Vorwort

Mein Werdegang zielt auf das gymnasiale Lehramt ab; daher wurde für diese Examensarbeit eine Thematik mit pädagogisch - didaktischem Schwerpunkt gewählt. Die Beschlüsse der Kultusminister in den Bundesländern stellen Leitlinien für die Lehrerinnen und Lehrer dar. Der Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 16.12.2004, der die Verbindlichkeit von Bildungsstandards in den Fächern Biologie, Chemie und Physik bundesweit festlegt, ist die Grundlage dieser Arbeit. Den biologischen Kontext bekommt sie durch die Untersuchung eines

pflanzenphysiologischen Experimentes für den Biologieunterricht. Die Relevanz, sich später mit Schülerinnen und Schülern auseinander zu setzen, erleichterte mir die Entscheidung in Zusammenarbeit mit dem Botanischen Institut und dem IPN Kiel diese Arbeit anzufertigen, da der Inhalt bereits die neuen Vorgaben des Kultusministeriums behandelt. Ich wünsche den Lesern viel Spaß und viele neue Erkenntnisse aus dieser Studie im Rahmen der Implementation der Bildungsstandards in den Biologieunterricht durch pflanzenphysiologische Experimente.

IN  NH HA AL LT TS SV VE ER RZ ZE EI IC CH HN NI IS S II  I

INHALTSVERZEICHNIS

Vorwort.......................................................................................................................   I

