NERDS, der Name ist Programm!

Bereits seit vielen Jahren kooperiert das zdi-Netzwerk MINT.BOchum sehr eng mit der Schiller-Schule Bochum, einem städtischen Gymnasium. Aufgrund des hohen Engagements und der Tatkraft der Schule für eine zukunftsfähige und nachhaltige Bildungsarbeit im Sinne der UNESCO wurde sie im Juni 2022 als „UNESCO Associated School“ geehrt. Dieses hohe Engagement spiegelt sich auch in der Kooperationsarbeit mit dem zdi-Netzwerk wider.

Eins der zukunftsfähigen und nachhaltigen Bildungsangebote ist der Kooperationsprojektkurs „NERDS“. Hierbei steht der Titel für „Naturwissenschaftliche Experimentierrunde der Schiller-Schule“. Bei diesem einjährigen Kursangebot setzen sich die Schüler/-innen intensiv und selbständig mit einem selbstgewählten Thema in Kleingruppen über einen längeren Zeitraum (Selbstorganisation) auseinander, mit Erstellung von Produkt, Dokumentation und Präsentation unter Einhaltung wissenschaftlicher Kriterien und unter Verwendung wissenschaftlicher Methoden. Neben diesem frühzeitigen Einblick in wissenschaftliche Arbeitsabläufe kommen die Jugendlichen programmatisch mit externen Partner/-innen aus Hochschule und Unternehmen in Kontakt, so dass gezielte Studien- und Berufsorientierung erfolgt.

Dieses Kursformat fördert in hohem Maße die Selbstständigkeit der Teilnehmenden durch die partizipative Eigenverantwortlichkeit bei der Themenauswahl, der Gestaltung des Arbeitsablaufes und der Dokumentation der Ergebnisse. Die mehrperspektivische Betrachtung des jeweils gewählten Themas wird zu Kursbeginn und im weiteren Verlauf stets eingefordert.

Das konkrete Thema der eigenen Forschungsarbeiten soll von den Schüler/-innen selbst festgelegt werden, wobei vorgegeben ist, dass die zu bearbeitende Fragestellung an der Schnittstelle zwischen Biologie und Physik/Technik/Informatik angesiedelt sein muss. Die konkreten Projektergebnisse können fundierte wissenschaftliche Darstellungen selbstständiger naturwissenschaftlicher Experimentaluntersuchungen sein. Es können aber auch selbst konstruierte technische Geräte, Maschinen und Anlagen entstehen, wie z.B. ein Schuhkraftwerk. Immer zwei bis drei Schüler/-innen bilden hierbei eine Kleingruppe, die über die gesamte Dauer des Kurses, die in etwa 60 Zeitstunden beträgt, gemeinsam an dem Projekt arbeitet. Gemeinsam wird eine spannende Fragestellung erarbeitet, wobei das eigene Interesse sowie die persönlichen Fähigkeiten der Schüler/-innen, aber auch die Lösbarkeit der Aufgabe in der vorgegebenen Zeit eine große Rolle spielen. Hierbei wird meist eine Hauptfragestellung definiert, die allerdings genügend Unterfragestellungen liefert, um bei verzögertem Vorgehen dennoch einen sinnvollen und zufriedenstellenden Abschluss gewährleistet.

Zur Prüfung der Machbarkeit des eigenen Projekts sollen die Schüler/-innen bereits frühzeitig (Literatur-)Recherchen anstellen. Bereits von anderen Wissenschaftler/-innen getätigte Experimente sollen somit gesichtet, eigene Experimente geplant und auf Machbarkeit in der Schule untersucht werden. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Schiller-Schule Bochum sowohl über eine hochwertige und ausgeprägte Sammlung im Bereich der Physik und insbesondere über ein Biologie-Labor der Sicherheitsstufe 1 verfügt, so dass – obwohl die Arbeiten meist in der Schule durchgeführt werden – anspruchsvolle Forschungs- und Entwicklungsprojekte absolviert werden können. Dies zeigt sich auch in der Anzahl an meist erfolgreichen Teilnahmen an namhaften Wettbewerben wie Jugend forscht, dem VDE-Technikpreis und dem BundesUmweltWettbewerb.

Über die gesamte Dauer der Maßnahme hinweg werden die Schüler/-innen durch zwei Lehrkräfte der Schiller-Schule – einem promovierten Elektrotechniker sowie einem Biologielehrer – begleitet. Zusätzlich werden die Jugendlichen durch diverse Mitarbeiter/-innen des zdi-Netzwerkes tatkräftig unterstützt. Dies gewährleistet:

• die Vorstellung des qualitativ hochwertigen und umfangreichen experimentellen Equipments des zdi-Netzwerkes durch die Mitarbeiter/-innen, das zusätzlich für die Durchführung der eigenen Forschungsfrage fest eingeplant werden kann.
• die Ansprache und Integration von weiteren externen Kooperationspartner/-innen aus den Bereichen Hochschule, Unternehmen sowie darüber hinaus – auch bereits in der frühen Planungsphase.

