Bastelkram für kleine Ingenieure

Spielzeughersteller drängen mit ihren Produkten immer mehr in die Schulen. Das soll naturwissenschaftliche Fächer reizvoller machen – und dem Mangel an Nachwuchstechnikern in Deutschland entgegenwirken.

Oscar sitzt, den Schraubenzieher fest in der kleinen Hand, vor einem Gehäuse voller Drähte. Er stochert konzentriert an der grünen Platine herum, dort, wo rote Kupferdrähte blitzen. Für diesen Videorekorder kommt zwar ganz offensichtlich jede Hilfe zu spät. Der Monteur ist trotzdem unverdrossen: "Ich aperier das", sagt er. Mit vier Jahren ist "reparieren" ein Zungenbrecher. Dafür geht Schraubenzieherhalten schon sehr gut. Und deswegen darf das, wer möchte, in diesem Hamburger Kindergarten auch jeder tun. Hier im Christophorus-Kindergarten gibt es viele leidenschaftliche "Aperierer". Kaum steht die Kiste mit den ausgemusterten Geräten auf dem Tisch, haben die Erzieher eigentlich gar nichts mehr zu tun. Alle Kinder werkeln nur noch konzentriert vor sich hin. "Das ist ein Alter, in dem man Begeisterung für Technik nicht erst wecken muss", sagt Kindergärtnerin Alice Balonon. "Sie ist einfach da. Bei den Mädchen wie bei den Jungs, ohne Unterschied."

Wenn die Kinder die ausgemusterten Alltagsgeräte genug inspiziert haben, dann können sie die Eindrücke aus der großen Welt am nächsten Tag in der kleinen bunten nachbauen: Mit Lego lässt sich gut erklären, wie etwas funktioniert. Dort gibt es zum Beispiel auch Zahnräder – wie bei dem alten Wecker in der Schrottkiste. Es gibt gut ausgewuchtete und bedenklich wacklige Statik. Und ganz nebenbei lernen die kleinen Hände, wenn sie Steinchen auf Steinchen drücken, auch noch, ein bisschen präziser zu funktionieren.

Mit seinen Technikangeboten fürs Vorschulalter – neben der Kiste mit alten Geräten gibt es auch zahlreiche fertige Bausätze – spielt der Christophorus-Kindergarten in Hamburg-Hummelsbüttel im Moment noch eine Vorreiterrolle. Ginge es nach den Wünschen von Bildungsforschern und der Industrie, dann wäre diese Ausnahme bald die Regel. Dass in Deutschland Ingenieure fehlen, weiß inzwischen auch die letzte Kunstlehrerin. Ebenso viel zitiert ist inzwischen die vermutliche Lösung für dieses Dilemma: vom Kindergarten bis zum Abitur gezielt technisches Interesse bestärken.

Und was wäre mehr dazu angetan, die Ingenieurswissenschaften von ihrem faden Image zu befreien, als die fröhlich bunten Steinchen von Lego? Der dänische Spielzeugriese hat die Marktlücke längst erkannt. Ein bedeutender Teil des Sortiments wird mittlerweile gezielt für die technische Bildung in Kindergärten und Schulen konzipiert (mehr Technikspielzeug in einer TR-Bildergalerie). Der Katalog des sogenannten "Education"-Sortiments beginnt mit Vorschul-Bausätzen für einfache Maschinen aus Lego Duplo mit Achsen, Rädern oder Wellen und endet mit den "Tetrix"-Roboter-Baukästen für Oberstufen-Informatik, bei denen die Schüler in die Feinheiten der Servomotoren-Steuerung eingeführt werden.

Auch Konkurrent Fischertechnik, ursprünglich ein Baukastensystem, um Lehrlinge der Fischerwerke mit Grundbegriffen des Maschinenbaus auszustatten, hat den Unterricht an Schulen und Hochschulen als Absatzmarkt ins Auge gefasst. Einzig die Experimentierkästen von Kosmos sind zurzeit noch reine Privatsache – allerdings eine, der ehrgeizige Bildungseltern immer weiter steigende Absätze bescheren.