1  Zusammenfassung.  01

2  Einleitung.  02

2.1  Anliegen der Arbeit.  02

2.2  Aufbau der Arbeit.  03

3  Theoretischer Hintergrund.  04

3.1  Beschlüsse der Kultusministerkonferenz  04

3.1.1  Die Bildungsstandards.  04

3.1.2  Kompetenzbereiche des Faches Biologie.  05

3.1.2.1  Fachwissen.  05

3.1.2.2  Erkenntnisgewinnung.  08

3.1.2.3  Kommunikation.  09

3.1.2.4  Bewertung.  10

4  Experimente im Biologieunterricht.  13

4.1  Experimentieren im Biologieunterricht.  13

4.2  Die Vielfalt des Experimentierens - Experimentierweisen.  15

5  Ausgewählte Experimente zur Kompetenzförderung gemäß der  

Bildungsstandards.   18

5.1  Versuch zum Stärkenachweis.  18

5.2  Der Erwartungshorizont des Versuches.  20

5.3  Der Anforderungsbereich.  22

6  Die Ziele dieser Studie.  23

6.1  Vorstellung der Hypothesen.  24

6.1.1  Hypothese 1 (H1)  24

6.1.2  Hypothese 2 (H2) und Hypothese 3 (H3)  24

6.1.3  Hypothese 4 (H4)  25

6.1.4  Hypothese 5 (H5)  26

6.1.5  Hypothese 6 (H6)  26

IN  NH HA AL LT TS SV VE ER RZ ZE EI IC CH HN NI IS S III  I

6.1.6  Hypothese 7 (H7)  27

6.2  Zusammenfassung der Erwartungen bezüglich des Erwartungshorizontes.  27

6.2.1  Das Fachwissen.  27

6.2.2  Die Erkenntnisgewinnung.  28

7  Methode der Datenerfassung.  29

7.1  Eine grobe Übersicht zum Fragebogen.  29

7.2  Anonymisierung und Personendaten.  29

7.3  Ablauf der Datenerhebung.  30

7.4  Der Unterrichtverlauf beim Schülerexperiment.  31

7.5  Der Unterrichtsverlauf beim Lehrerexperiment.  32

7.6  Der Wissenstest.  33

7.6.1  Fachwissen.  33

7.6.2  Erkenntnisgewinnung.  34

7.6.3  Kommunikation.  37

7.6.4  Bewertung.  37

7.6.5  Anforderungsbereich.  37

7.7  Antwortformate.  38

7.8  Überprüfung der Hypothesen.  39

7.8.1  Hypothese 1.  39

7.8.2  Hypothese 2 und 3.  40

7.8.3  Hypothese 4.  40

7.8.4  Hypothese 5.  40

7.8.5  Hypothese 6.  41

7.8.6  Hypothese 7.  41

7.8.7  Zusammenfassende Darstellung der Hypothesenüberprüfung.  41

8  Vorstellung der Lerngruppen und der Lernumgebung der Probanden.  42

8.1  Die Realschule mit Grund- und Hauptschulteil Tellingstedt.  42

8.1.1  Die Lernumgebung.  42

8.1.2  Die Klasse 5a.  43

8.1.3  Die Klasse 5b.  43

8.1.4  Die Klasse 9a.  44

8.1.5  Die Klasse 9b.  44

8.2  Die CAU Kiel  44

8.2.1  Der Vorlesungssaal  44

IN  NH HA AL LT TS SV VE ER RZ ZE EI IC CH HN NI IS S IV  I

8.2.2  Die Studierenden des ersten Semesters Biologie zum WS 2006/2007  45

8.3  Teilnehmer in der Gesamtübersicht.  46

9  Darstellung und Interpretation der Ergebnisse.  47

9.1  Gesamtergebnisse des Vortests.  47

9.1.1  Das Fachwissen.  48

9.1.2  Die Erkenntnisgewinnung.  49

9.1.3  Zusammenfassung der Ergebnisse des Vortests.  50

9.2  Die Gesamtergebnisse des Nachtests.  51

9.2.1  Das Fachwissen.  52

9.2.2  Die Erkenntnisgewinnung.  53

9.2.3  Zusammenfassung der Ergebnisse des Nachtests.  55

9.3  Vergleich der Mittelwerte des Vor- und Nachtests der Schüler (H1 und H7)  55

9.3.1  Wissenszuwachs aufgegliedert in die Kompetenzbereiche (H1)  56

9.3.2  Wissenszuwachs aufgegliedert in die Experimentengruppen (H1)  56

9.3.3  Wissensangleichung durch die Vermittlungsformen (H7)  64

9.3.4  Zusammenfassung der Ergebnisse der Mittelwertvergleiche (H1 und H7)  64

9.4  Vergleich der Vermittlungsmethoden im Nachtest (H2, H3)  60

9.4.1  Vergleich der Vermittlungsmethoden im Gesamtergebnis.  61

9.4.2  Vergleich der Wirksamkeit der Vermittlungsmethoden in Bezug auf die  

Kompetenzbereiche  Fachwissen und Erkenntnisgewinnung.  61

9.4.2.1  Unterschiede im Kompetenzbereich Fachwissen.  62

9.4.2.2  Unterscheide im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung.  62

9.4.3  Vergleich der Vermittlungsmethoden innerhalb der Klassenstufen.  63

9.4.3.1  Die fünften Klassen.  63

9.4.3.2  Die neunten Klassen.  64

9.4.4  Zusammenfassung der Vergleiche der Vermittlungsmethoden.  65

9.5  Der Entwicklungsaspekt der Kompetenzen (H4)  67

9.5.1  Der Entwicklungsaspekt zwischen den fünften, neunten und den Studenten.  67

9.5.1.1  Vergleich der Bildungsstufen untereinander in der Gesamtwertung des  

Pretests.   68

9.5.1.2  Vergleich der Bildungsstufen im Fachwissen untereinander.  69

9.5.1.3  Vergleich der Bildungsstufen in der Erkenntnisgewinnung.  70

9.5.2  Zusammenfassung des Entwicklungsaspektes  71

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9.6  Zusammenhang zwischen dem Interesse und dem Lernerfolg (H5)  72

