Anspruchsvolle Lernumgebungen zeichnen sich dadurch aus, dass Schüler/innen2 über den reinen Wissenserwerb hinaus viele kognitive Ressourcen für die Anwendung von Schlüsselkompetenzen (Koordination, Zusammenarbeit, Planung, Orientierung, …) aufwenden müssen. Eine Förderung dieser Kompetenzen ist Bestandteil der Lehrpläne und der nationalen Bildungsstandards (KMK 2005), ihre Bedeutung für den Alltag und das spätere Berufsleben sind wohl unumstritten.
In der vorliegenden Studie wurden die Schüler mit einer neuartigen, außerschulischen Umgebung konfrontiert, und sie mussten schülerzentriert in einer Gruppe mit Klassenkameraden praktische Tätigkeiten ausführen: Das Unterrichtsprojekt am Salzbergwerk Berchtesgaden umfasste fünf Versuche, die zentrale Eigenschaften von Kochsalz altersgerecht und anschaulich vermitteln3. Sowohl außerschulischer Unterricht als auch interaktives Lernen (Gruppenarbeit, experimentelles Arbeiten) sind sehr anspruchsvoll. Sie verursachen zusätzliche (wirkungslose) kognitive Last, die unabhängig von der reinen Auseinandersetzung mit dem Thema (intrinsische kognitive Last) und den damit verbundenen Lernprozessen (wirksame kognitive Last) ist (z. B. Kirschner et al. 2006, Sweller et al. 1998, Hofstein & Lunetta 2004). Um eine Überlastung des Arbeitsgedächtnisses zu vermeiden und dennoch der Forderung nach Kompetenzförderung gerecht zu werden muss deshalb in anspruchsvollen Lernumgebungen besonders auf ein sorgfältiges Unterrichtsdesign geachtet werden. Die Theorie der kognitiven Last (Sweller et al. 1998, Sweller 2010) diente in der vorliegenden Arbeit als Richtlinie für das instruktionale Design. In Teilstudie A konnte gezeigt werden, dass der Lernort selbst nur bedingten Einfluss auf kognitive wie affektive Resultate hat: Eine Durchführung am Salzbergwerk und an einem neutralen Lernort ohne Bezug zum Thema ‚Salz’ führten zu keinen signifikanten Unterschieden im Lernerfolg und im motivationalen und emotionalen Feedback der Schüler.
In den Teilstudien B und C wurde die Eignung der Theorie der kognitiven Last (Sweller et al. 1998, Sweller 2010) als Richtlinie für das instruktionale Design außerschulischer naturwissenschaftlicher Lerneinheiten überprüft. Dazu wurden Cluster entsprechend der individuellen Effektivität des Unterrichts gebildet. Etwa die Hälfte der Schüler zeigte sehr gute Ergebnisse, jeweils etwa ein Viertel hätte besser abschneiden können bzw. lieferte schlechte Resultate. Analysen auf kognitiver und motivationaler Ebene bestätigten die Eignung der Theorie der kognitiven Last als Grundlage für die Ausgestaltung anspruchsvoller naturwissenschaftlicher Lernumgebungen. Es konnte lediglich ein fehlendes Element identifiziert werden: Die Ergebnisse der Teilstudien B und C zeigten, dass mit intensiverer Anleitung, z. B. in Form gezielter Fragen und ermutigenden Feedbacks, die meisten Defizite vermutlich hätten ausgeglichen werden können. Angemessene Anleitung wird zwar im Rahmen der Theorie der kognitiven Last gefordert (van Merriёnboer et al. 2006), es werden jedoch keine Spezifikationen gegeben, welchen Kriterien diese im naturwissenschaftlichen Unterricht genügen sollte. Anhaltspunkte für weitere Überlegungen sind vorhanden (van Merriёnboer et al. 2006) und sollten als Grundlage für zukünftige Studien herangezogen werden.
Die vorliegende Gesamtstudie zeigt, dass effektives und effizientes Lernen in anspruchsvollen Lernumgebungen möglich ist. Die Eignung der Theorie der kognitiven Last wurde bestätigt, wobei der Aspekt der adäquaten Anleitung im naturwissenschaftlichen Unterricht noch weiterer Forschung bedarf. Ein besonderes Anliegen war es, die Bedeutung adäquater Anleitung zu betonen, deren systematische Erforschung und Umsetzung in vielen Forschungsbereichen bislang eher zu kurz kam. Diese Arbeit trägt zu einer Verbesserung von Unterricht in anspruchsvollen Lernumgebungen bei, indem sie Faktoren aufzeigt, die Vermittlung von Wissen effektiv und effizient mit individueller Kompetenzförderung zu verknüpfen.