Hamburg steht Modell dafür, wie vor allem Lego die deutsche Bildungslandschaft verändern könnte. Im Gegensatz zu anderen Bundesländern sind die Bildungstöpfe bei den betuchten Hanseaten noch ganz gut gefüllt. Gerade erst hat die Firma LPE aus dem badischen Eberbach, die deutsche Lizenznehmerin der Lego-Education-Linie, die Hamburger Stadtteilschulen nahezu komplett mit Lego-Lernrobotern ausgestattet. Diese Schulen sind bei der letzten Schulreform vor einem Jahr aus Haupt- und Realschulen hervorgegangen – und werden nun noch eine gymnasiale Oberstufe mit in ihr Bildungsprogramm nehmen.

Bei diesem Herkulesprojekt sollen die "Mindstorms"-Roboter von Lego helfen: Denn an ihnen kann man nicht nur die Grundlagen des Programmierens unterrichten. Für sie gibt es auch eine ganze Palette von Mini-Messanlagen zu kaufen, die Projekte in Physik, Chemie und sogar Biologie möglich macht – etwa Versuche mit Stromkreisen, pH-Wert-Messungen oder Feldversuche zur Wasserqualität (siehe Artikel Seite 70). Und die optischen Anklänge ans eigene Kinderzimmer sind – so die Hoffnung der Pädagogen – vielleicht endlich auch für jene Schüler ein Anreiz, etwas zu lernen, die sonst in den mathematisch-naturwissenschaftlichen (MINT) Fächern mit dem Gähnen kämpfen.

Mindstorms gibt es seit Ende der 90er-Jahre. Aber erst seit 2006, als das aktuelle Modell NXT herauskam, feiert Lego einen regelrechten Triumphzug in deutschen Schulen. Das neueste Modell NXT 2.0 lässt sich wahlweise zu einem humanoiden Greif- und Laufroboter zusammenbauen, zu einem multifunktionellen Kettenfahrzeug oder auch zu einer Spinne mit Messsonden an den Kabelbeinen. Uwe Debacher, Fachleiter für Naturwissenschaften an der Stadtteilschule Richard-Linde-Weg im sozial eher schwierigen Hamburg-Lohbrügge, ist davon so begeistert, dass er zu Beginn dieses Schuljahres die Anschaffung eines ganzen Lego-Unterrichtsraums organisierte. Rund 30000 Euro brachte der Lehrer für Informatik und Chemie aus unterschiedlichen öffentlichen und privaten Töpfen zusammen für Hamburgs erstes sogenanntes "Lego Education Innovation Center".

Dieses Klassenzimmer kommt komplett von Lego, normale Schulmöbel, die allerdings in den Legofarben prangen – Rot, Grün, Blau und Gelb. Die "wissenschaftliche" Ausstattung können die Schulen frei wählen. Basis sind die Steuermodule der Mindstorms-Roboter, grau-orange Kistchen, deren Tun mit einer mitgelieferten Software auf den Schulcomputern grafisch programmiert werden kann: Virtuelle Funktionssteinchen sortieren sich auf dem Bildschirm per Mausbewegung zu einer Befehlskette – genau so, wie Ingenieure das heute in ihrem Berufsalltag machen, wenn sie die Abläufe in großen Produktionsanlagen festlegen. Das PC-Programm, geschrieben von dem Unternehmen National Instruments, das kommerzielle Hard- und Software für Ingenieure entwickelt, ist eine einfache Version des professionellen Programms. "Dabei lernen die Schüler ganz nebenbei, was Schleifen sind und wie Wenn-dann-Bedingungen funktionieren", sagt Debacher.

Hinzu kommen verschiedene Sensoren, die man an den Roboter anschließen kann. Der Ultraschallsensor erkennt Hindernisse und hat zwei kugelrunde Kreise – die Kinder sehen ein Köpfchen mit großen Augen, die menschliche Dimension der Mindstorms. Andere Detektoren – Farbe, Schall, Licht, Berührung – sehen aus wie Ärmchen. Die "Beine" sind frei aus den Legobausteinen konstruierbar. Eine Frage der Fantasie.