9.6.1  Korrelationen in der Gesamtwertung aller Klassen.  73

9.6.2  Korrelationen in den Klassenstufen 5 und 9.  73

9.6.3  Zusammenfassung der Korrelationsmessungen des Interesses.  73

9.7  Vergleich der Vermittlungsmethoden mit den Noten in Biologie (H6)  75

9.7.1  Vergleich der Gruppenmittelwerte in der Gesamtbetrachtung.  75

9.7.2  Vergleich der Gruppenmittelwerte im Fachwissen.  75

9.7.3  Vergleich der Gruppenmittelwerte in der Erkenntnisgewinnung.  76

9.7.4  Zusammenfassung der Vergleiche mit Notenabhängigkeit.  76

9.8  Weitere Ergebnisse der Studie.  78

9.8.1  Vermittlung des Kompetenzbereiches Kommunikation.  78

9.8.2  Häufigkeit des Experimentierens im Biologieunterricht.  79

10  Diskussion der Ergebnisse.  81

10.1  Analyse des Fragebogens.  81

10.2  Überprüfung der Hypothesen.  82

10.2.1  Hypothese 1 - Vermittlung durch ein Unterricht.  82

10.2.2  Hypothese 2 - Fachwissenerwerb durch ein Schülerexperiment effektiver.  83

10.2.3  Hypothese 3 - Erkenntnisgewinnung durch ein Schülerexperiment  

effektiver.   84

10.2.4  Hypothese 4 - Der Entwicklungsaspekt der Kompetenzen.  85

10.2.5  Hypothese 5 - Das Interesse wird durch ein Experiment überdeckt.  85

10.2.6  Hypothese 6 - Notenabhängigkeit der Vermittlungsformen.  86

10.2.7  Hypothese 7 - Wissensangleichung der Schüler n die der Studierenden.  87

10.3  Übersicht über die Hypothesen.  87

11  Ausblick.  88

12  Danksagung.  89

13  Erklärung.  90

14  Literaturverzeichnis.  91

15  Tabellen und Abbildungen.  93

16  Anhang  95

1 ZU ^{US SA AM MM ME EN NF FA AS SS SU UN NG G} SE ^{EI IT TE E} 1 1 1 Z S

1 Zusammenfassung

Diese Studie beschäftigt sich mit der Implementation der Bildungsstandards für das Fach Biologie durch pflanzenphysiologische Experimente ¹ . Die Fragestellung ist dabei, ob sich diese Experimente eignen, die Kompetenzbereiche der Bildungsstandards zu vermitteln. Es konnte gezeigt werden, dass durch pflanzenphysiologische Experimente sowohl Kompetenzen im Bereich Fachwissen, Erkenntnisgewinnung und Kommunikation vermittelt werden können, als auch speziell durch Schülerexperimente bei Schülern ² mit insgesamt schwächeren Leistungen im Fach Biologie, gemessen an der letzten Zeugnisnote, die Kompetenzen gut entwickelt werden können. Ein Frontalunterricht mit einem eingegliederten Lehrerexperiment spricht dabei vor allem leistungsstarke Schüler an, leistungsschwächere Schüler jedoch nicht so stark.

Das Experimentieren im Unterricht wird von den Schülern als interessant angesehen und motiviert daher zum Mitarbeiten. Es konnte gezeigt werden, dass das allgemeine Interesse am Fach Biologie durch ein Experiment im Unterricht überdeckt werden kann, so dass weniger interessierte Schüler in Situationen mit Experimenten ebenso gute Ergebnisse erzielen, wie sehr interessierte Schüler. Dieser Vorzug des Experimentierens zeigte sich auch in einer frontalen Unterrichtseinheit, in der ein Experiment eingebaut war, der durch die Lehrkraft durchgeführt wurde. Durch das Experiment erhielt der Unterricht einen Anstoß, der die Schüler zur Mitarbeit motivierte.

