Stefan Josef Winkler

• Diese Masterarbeit untersucht die Bedeutung und das Potenzial der Bionik als innovatives Lernfeld im naturwissenschaftlichen Unterricht der Volksschule. Ausgangspunkt ist die Annahme, dass die Verbindung von biologischen Vorbildern und technischen Anwendungen nicht nur das fachliche Verständnis fördert, sondern auch Motivation, Interesse und kreative Problemlösefähigkeiten bei Schülerinnen und Schülern stärkt. Im Zentrum der Arbeit stehen dabei mehrere Forschungsfragen. Einerseits wird untersucht, welche Vorstellungen Kinder zu biologischen Vorbildern und technischen Anwendungen der Bionik bereits vor der Unterrichtseinheit mitbringen, inwiefern sich ihr Verständnis bionischer Prinzipien durch den Einsatz der Unterrichtsmaterialien verändert und in welchen Bereichen bestehende Fehlvorstellungen bestehen bleiben. Andererseits wird analysiert, wie sich Motivation und Interesse der Kinder durch den Einsatz experimenteller und robotikgestützter Lernmethoden im Bionikunterricht entwickeln. Darüber hinaus wird im Rahmen der Hauptfragestellung überprüft, inwiefern sich durch die Teilnahme an einer projektorientierten Unterrichtseinheit die kognitiven Kenntnisse der Schülerinnen und Schüler zu bionischen Prinzipien und biologisch-technischen Zusammenhängen signifikant verändern (FQ A) sowie inwiefern sich Fehlvorstellungen und affektive Werthaltungen, insbesondere Motivation, Interesse und Selbstwirksamkeit im Kontext eines forschend-entdeckenden Bionikprojekts mit robotikgestützten Elementen verändern (FQ B). Im theoretischen Teil werden grundlegende Konzepte der Bionik sowie deren Verknüpfung mit Robotik dargestellt und didaktisch eingeordnet. Darauf aufbauend wurde eine sechsteilige Unterrichtsreihe konzipiert und praktisch umgesetzt, in der die Kinder durch forschend-entdeckendes Lernen, Experimente sowie den Einsatz robotikgestützter Elemente an bionische Prinzipien herangeführt wurden. Zur empirischen Überprüfung der Wirksamkeit dieser Unterrichtseinheit wurde ein Prä-Post-Design gewählt. Mithilfe eines standardisierten Fragebogens wurden sowohl kognitive als auch affektive Variablen erhoben, darunter das Verständnis zentraler Begriffe, das Erkennen biologisch-technischer Zusammenhänge sowie Motivation, Interesse und Selbstwirksamkeit. Die Stichprobe umfasste 11 Schülerinnen und Schüler einer jahrgangsübergreifenden Klasse einer Volksschule. Die Ergebnisse zeigen signifikante Verbesserungen in den kognitiven Kenntnissen der Lernenden, insbesondere im Verständnis des Begriffs „Bionik“ sowie in der Fähigkeit, Übertragungsprinzipien zwischen Natur und Technik zu erklären. Darüber hinaus konnten positive Entwicklungen in motivationalen und affektiven Bereichen festgestellt werden. Die Schülerinnen und Schüler zeigten ein gesteigertes Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen sowie eine erhöhte Bereitschaft, eigene technische Ideen zu entwickeln. Damit konnte die zugrunde liegende Forschungsannahme bestätigt werden, dass eine projektorientierte und handlungsorientierte Unterrichtsgestaltung im Bereich der Bionik sowohl kognitive Lernprozesse als auch affektive Faktoren positiv beeinflusst. Die Arbeit verdeutlicht, dass Bionik in Kombination mit handlungsorientierten und robotikgestützten Lernformen ein hohes didaktisches Potenzial für den Sachunterricht besitzt. Sie leistet damit einen Beitrag zur Weiterentwicklung eines zukunftsorientierten naturwissenschaftlich-technischen Unterrichts in der Volksschule.
• This master’s thesis examines the significance and potential of bionics as an innovative field of learning in primary science education. The starting point is the assumption that the connection between biological models and technical applications not only enhances subject-specific understanding but also promotes motivation, interest, and creative problem-solving skills among students. At the core of the study are several research questions. On the one hand, it investigates what conceptions children already have about biological models and technical applications of bionics prior to the instructional unit, how their understanding of bionic principles changes using the teaching materials, and in which areas misconceptions persist. On the other hand, it analyses how students’ motivation and interest develop using experimental and robotics-supported learning methods in bionics education. Furthermore, within the framework of the main research questions, it is examined to what extent participation in a project-based instructional unit leads to significant changes in students’ cognitive knowledge of bionic principles and bio-technical relationships (RQ A), and to what extent misconceptions as well as affective variables—particularly motivation, interest, and self-efficacy—change within the context of an inquiry-based bionics project with robotics-supported elements (RQ B). The theoretical part outlines fundamental concepts of bionics and its connection to robotics, placing them in a didactic context. Based on this, a six-lesson teaching unit was designed and implemented, in which students were introduced to bionic principles through inquiry-based learning, experiments, and the use of robotics-supported elements. To evaluate the effectiveness of this instructional unit, a pre-post design was employed. A standardized questionnaire was used to assess both cognitive and affective variables, including the understanding of key concepts, the recognition of bio-technical relationships, as well as motivation, interest, and self-efficacy. The sample consisted of 11 students from a mixed-grade primary school class. The results show significant improvements in students’ cognitive knowledge, particularly in their understanding of the concept of “bionics” and their ability to explain transfer principles between nature and technology. In addition, positive developments were observed in motivational and affective domains. Students demonstrated increased interest in scientific topics as well as a greater willingness to develop their own technical ideas. Thus, the underlying research assumption could be confirmed: a project-based and hands-on approach to teaching bionics positively influences both cognitive learning processes and affective factors. Overall, the study highlights that bionics, in combination with hands-on and robotics-supported learning approaches, holds considerable didactic potential for primary science education. It therefore contributes to the further development of future-oriented science and technology teaching at the primary level.