Die Schüler können den Roboter mit allerlei motorgetriebenen Rollen ausstatten oder mit Beinen. Deren Bewegung synchron zu steuern, ist allerdings sogar für Informatik-Studenten eine knifflige Aufgabe. Von Lego gibt es für die Roboter einen Parcours. Die Schüler programmieren die Maschine zum Beispiel so, dass sie über den Lichtsensor die schwarzen Linien auf dem Parcours erkennt und sich an ihnen entlangbewegt. In einem zweiten Schritt soll dieser Roboter dann eine Aufgabe lösen, etwa blaue Steinchen aufheben, rote liegen lassen. Debacher kommt vor allem angesichts der Vernier-Sensoren ins Schwärmen, die Lego jetzt ins Mindstorms-Programm aufgenommen hat. "Da können Sie die verbrauchte Luft im Klassenzimmer messen oder die Feuchtigkeit im Boden – das sind ganz neue Perspektiven für die Pädagogik von Chemie oder Geowissenschaften."

Ohnehin greift Legos Education-Katalog weit über den Informatik-Unterricht hinaus. Es gibt die unterschiedlichsten Bausätze, um "herkömmliche" Naturwissenschaften zu unterrichten. Physikalische Gesetze wie den Hebelsatz können Achtklässler heute auch an einem selbst gebauten Legospielzeug ausprobieren – falls ihrer Schule das die je nach Bausatz jeweils 1000 bis 2000 Euro pro Klasse wert ist.

Und so sieht es wenigstens beim Blick auf die Regale in Debachers Lego-Raum wirklich aus wie in einem durchschnittlichen Jungszimmer. Blaue Windräder, an denen als Beschleunigungsgewicht ein Weihnachtsmannschlitten baumelt, stehen neben pneumatisch betriebenen Dinosaurierpranken. Rennautos parken unter Kränen. Kein Anschauungsobjekt, das die Kinder nicht liebevoll mit Männchen ausstaffiert hätten. Schöne bunte Legowelt.

Leider ist die Situation an zwei der vier "Forscherinseln" – Legos Werbename für die sechseckigen Tische – gerade eher ein Lehrstück in Endokrinologie denn in Informatik. Eine achte Klasse gibt sich dem pubertären Hormonrausch hin, die Mindstorms-Steuergeräte liegen nur rum. Die Kids am legoblauen Tisch widmen sich statt den grauen Kästchen gerade intensiv der Annäherung ans andere Geschlecht auf dem Nachbarstuhl.

"Wen Sie nicht bis zur siebten Klasse im Boot haben, den kriegen Sie auch nicht mehr", sagt Gisela Lück, Professorin für Didaktik der Chemie an der Universität Bielefeld. Sie forscht seit vielen Jahren zum Thema Kinder und Naturwissenschaften. Nach ihrer Erfahrung haben vor allem die Fünf- bis Achtjährigen einen ganz selbstverständlichen Zugang zu Natur und Technik. "In der Schule fangen wir viel zu spät mit Fächern wie Chemie an – mitten in der Pubertät, ausgerechnet dann, wenn die Jugendlichen kein Ohr mehr für abstrakte Themenfelder haben", sagt sie. Im Leben eines durchschnittlichen 13-Jährigen sei eben kein Platz für Calciumionen-Nachweise. "Den packen sie mit ganz anderen Sachen. Wenn Sie Interesse für MINT-Fächer wecken wollen, muss das viel früher geschehen." Während vor allem die Kindergärten mit viel Fantasie und Sinn für Kindergehirne aufgerüstet hätten, steckten die Grundschulen zu sehr in ihrem eigenen System fest. "Sie schließen nicht an das an, was die Kindergärten heute schon leisten. Die erste und zweite Klasse sind naturwissenschaftsfreie Zonen."