Das Schülerexperiment im pflanzenphysiologischen Bereich erwies sich in dieser Studie als geeignet, um Standards aus den Kompetenzbereichen zu vermitteln. Nachfolgend werden weitere Ergebnisse präsentiert und vor dem Hintergrund der Bildungsstandards diskutiert.

¹ In dieser Arbeit auch gleichbedeutend mit Versuch verwendet. Experiment: Zur Ermittlung eines

Sachverhaltes durch gezieltes eingreifen in ein System (SAUERMOST, 2000, Bd. 5, S. 295).

² Im nachfolgenden Text wird aus Einfachheit und der Lesbarkeit ausschließlich die maskuline Anrede

verwendet. Gemeint sind Personen beiderlei Geschlecht. In Ausnahmen werden explizit Männer und

Frauen angesprochen.

2 EI ^{IN NL LE EI IT TU UN NG G} - - A AN ^{NL LI IE EG GE EN N} D AR ^{RB BE EI IT T} SE ^{EI IT TE E} 2 2 2 E ^{DE ER R} A S

2 Einleitung

In den beiden folgenden Unterkapiteln wird zum Anliegen der Arbeit und zu ihrem Aufbau Stellung genommen, damit eine Übersicht zu dieser Studie geschaffen wird.

2.1 Anliegen der Arbeit

Grundlage dieser Arbeit sind die neuen Beschlüsse der Kultusministerkonferenz, welche von den naturwissenschaftlichen Fächern fordern, dass Schülern neben einer inhaltlichen Dimension auch eine Handlungsdimension unterrichtet wird. Die inhaltliche Dimension wird durch die Kompetenz Fachwissen und die Handlungsdimension durch die Kompetenzen Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung vermittelt (KMK, 2004a, S. 7f). Ab dem Schuljahr 2005 / 2006 sind die Beschlüsse in Kraft getreten und stellen dem Fach Biologie die Aufgabe, diese Kompetenzbereiche bis zur Mittleren Reife zu vermitteln. Jedoch wird nicht explizit konkretisiert, an welchen Inhalten des Curriculums und wie die Vermittlung der Kompetenzen methodisch durchgeführt werden soll.

Experimente im Unterricht bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten, den Schülern naturwissenschaftliches Wissen und Handeln zu vermitteln. Im Beschluss der Kultusministerkonferenz sind bereits Experimente im Biologieunterricht vorgestellt worden und jeweils mit einem übersichtlichen Erwartungshorizont dargestellt (siehe KMK, 2004, S. 19ff). In Anlehnung an SCHRÖDER (2005), bei der eine Auswahl an pflanzenphysiologischer Versuche zur Kompetenzvermittlung vorgestellt wird, befasst sich diese Studie mit der praktischen Umsetzung eines exemplarisch ausgesuchten Experimentes aus der oben genannten Auswahl. Hierbei wird die Vermittlungsfähigkeit des Experimentes unter Berücksichtigung der Kompetenzen und deren Standards überprüft.

Mit dem Ziel einer Eingliederung von pflanzenphysiologischen Experimenten in den Biologieunterricht, werden zwei Formen des Experimentierens erprobt: Das Schüler- und das Lehrerexperiment.

2 EI ^{IN NL LE EI IT TU UN NG G} - - A AU ^{UF FB BA AU U} D AR ^{RB BE EI IT T} SE ^{EI IT TE E} 3 3 2 E ^{DE ER R} A S

2.2 Aufbau der Arbeit

Beginnend mit Kapitel 3 wird der theoretische Bezugsrahmen erläutert, in dem auch näher auf die schon genannten neuen Beschlüsse eingegangen wird. Gezeigt wird, welche Kompetenzen dem Fach Biologie zugeschrieben werden, und welche Standards es hierbei zu beachten gibt. Der Bezug zum Experiment im Biologieunterricht wird dann nachfolgend hergestellt. In Kapitel 4 wird daher über das Experimentieren im allgemeinem gesprochen und die Möglichkeiten des Experimentierens aufgezeigt. Das konkrete Thema des gewählten Experiments wird in dem folgenden Kapitel 5 vorgestellt. Neben dem fachlichen Hintergrund wird hier sowohl auf den Erwartungshorizont des Experimentes eingegangen, in der gezeigt wird, welche Standards durch das Thema vermittelt werden sollen, als auch auf die Durchführung des Experimentes und der konkreten Aufgabenstellung für die Schüler.

