Bei der Vermittlung, Beurteilung und Förderung von Kompetenzen der Erkenntnisgewinnung kommt der selbständigen Durchführung von naturwissenschaftlichen Untersuchungen eine besondere Rolle zu. Lernstand und Lernerfolg in diesem Kompetenzbereich werden jedoch in Leistungstests, Vergleichs- und Klassenarbeiten vorrangig über schriftliche Aufgaben erhoben. Der Frage, welchen Beitrag ein anwendungsbezogenes Aufgabendesign für die Diagnose von wissenschaftsmethodischen Kompetenzen leistet, soll in der vorliegenden Studie nachgegangen werden. Das zentrale Forschungsziel beinhaltet die Identifikation und Beschreibung von jenen praktischen Fähigkeiten, die zur Durchführung eines Experimentes benötigt werden. Zu diesem Zweck wurden beim Experimentieren von Schülergruppen des 7. und 9. Jahrganges die Handlungen im Einzelnen und Handlungsprozesse im Ganzen audiovisuell dokumentiert. Im Rahmen einer inhaltsanalytischen Auswertung konnte ein Beurteilungsinstrument zum Experimentierprozess generiert und hinsichtlich der Zuverlässigkeit überprüft werden. Es bietet Bezugspunkte für eine handlungsbezogene Diagnose von Schülerleistung und inhaltliche Erklärungsansätze zur Differenz zwischen praktischer und schriftlicher Leistung. Weiterführend konnten über quantifizierende inhaltsanalytische Techniken drei Typen von Handlungsverläufen im Erkenntnisprozess identifiziert werden. Der Einsatz von Experimentieraufgaben nach dem hier entwickelten Aufgabendesign bildet auf der Ebene der formativen und summativen Diagnose eine Ergänzung zu den traditionellen schriftlichen Aufgaben.