Für ihr Buch "Leichte Experimente für Eltern und Kinder" hat Lück 2006 den Buchpreis der chemischen Industrie bekommen. Sie richtet sich damit explizit an Kinder im Vorschulund frühen Grundschulalter – das System Lück funktioniert ganz ohne bunten Schnickschnack. Was sich ohnehin im Kühlschrank, beim nächsten Drogeriemarkt oder draußen vor der Tür findet, das ist der Ausgangspunkt dieser Kinderbildung.

Zwar ist Lück auch selbst Autorin beim Experimentierkastenhersteller Kosmos – von ihr stammen einige Ausprobierkästen aus der Kosmolino-Serie, die sich an Vier- bis Siebenjährige richtet. Gleichzeitig sieht sie aber eine Gefahr, wenn wissenschaftliche Kinderbildung zu sehr von der Spielzeugherstellerecke vermittelt wird: "Das Kind denkt, ,die Natur', das wäre dieser Kasten", sagt sie. "Vor lauter künstlichen Welten geht uns heute der eigentliche Forschersinn, der fürs Beobachten der echten Welt, allmählich verloren."

Auch Manfred Berrer, gelernter Werkzeugmacher und wissenschaftlicher Autodidakt, entwickelt seit 40 Jahren Experimentierkästen für das schwäbische Verlagshaus. Eine Erfolgsgeschichte: Die Pappschachteln mit den Brennstoffzellen, Reagenzgläsern und künstlichen Dino-Knochen haben sich im letzten Jahrzehnt einen festen Platz unter den Weihnachtsbäumen erobert, vor allem von Gymnasiasten: Eltern, die etwas auf Bildung halten, möchten heute kleine Forscher großziehen.

Berrer berichtet, im Bildungswettlauf einen steten Vorsprung vor den Lehrplänen zu halten. "Die meisten Kästen richten sich an Acht- bis Zwölfjährige", sagt er. "Und sie machen und begreifen damit ganz mühelos Sachen, die in der Schule erst bei den 12- bis 14-Jährigen dran sind, viel zu spät." Nach seiner Erfahrung verstehen Kinder im Spiel intuitiv auch sehr komplizierte Sachen, die sie sich theoretisch erst Jahre später aneignen können. "Wir müssen uns natürlich auch immer überlegen, wie wir eine neue Idee verkaufen", sagt er. "Wie wir es für die Kinder attraktiv machen." Da kann der Name eines Fernsehstars helfen. Oder das Attribut "Geheim" vor "Tinte". "Attraktiver bedeutetet ja auch eingängiger", sinniert Berrer. Ein bisschen mehr Sinn für die Mythenwelt der Kinderzimmer, und der Schulunterricht könnte vielleicht mehr Kinder mitnehmen – insbesondere auch Mädchen, die in der Schule gewöhnlich kaum noch Interesse an Technik zeigen.

Annette Bock ist Informatik-Ingenieurin an der Technischen Universität Hamburg-Harburg und zuständig für die "Koordinierungsstelle Infotronik". Zusammen mit dem Sponsor Nordmetall gehen die Harburger Ingenieurwissenschaftler seit 2006 an die Schulen, um künftige Ingenieure heranzuziehen. Erst kamen besonders begabte Schüler aus der Oberstufe auf den Campus, um dort Roboter zu bauen, zu programmieren und schließlich sogar selbst zu löten. "Inzwischen haben wir über 30 Kurse an Schulen", sagt Bock. "Vier von fünf in fünften und sechsten Klassen." Angesprochen auf die Mädchen in ihren Robotikkursen, fallen Bock sofort die Sechstklässlerinnen ein, die zwei Mindstorms in Braut und Bräutigam verwandelten. "Die Jungs bastelten in der einen Ecke an Kampfmaschinen. Währenddessen programmierten die Mädchen einen Hochzeitsmarsch", sagt sie. Taschentücher verwandelten sich in Schleier und Einstecktuch – fertig war die Szene wie aus einem Barbiefilm. Nur eben mit Robotern. "Man muss sie einfach ihr Ding machen lassen, dann mögen sie das auch."