Die Ziele dieser Studie werden samt der Hypothesen in Kapitel 6 formuliert. In diesem Teil werden somit Analysepunkte gesetzt, die mit der in Kapitel 7 gezeigten Methode erfasst werden sollen.

Das Kapitel 8 geht auf die Gruppen der Probanden ein. Die Experimente wurden in einer Schule durchgeführt und zusätzlich nahmen Studierende der Christian -Albrechts - Universität zu Kiel an der Studie teil. Die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse wird aufgrund der sehr großen Datenmenge in einem Kapitel Schritt für Schritt aufgeführt. Das Kapitel 9 stellt den Bezug zu den Hypothesen aus Kapitel 6 her. In Kapitel 10 wird schließlich eine Diskussion weitere Daten aus dem Fragebogen vorstellen und die Ergebnisse aus dem Kapitel 9 weiter zusammenfassen.

Der Ausblick in Kapitel 11 schließlich soll die weiteren Möglichkeiten dieser Studie aufzeigen und eventuelle Schwächen oder Stärken darstellen. Mit der Danksagung und der Erklärung wird diese Arbeit beendet. Die dann noch nachfolgenden Verzeichnisse über Literatur, Tabellen, Abbildungen und der Anhang stellen das verwendete Material vor.

3 TH ^{HE EO OR RE ET TI IS SC CH HE ER R} H HI ^{IN NT TE ER RG GR RU UN ND D} - - B BE ^{ES SC CH HL LÜ ÜS SS SE E} D KM MK K SE ^{EI IT TE E} 4 4 3 T ^{DE ER R} K S

3 Theoretischer Hintergrund

3.1 Beschlüsse der Kultusministerkonferenz

Die ständige Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesrepublik Deutschland (KMK) produziert Richtlinien mit dem grundsätzlichen Ziel der Sicherung einer gemeinsamen und vergleichbaren Grundstruktur der Bildungsgänge., welche für den Lehrer als „Leitfaden“ für den Unterricht an Schulen dient. Die durch die KMK veröffentlichten Beschlüsse sind für die angesprochenen Einrichtungen bindend. Je nach Zielgruppe können hierbei Schulen des Landes jedweder Art angesprochen werden, oder auch nur bestimmte Fächer in ausgewählten Schulsystemen und Klassenstufen. Grundlage dieser Arbeit ist der Beschluss vom 16.12.2004 über Bildungsstandards im Fach Biologie für den Mittleren Schulabschluss.

3.1.1 Die Bildungsstandards

Angetrieben durch die Ergebnisse der internationalen Vergleiche der Schülerleistungen in den Studien TIMSS (Third International Mathematics and Science Study), PISA (Programme for International Student Assessment) und IGLU (Internationale Grundschul - Lese - Untersuchung), welche zeigten, dass der Unterricht in Deutschland nicht zu den gewünschten Ergebnissen im Bildungssystem führt, wurde über Verbesserungen des Unterrichts durch die Einbindung zentraler Kompetenzen debattiert (KMK, 2004b, S. 5). Die im Auftrag des Bildungsministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) verfasste Expertise zur Entwicklung nationaler Bildungsstandards (siehe KLIEME et al, 2003) ist die Grundlage für die Einführung der Bildungsstandards durch die KMK, welche bindend im Biologieunterricht einzugliedern sind. Der Beschluss vom 16.12.2004 verpflichtet daher alle Länder Deutschlands ab dem Schuljahr 2005/2006 diese Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss als Grundlage für den Biologieunterricht zu übernehmen (KMK, 2004a, S. 3). Durch die Bildungsstandards soll überprüfbar werden, ob zentrale Kompetenzen, die in den vier Bereichen Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewerten erworben werden sollen, vermittelt und erreicht worden sind.

