese identifizieren sich mit den Aufgaben und finden eigene Themen. Ein weiterer unterstützender Faktor ist die Kommunikation unter den Schüler*innen über den fachlichen Gegenstand auch bei heterogenen Lerngruppen.

2.2. Bedeutung für den Einsatz von 3D-Druck

Projektartige Makerspaces, in denen Schüler*innen Probleme lösen oder Produkte entwickeln, bieten demnach sehr gute Bedingungen für einen hohen und dauerhaften Lernerfolg. Die zu erwartende Wirkung ist hierbei umso höher, je größer die Bedeutung für den einzelnen Schüler oder die einzelne Schülerin ist. Kann der Schüler oder die Schülerin ein Problem aus dem persönlichen Alltag in der Schule lösen, indem er oder sie kooperativ in einem Team mittels CAD-Software und anschließendem 3D-Druck ein Produkt repariert, ersetzt oder neu konstruiert, so ist von einem hohen fächerübergreifenden Lernerfolg auszugehen. Eine Schlüsselfunktion hat hierbei auch das Erklären von Zusammenhängen, da beim Erklären der Lernzuwachs für den Erklärenden besonders hoch ist. Für die fachbezogene Kommunikation in der Gruppe sollten genügend große Zeitfenster eingeplant werden. Das eigentliche Drucken kann aufgrund der Dauer des 3D-Drucks in der Regel erst nach dem Unterricht stattfinden, so dass das Ergebnis am folgenden Schultag betrachtet und bewertet werden kann. Anschließend ist als Phase eine Überarbeitung und weitere Optimierung der Drucke sinnvoll und aus Sicht der Schüler*innen auch erforderlich. Auch dieser Aspekt sollte bei der zeitlichen Planung berücksichtigt werden.

Die Lehrer*innen haben in Makerspaces die Möglichkeit, verschiedene Aspekte des Classroom Manegements in projektartigen Settings umzusetzen und so die Qualität des Unterrichts zu steigern. Exemplarisch sei hier die Möglichkeit genannt, die Schüler*innen individuell in ihren persönlichen Prozessen zu unterstützen und zu beraten, anstatt zentrale Inputs in gleichschrittigen Phasen zu geben. Die Präsenz und der Überblick der Lehrer*innen, die durch das selbstgesteuerte Lernen der Schüler*innen möglich werden, können für eine individuelle Diagnostik und Lernstandsanalyse genutzt werden. hieraus lassen sich wiederum inidividuell passende Angebote ableiten.

2.3. Sonderpädagogische Förderung und Inklusion

Der Einsatz von 3D-Druck in sonderpädagogischen und inklusiven Settings hat zusätzliche positive Aspekte. So ist es mittlerweile gut belegt, dass Menschen mit Autismus-Spektrum-Störung besonders positiv auf technische Geräte ansprechen. Erste Makerspaces mit 3D-Druckern wurden in diesem Zusammenhang bereits erfolgreich realisiert. Bei Schüler*innen mit Lernproblemen ist der Aspekt des konkreten schöpfenden Aktes mit einem begreifbaren Ergebnis ein positiv unterstützer Faktor. Selbst Kinder mit stärkeren Beeinträchtigungen können sich so als selbstwirksam erleben. Hier bieten sich einfache Konstruktionsmöglichkeiten z. B. mit Tablet-Apps an. Im Bereich der Blindheit und Sehbehinderung sowie der Körperbehinderung hat der 3D-Druck darüber hinaus zahlreiche Möglichkeiten für Lehrkräfte, individuelle Hilfsmittel und Unterrichtsmaterialien zu erstellen (z. B. Tastmodelle).

3. Fazit

Über Erfolg oder Misserfolg des Einsatzes von 3D-Druckern in der Sekundarstufe 1 entscheidet nicht allein die Verfügbarkeit von Geräten. Entscheidend wird sein, wie die 3D-Drucker z. B. im Rahmen von projektartigen Makerspaces zu Lernsettings führen, die Schüler*innen einen besseren Lernerfolg ermöglichen. Die Bereitstellung geeigneter Unterrichtsbeispiele kann hierbei positiv unterstützend wirken.



Quellen:

Bohl, T. & Wacker, A. (Hrsg.) (2016). Die Einführung der Gemeinschaftsschule in Baden-Württemberg. Abschlussbericht der wissenschaftlichen Begleitforschung. Münster: Waxmann

Klieme, E. & Rakoczy, K. (2008). Empirische Unterrichtsforschung und Fachdidaktik. Outcome-orientierte Messung und Prozessqualitat des Unterrichts. Zeitschrift für Pädagogik, 54(2), 222–237.

Pietsch, M. (2013). Unterrichtsentwicklung: Was guten Unterricht kennzeichnet. Bildung und Wissenschaft (12), 24–27.

Wygotski, L. S. (1987). Ausgewählte Schriften. Arbeiten zur psychischen Entwicklung der Persönlichkeit. Berlin/DDR: Volk und Wissen.

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