Neben der Betreuung durch die Mitarbeiter/-innen des zdi-Netzwerks wird somit auch die (temporäre) Betreuung durch zu den Themenstellungen passende Hochschul- und Unternehmenspartner angestrebt. Dies ermöglicht den Schüler/-innen meist auch eine abschnittsweise Arbeit direkt in den Forschungslaboren bzw. Werkstätten der Hochschulen und Unternehmen.

Steht das Thema fest, so erstellen die Kleingruppen ihre experimentellen Aufbauten, führen Messungen durch und verifizieren diese durch wiederholte Messungen. Ein Laborbuch – wie in Hochschullaboren zur Dokumentation der Messungen üblich – ist hierbei stets zu führen. Die hier erhaltenen Daten werden im Anschluss analysiert und mit den Betreuer/-innen diskutiert. Hierbei werden Strategien für das weitere Vorgehen der Forschungs- und Entwicklungsarbeit vorgeschlagen, wobei sich die Jugendlichen aus den unterschiedlichen Beiträgen aller Diskussionspartner/-innen die für sich geeignetste Strategie definieren müssen.

Der konkrete Ablauf des Kurses wurde über die Jahre hinweg, u.a. auch auf Grundlage der Rückmeldungen der Teilnehmenden, stets weiterentwickelt. Es hat sich bewährt, den Kurs bereits zum Ende des ablaufenden Schuljahres zu starten. Hier haben die zukünftigen Schüler/-innen des Kurses im Rahmen von ein bis zwei Projekttagen die Möglichkeit, Projektideen zu sammeln und diese immer weiter zu konkretisieren. Zu dieser Zeit besuchen sie noch die Jahrgangsstufe EF. Über die Sommerferien hinweg, können sich diese Ideen weiter festigen. Genauso gut können sie aber auch wieder verworfen und neue Ideen gewonnen werden. Mit Start der Jahrgangsstufe Q1 kann dann mit vollem Elan in die Forschungs- bzw. Entwicklungsarbeit eingestiegen werden.

Über die Zeit hinweg hat sich bewährt, eine schriftlich ausformulierte Zwischendokumentation der bis dahin erhaltenen Ergebnisse, basierend auf wissenschaftlichen Standards, von allen Gruppen im Februar einzufordern. Dies erleichtert den Schüler/-innen die Überlegung, am Wettbewerb „Jugend forscht“ teilzunehmen, da hier die Einreichung der schriftlichen Beiträge im Januar zu erfolgen hat und hierfür große Passagen der schriftlichen Zwischendokumentation verwendet werden können. Durch die Teilnahme an diesem und auch an weiteren Wettbewerben, durch die Präsentation der Ergebnisse an die breite Öffentlichkeit im Rahmen der „Schillernden Projekte“ (Abend der offenen Tür) sowie der kursinternen Abschlusspräsentation kurz vor den Sommerferien haben die Jugendlichen mehrfach die Möglichkeit, sich im geschützten Raum auszutesten und auf Grundlage der Rückmeldungen persönlich weiterzuentwickeln. Dies stärkt zum einen das Selbstbewusstsein, zum anderen trainiert es das schnelle Einfinden in unbekannte Situationen, hilfreich für den Start ins spätere Studium oder in die Ausbildung.

Inhaltlich bewegen sich viele der von den Schüler/-innen selbstgewählten Forschungs- und Entwicklungsfragestellungen im Bereich der Nachhaltigkeitsthemen, die im Rahmen des Kurses über ein Jahr hinweg auch mehrperspektivisch betrachtet werden. Dies verdeutlicht folgendes Beispiel:

Aufgrund des politisch ausgesprochenen Plastiktütenverbots wollten zwei Schülerinnen im Projektkursdurchgang 2021/22 eine natürliche Alternative aus Brennnesselfasern entwickeln, die sowohl stabil als auch wasserabweisend und damit für einen Einkauf von Lebensmitteln geeignet ist. Brennnesseln wurden hierfür im Herbst 2021 gesammelt, die Blätter entfernt, die Fasern dem Stiel entnommen und anschließend gehechelt. Da die Fasermenge für das Weben einer Tasche nicht ausreichte und eine weitere Gewinnung von Fasern aufgrund des Wachstumszyklusses im Winter nicht möglich war, griffen die Schülerinnen für den weiteren Projektverlauf auf gekaufte, bereits gesponnene Brennnesselfasern zurück. Diese wurden zeitaufwändig mittels Webrahmen zu Stoffstücken verarbeitet, wobei hierbei auch über Herstellungskosten, soziale Gesichtspunkte sowie die generelle Akzeptanz solch einer teuren, aber gleichzeitig auch nachhaltigen Alternative zur Plastiktüte diskutiert wurde.

Die entstandenen Stoffstücke wurden z.T. mit Bienenwachs bezogen, um sie wasserabweisend zu machen. Nachfolgend erfolgten ingenieurwissenschaftliche Messungen (z.B. mikroskopische Aufnahmen, Reißfestigkeit, Benetzung) in den Fachlaboren der Technischen Hochschule Georg Agricola Bochum, so dass die Schülerinnen während ihrer Entwicklungsarbeit auch einen Einblick in die Welt eines Forschenden erhielten. Im Juni 2022 präsentierten die beiden Jugendlichen eine wasserabweisende Tasche samt Henkel in der Größe einer üblichen Jutetasche und beendeten damit erfolgreich den Kurs.