3 TH ^{HE EO OR RE ET TI IS SC CH HE ER R} H HI ^{IN NT TE ER RG GR RU UN ND D} - - B BE ^{ES SC CH HL LÜ ÜS SS SE E} D KM MK K SE ^{EI IT TE E} 5 5 3 T ^{DE ER R} K S

Speziell im Fach Biologie sollen die in den nachfolgenden Kapiteln beschriebenen Kompetenzen Anwendung finden.

3.1.2 Kompetenzbereiche des Faches Biologie

Das Fach Biologie hat durch die KMK eine normative Erwartung erhalten, zu der die Schüler „erzogen“ und gebildet werden sollen (KMK, 2004b, S. 11). Diese Erwartung wird durch die Nennung vierer Kompetenzbereiche konkretisiert. Den Schülern sollen bis zur 10 Klasse ausgewählte Kompetenzen der Bereiche Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung vermittelt werden. Hierbei wird den Ländern freigestellt, wie bei den Schülern diese Kompetenzen durch den Unterricht gefördert werden sollen. Dem Lehrer wird es demnach selbst überlassen, Inhaltsbereiche zu wählen und sich in der Methodik und Didaktik kompetenzfördernd zu bedienen (KMK, 2004b, S. 11).

3.1.2.1 Fachwissen

Dem Kompetenzbereich Fachwissen kommt die Aufgabe zu, Lebewesen, biologische Phänomene, Begriffe, Prinzipien und Fakten im biologischen Zusammenhang zu kennen. Des Weiteren wird von den Schülern die Fähigkeit verlangt, das erworbene Wissen in die drei untergeordneten Basiskonzepte „System“, „Entwicklung“ und „Struktur und Funktion“, einordnen zu können. Die Vermittlung des Fachwissens soll hierbei, aufgrund des hohen Wissensstandes und der gegenwärtigen Dynamik der Biologie, auf den Kern von biologischem Wissen reduziert werden (KMK, 2004a, S. 8). Das so auf die Schülerebene reduzierte Wissen soll somit das Fachwissen vergrößern. Die Basiskonzepte als Untergliederung des Kompetenzbereiches Fachwissen sollen eine übersichtliche Struktur in die vielfältigen biologischen Sachverhalte schaffen. Zentrale und immer wiederkehrende Prinzipien sollen so für den Schüler greifbar werden. Durch das Wissen um die Basiskonzepte soll es den Schülern ermöglicht werden, diese auf neue Kontexte zu übertragen. Eine Konkretisierung der Basiskonzepte „System“, „Entwicklung“ und „Struktur und Funktion“ wird von der KMK vorgenommen.

3 TH ^{HE EO OR RE ET TI IS SC CH HE ER R} H HI ^{IN NT TE ER RG GR RU UN ND D} - - B BE ^{ES SC CH HL LÜ ÜS SS SE E} D KM MK K SE ^{EI IT TE E} 6 6 3 T ^{DE ER R} K S

Das Konzept des Bereiches „System“ beruht auf der systemischen Betrachtungsweise der Natur in dem Fach Biologie. Sie löst die beschreibende Wissenschaft und die historisch darauf folgende erklärende Wissenschaft ab und führt damit die Wissenschaft von Biosystemen wie zum Beispiel „Zelle“, „Organismus“, „Ökosystem“ und Biosphäre“, ein. Diesen „lebendigen Systemen“ (Biosystemen) sind unterschiedliche Elemente inhärent, welche untereinander in Wechselwirkung stehen, wobei jedes einzelne Element durch spezifische Eigenschaften charakterisiert werden kann. Den lebendigen Systemen werden Struktur und Funktion, Evolution (Veränderlichkeit) und ein Einfluss zu anderen nicht lebendigen Systemen wie Geosphäre, Wirtschaftsystemen und Gesellschaftssystemen, zugesprochen. Somit wird die Kompetenz, biologische Phänomene systemisch einordnen zu können, in dem Punkt „System“ vereint (KMK, 2004a, S. 8).