Im Fokus der Harburger stehen vor allem Gymnasien, die sie mit Mindstorms-Einheiten ausrüsten. Etwa 400 Baukästen stehen zur Verfügung, 50 Schulen haben schon teilgenommen. Ein studentischer Tutor – meist selbst ein ehemaliger Schüler aus dem Programm – unterstützt die Lehrer beim Unterricht vor Ort. Manche Schulen statten mit diesem Material Robotik-AGs aus. "Immer häufiger sind das aber Wahlpflichtkurse", sagt Bock, "im Rahmen von Mathe, Physik oder Informatik." Weil sich die Lego-Roboter sehr einfach über Bildchen programmieren lassen, haben nach Bocks Erfahrung dort auch Kinder Erfolgserlebnisse, die sich bisher damit nicht beschäftigt haben.

Wer Ingenieur werden will, bei dem wird schon im ersten Semester vorausgesetzt, dass er die Sprache der Computer spricht. Den Programmiercode C wenigstens, besser noch zusätzlich Java. Beides lässt sich ebenfalls mit Mindstorms-Robotern unterrichten. Und ihr Beispiel zeigt, wie man Maschinen mithilfe von Zahnrädern und Stangen so konstruiert, dass sie funktionieren – Maschinenbau im Kleinen. "Bei den Kindern, die sich für Roboter interessieren, ist das ganz auffällig: Es gibt die Programmierer und die Bastler", sagt Bock. "Roboter sind eine sehr präzise Entscheidungshilfe, ob sich jemand eher als Maschinenbau- oder als Informatik-Ingenieur eignet."

Wer sich für die Ingenieurslaufbahn entschieden hat, der muss sein Faible für Lego und Co. nicht aufs Private beschränken. Gerade angehende Ingenieure lernen heute oft in Spielzeugwelten. So gibt es für Logistikstudenten der Universität Magdeburg auf zehn Quadratmetern eine ganze Fabrik im Kleinmaßstab – eine Spezialanfertigung von Fischertechnik. Vier große und sechs kleine Transportbänder, ein Brückenkran und etliche Sortierbänder fahren die Miniaturwaren vom "Lager" zum "Werkstor". Alles möglichst schnell und bitte so, dass es sich nirgends staut. "Das zu steuern ist eine schwierige Aufgabe", sagt Arnhild Gerecke, die Seminarleiterin. "Die Studenten machen das bei uns im sechsten Semester – der letzte Praxistest vor dem Bachelor."

Annette Bock ist nicht sicher, was gegen den Ingenieursmangel am besten hilft: Sich auf die zu konzentrieren, die ohnehin schon technisches Spielzeug lieben? Oder mit Pflichtprogrammen zu versuchen, alle anzusprechen? Neuerdings sind auch zwei Stadtteilschulen an ihrem Projekt beteiligt: Nach den Ingenieuren mangelt es jetzt nämlich auch an Facharbeitern. Bock und ihre Kollegen sind sich noch unschlüssig, wie man an diesen Schulen am besten technische Karrieren bahnt. "Wir vergleichen gerade, was besser funktioniert: Pflichtkurse oder ein freiwilliges Angebot."

Als der Besuch in Lohbrügge zu Ende ist, hat es gerade zur Pause geklingelt. Die Achtklässler mit dem Hormonrausch steuern ganz selbstverständlich aufs Schulhoftor zu. Draußen zünden sie Zigaretten an und verschwinden in der nächsten Straße. Ein Lehrer greift nicht ein. Pädagogen alten Schlags würden wohl eher zu mehr Pausenaufsicht raten denn zu mehr Legobaukästen. Chemiedidaktikerin Lück pocht darauf, Augenmaß bei einer Neuordnung der Naturwissenschaften an den Schulen walten zu lassen. "Die neuen programmierbaren Spielzeuge sind bestimmt sehr sinnvoll, wenn es um IT-Inhalte geht. Aber wenn wir mal bei der Chemie bleiben: Da ist alles gut, was alle Sinne anspricht. Mit eigenen Händen machen, mit der eigenen Nase riechen und mit eigenen Augen sehen. Wer nur Sensoren an-stöpselt, der hat am Ende gar nichts verstanden." (bsc)