Zusätzlich zu diesem Erfolgserlebnis nahmen die Schülerinnen auch erfolgreich am Wettbewerb “Jugend forscht” teil und erhielten hier u.a. einen Nachhaltigkeitssonderpreis im Regionalwettbewerb in Marl. Darüber hinaus bewarben sie sich beim Young Talents Award der Technischen Hochschule Georg Agricola. Neben der finanziellen Unterstützung des Projekts erhielten sie durch die Prämierung auch die Unterstützung bei den o.g. ingenieurwissenschaftlichen Untersuchungen.

Eine Auswahl von weiteren Projekten, die von Schüler/-innen in den vergangenen Jahren im Rahmen des Kurses durchgeführt haben, ist nachfolgend aufgelistet:

Die Entwicklung eines Schuhkraftwerks
Eine Schülerin und ein Schüler wollten die Machbarkeit untersuchen, einen Handyakku durch die Energie, die beim menschlichen Gang durch das Auftreten entsteht, zu laden. Dies könnte beispielsweise bei fehlender Energiequelle auf längeren Wanderungen oder generell in Regionen ohne Elektrizität sinnvoll sein. Hierzu haben die Jugendlichen zuerst mittels Kraftmessplatte erforscht, wo der maximale Kraftübertrag beim Auftreten eines Menschen liegt. Im Anschluss daran haben die Schüler/-innen mit Piezo-Kristallen experimentiert, um zu erfahren, wie der Zusammenhang zwischen der Kraft, die auf den Kristall einwirkt, zur elektrischen Energie, die erzeugt wird, ist. Eine theoretische Berechnung der benötigten Schritte und der damit zurückgelegten Strecke, die zum Aufladen eines Handyakkus absolviert werden müsste, rundete die Forschungsarbeit ab. Als Kooperationspartner stand hier die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Ruhr-Universität Bochum zur Verfügung.

Erstellung eines Herzkreislaufmodells für den schulischen Unterricht
Die Erstellung eines Herzkreislaufmodells für den Einsatz im Biologie- und Physikunterricht in jüngeren Jahrgangsstufen (Erprobungs- und Mittelstufe) war Aufgabe dieses Projekts. Hierbei wurde mit einfachen Artikeln aus dem Gesundheitswesen (Schläuche, T-Verbinder und Rückstoßventile als Adersystems und Tropfbeutel als Herz) ein Herzkreislaufmodell erstellt, das mittels pneumatisch betriebenen und Computer gesteuertem Stempel angetrieben wurde. Als Ansprechpartner stand hier den beiden Schülerinnen ein Bochumer Kardiologe zur Verfügung.

Genmanipulation von Pflanzen
Idee hinter diesem Projekt war, Gene in Pflanzen so zu manipulieren, dass sie fluoreszieren. Diese Pflanzen könnten dann als Lichtquelle im innerstädtischen Bereich (z.B. in Parks) verwendet werden. Für die Genmanipulation an sich musste zuerst ein Luciferase Gen vorbereitet werden, bevor die Transformation geschehen konnte. Da die Schule zwar zum Forschungszeitpunkt bereits über eine Sicherheitswerkbank der Stufe 1 verfügte, allerdings zu dieser Zeit noch keine zertifizierte Betreuungsperson dieser Stufe aufwies, war zwingend eine Kooperation mit der Fakultät für Biologie der Ruhr-Universität bzw. dem damit kooperierenden Projektbüro der SolarBioproducts Ruhr – ansässig in Herne – notwendig.

Unterbindung von Somnambulismus
Drei Schülerinnen haben es sich zur Aufgabe gemacht, ein Gerät zu erfinden, was Somnambulismus – also das Schlafwandeln von Menschen – abbrechen soll. Dieses Gerät ist eine Kombination aus einem selbstgefertigten EEG und einem Lagesensor. Beim EEG werden mittels Elektroden, die mit einem Raspberry Pi verbunden sind, Hinströme ausgelesen. Diese werden über Funk zu einem Computer geleitet und dort in Echtzeit analysiert. Sind die Signale so, dass Somnambulismus wahrscheinlich ist, und gleichzeitig meldet ein an der Person installierter Lagesensor eine Änderung (waagerecht/liegend in senkrecht/stehend), so soll die Person mit einem Wecksignal geweckt werden. Als Kooperationspartner wurde hier das Institut für Kognitive Neurowissenschaft in der Abteilung für Neuropsychologie der Ruhr-Universität Bochum gefunden.

Über die vergangenen Jahre hinweg wurde das im Rahmen dieses Projektes entstandene EEG-Gerät von anderen Projektgruppen weiterentwickelt, weitere Forschungsarbeiten mit Bezug zu Hirnströmen durchgeführt und somit nachhaltig das Wissen von Jahrgang zu Jahrgang weitergegeben.