Der Bereich Entwicklung umfasst die Veränderlichkeit der Systeme unter Einfluss der Zeit. Den Schülern soll deutlich werden, dass lebende Systeme ständigen Veränderungen unterliegen. Hierbei wird die Individualentwicklung und die evolutionäre Entwicklung voneinander getrennt (KMK, 2004a, S. 9). Der Bereich Struktur und Funktion soll die Fähigkeit der Schüler schulen, Strukturen zu erfassen, zu ordnen und wieder zu erkennen, wodurch die Grundlage für das Erkennen von Funktion von Biosystemen geschafft werden soll (KMK, 2004a, S. 9).

Die drei Basiskonzepte System, Entwicklung und Struktur und Funktion sind eng miteinander verknüpft, wodurch jedes Konzept in ein anderes greift. Der Kompetenzbereich Fachwissen ist durch die KMK übersichtlich aufgearbeitet worden, wodurch es dem Lehrer leichter fällt, seinen Unterrichtsinhalt auf Erfüllung der Standards zu überprüfen. In der nachfolgenden Tabelle wird das konkrete Anforderungsprofil des Kompetenzbereiches „Fachwissen“ dargestellt und in die Standards aufgeschlüsselt:

3 TH ^{HE EO OR RE ET TI IS SC CH HE ER R} H HI ^{IN NT TE ER RG GR RU UN ND D} - - B BE ^{ES SC CH HL LÜ ÜS SS SE E} D KM MK K SE ^{EI IT TE E} 7 7 3 T ^{DE ER R} K S

Tab. 1: Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen

Lebewesen, biologische Phänomene, Begriffe, Prinzipien und Fakten kennen

und den Basiskonzepten zuordnen (KMK, 2004a, S. 13).

Mit Hilfe der oben aufgeführten Tabelle wird es dem Lehrer ermöglicht, seinen Unterricht durch Betrachtung einzelner Standards in den Bereich Fachwissen

3 TH ^{HE EO OR RE ET TI IS SC CH HE ER R} H HI ^{IN NT TE ER RG GR RU UN ND D} - - B BE ^{ES SC CH HL LÜ ÜS SS SE E} D KM MK K SE ^{EI IT TE E} 8 8 3 T ^{DE ER R} K S

einzuordnen. Bis zum Ende der 10. Klasse soll der gesamte Kompetenzbereich des Fachswissens von den Schülern beherrscht werden, damit die Schüler eine Grundlage für die Wissenschaft der Biologie besitzen. Die Kompetenz Fachwissen wird auch in den nachfolgenden Kompetenzbereichen als Grundlage gefordert.

3.1.2.2 Erkenntnisgewinnung

Mit diesem Kompetenzbereich soll der Schüler Wege der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung kennen lernen. Konkret bedeutet dies ein hypothesengeleitetes Arbeiten.

Die Schüler werden hierbei lernen, in drei Schritten zu arbeiten:

1. Formulieren einer Fragestellung und Bildung einer oder mehrerer Hypothesen aus einer biologischen Problemstellung.

2. Hypothesengeleitetes planen und durchführen einer Beobachtung,

3. Auswerten der gesammelten Daten und Interpretation der Ergebnisse hinsichtlich der Hypothesen.

Des Weiteren sollen die Schüler die Kompetenz besitzen, Modelle anzuwenden und Modelle eigenständig anzufertigen. Ein Modell wird hierbei als eine vereinfachte Darstellungsmöglichkeit eines komplexen Phänomens definiert (KMK, 2004a, S. 10) und ermöglicht den Schülern die wesentlichen Eigenschaften des Realobjektes in einem Blick zu haben und damit zu arbeiten. Auch in diesem Kompetenzbereich wird dem Lehrer eine Auflistung von Standards gegeben, die es ihm ermöglichen soll, seinen Lehrinhalt einzuordnen. Die folgende Tabelle 2 soll hierzu Aufschluss geben: Tab. 2: Standards für den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung

