Modelle Naturwissenschaften mit KI prüfen

Das Problem

Frau Keller erklärt in der achten Klasse den elektrischen Stromkreis mit dem Wasserkreislauf: Die Batterie sei wie eine Pumpe, die Drähte wie Rohre. Die Klasse versteht rasch. Dann fragt jemand: «Wenn ich das Kabel durchtrenne, läuft der Strom dann aus wie Wasser?» Die Analogie stösst an ihre Grenze.

Ein Modell ist eine bewusst vereinfachte Darstellung, die einen Ausschnitt der Wirklichkeit erklärbar macht. Modelle sind in den Naturwissenschaften unverzichtbar, sie sind aber keine Abbilder. Jedes Modell erklärt manches gut und verdeckt anderes. Lernende sollen deshalb nicht nur Modelle anwenden, sondern auch beurteilen, was sie leisten und wo sie versagen. Fachleute nennen das Modellkritik.

KI kann schnell Analogien und Modellvergleiche vorschlagen. Doch nicht jede Analogie, die plausibel klingt, ist fachlich tragfähig. Manche erzeugen neue Fehlvorstellungen. Der folgende Ablauf zeigt, wie Sie KI-Vorschläge nutzen, ohne Modelle unkritisch zu übernehmen.

So lösen Sie es mit KI – Schritt für Schritt

1. Legen Sie das Phänomen und das Ziel fest. Beispiel: Stromkreis. Lernziel: «Die Lernenden beschreiben, was die Wassermodell-Analogie erklärt und wo sie nicht passt.» Gleichen Sie mit Lehrplan 21 und Lehrmittel ab.
2. Sammeln Sie die Modelle, die Sie schon verwenden. Notieren Sie, wofür sie dienen: Analogie, Zeichnung, Gleichung, Simulation. Entscheiden Sie, welche zwei Sie vergleichen wollen.
3. Lassen Sie Modellvergleiche entwerfen. Verwenden Sie die Vorlage unten. Die KI soll zu jedem Modell angeben, was es erklärt, was es vereinfacht und welche falsche Schlussfolgerung möglich ist.
4. Prüfen Sie jede Aussage fachlich. Gleichen Sie die Angaben mit Lehrmittel und Fachliteratur ab. Streichen Sie, was unklar oder falsch ist. Gerade Analogien enthalten oft einen unscharfen Punkt.
5. Gestalten Sie ein Arbeitsblatt zur Modellkritik. Für jedes Modell eine Tabelle: «Das erklärt es», «Das vereinfacht es», «Dort führt es in die Irre».
6. Lassen Sie die Lernenden selbst prüfen. Sie probieren das Modell an einer neuen Frage aus: «Was sagt das Wassermodell zur Reihenschaltung?» Dann kontrollieren sie am Versuch.
7. Besprechen Sie Grenzen. Fragen Sie: «Wann würden wir ein anderes Modell wählen?» Machen Sie klar, dass das nicht Scheitern ist, sondern Teil des Arbeitens mit Modellen.
8. Halten Sie das Ergebnis fest. Ein kurzer Merksatz: «Ein Modell ist ein Werkzeug mit Reichweite.»

Vorlage zum Kopieren

Ich bin Lehrperson für Natur und Technik in der Schweiz (Stufe: [Klasse]).
Thema: [z. B. elektrischer Stromkreis]. Wir vergleichen zwei Modelle:
[Modell 1, z. B. Wasserkreislauf-Analogie] und [Modell 2, z. B.
Schaltplan mit Symbolen].

Erstelle eine Tabelle mit: Was erklärt das Modell gut? Was vereinfacht es?
An welcher Stelle führt es zu einer falschen Vorstellung? Nenne je Modell
zwei Schwächen. Kennzeichne Aussagen, bei denen du unsicher bist, mit
«prüfen». Erfinde keine Versuchsergebnisse und keine Lehrmittelvorgaben.
Füge drei Fragen hinzu, mit denen Lernende das Modell an einem neuen
Beispiel prüfen können.

Passen Sie Thema und Modelle an. Gleichen Sie die Tabelle mit Ihrem Lehrmittel ab, bevor Sie sie einsetzen.

Worauf Sie achten müssen

• Plausibel ist nicht richtig: KI formuliert Analogien flüssig, auch wenn sie fachlich unscharf sind. Prüfen Sie jede Analogie, bevor sie ins Heft kommt.
• Datenschutz: Geben Sie keine Schülerarbeiten und Namen in öffentliche KI-Dienste ein. Verwenden Sie allgemeine Beschreibungen.
• Keine Modelle als Wirklichkeit ausgeben: Sprechen Sie vom «Modell», nicht von «so ist es». Das hilft, Vereinfachungen zu erkennen.
• Analogien sparsam einsetzen: Jede zusätzliche Analogie bringt neue Grenzen mit. Wählen Sie wenige und benennen Sie ihre Grenzen früh.
• Fachsprache und Sprachförderung: Begriffe wie «Modell», «vereinfachen», «erklären» brauchen Beispiele, besonders für Lernende im Deutscherwerb.
• Gleicher Zugang: Das Arbeitsblatt muss ohne KI-Zugang nutzbar sein.

Ein Beispiel aus der Praxis

Ein Beispiel: Eine achte Klasse in Frauenfeld lernt den Stromkreis. Frau Keller lässt sich Grenzen der Wasseranalogie beschreiben. Die KI behauptet, der Strom werde in der Lampe «aufgebraucht», genau wie Wasser im Rohr. Frau Keller erkennt, dass das eine häufige Fehlvorstellung bestärkt, und ergänzt den Hinweis, dass die Stromstärke vor und nach der Lampe gleich bleibt.

Die Klasse bearbeitet das Arbeitsblatt zur Modellkritik und misst im Versuch die Stromstärke an zwei Stellen. Mehrere Lernende erkennen, dass die Analogie hier in die Irre führt.

Nachher können sie beschreiben, wofür das Wassermodell taugt und wofür nicht. Frau Keller plant, die Methode im Chemieunterricht anzuwenden, siehe Chemie mit KI: Beobachtung und Teilchenmodell.

So hilft Ihnen Alpasana

Wie Sie KI so anleiten, dass sie Schwächen und Unsicherheiten benennt, üben Sie im Online-Kurs Prompt Engineering von Alpasana auf absofort. Beschrieben sind das Festlegen von Aufgabe, Rolle, Kontext, Ziel und Ausgabeformat, der Einsatz von Beispielen zur Steuerung und das Überarbeiten von Prompts sowie das Prüfen der Ergebnisse.

Der Kurs vermittelt keine Fachinhalte der Physik oder Chemie. Die fachliche Beurteilung der Modelle liegt bei Ihnen. Mehr zu Vorstellungen der Lernenden finden Sie unter Physik: Alltagsvorstellungen sichtbar machen.

Häufige Fragen

Soll ich Analogien der KI einfach übernehmen?

Nein. Prüfen Sie fachlich und mit Lehrmitteln. Wählen Sie Analogien aus, deren Grenzen Sie kennen, und benennen Sie diese im Unterricht.

Wie viele Modelle sollten Lernende vergleichen?

Zwei genügen oft. Wichtig ist, dass sie erklären, wofür jedes Modell taugt. Mehr Modelle gleichzeitig können überfordern.

Was, wenn die KI-Tabelle Fehler enthält?

Das ist ein guter Anlass für Unterricht: Besprechen Sie vorbereitete Fehler in einer fiktiven Tabelle, ohne zu sagen, dass sie von KI stammt, oder korrigieren Sie sie vorab selbst.

Gibt es Vorgaben im Lehrplan?

Der Lehrplan 21 beschreibt für Natur und Technik auch den Umgang mit Modellen. Genaue Formulierungen und Niveau prüfen Sie im Lehrplan Ihres Kantons.