Beobachten, Vergleichen, Experimentieren, Modelle nutzen und

Arbeitstechniken anwenden (KMK, 2004a, S. 14).

3 TH ^{HE EO OR RE ET TI IS SC CH HE ER R} H HI ^{IN NT TE ER RG GR RU UN ND D} - - B BE ^{ES SC CH HL LÜ ÜS SS SE E} D KM MK K SE ^{EI IT TE E} 9 9 3 T ^{DE ER R} K S

Der Lehrer kann sich in diesen Standards im Sinne eines differenzierten Unterrichts bedienen, wobei die Reihenfolge freigestellt ist. Die Schüler sollen bis zum Abschluss der 10. Klasse die Kompetenz der Erkenntnisgewinnung vermittelt bekommen haben und somit alle Standards aus diesem Kompetenzbereich beherrschen.

3.1.2.3 Kommunikation

Die Kommunikationskompetenz ist als fächerübergreifendes Gebiet der Auseinandersetzung mit der Umwelt auch in der Biologie ein wichtiges Mittel im Umgang mit biologischen Phänomenen. Zwei Richtungen können hierbei unterschieden werden:

1. Output, als Möglichkeit Informationen weiter zu geben.

2. Input, als Möglichkeit, Informationen aufzunehmen. Im Fachbereich der Biologie sind Output und Input durch die Nutzung von Medien, wie Folien, Film, Audio, Buch, Zeitschrift, Internet, Animation, Simulation, Software, Spiele und auch durch Expertenbefragung, möglich (KMK, 2004a, S. 11). Diese Medien sollen den Schülern als solche näher gebracht werden, um biologisch relevante Informationen zu bekommen (Input) oder weiter zu geben (Output).

3 TH ^{HE EO OR RE ET TI IS SC CH HE ER R} H HI ^{IN NT TE ER RG GR RU UN ND D} - - B BE ^{ES SC CH HL LÜ ÜS SS SE E} D KM MK K SE ^{EI IT TE E} 1 10 0 3 T ^{DE ER R} K S

Die Kommunikationskompetenz soll durch beherrschen der biologischen Fachsprache erweitert werden, wodurch den Schülern der Weg zur Diskursfähigkeit im Kontext der Biologie zugänglicher werden soll. Welche Standards hierzu konkret gefordert werden, zeigt die Tabelle 3. Tab. 3: Standards für den Kompetenzbereich Kommunikation

Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen (KMK,

2004a, S. 14)

Es wird also nach Abschluss der 10. Klasse verlangt, dass sich die Edukanten mit Informationsquellen biologischer Natur auseinander setzen können. So wird auch die Fähigkeit abverlangt, Kernaussagen aus Tabellen und Abbildungen zu erkennen und mit diesen Erkenntnissen auch zu arbeiten. Die Fähigkeit sich selbst im biologischen Kontext mitzuteilen ist im Sinne der Kommunikation ebenso gefordert und verlangt mit der Mittleren Reife die Beherrschung dieser Kompetenz.

3.1.2.4 Bewertung

Die Ziele dieses Kompetenzbereiches steuern auf eine Diskursfähigkeit der Schüler hin. Ethische Fragestellungen spielen hierbei eine wichtige Rolle. Den Schülern soll die Fähigkeit vermittelt werden, Handlungsmöglichkeiten mit ethischen Werten in Beziehung setzen zu können. Hierbei soll der Schüler eine

3 TH ^{HE EO OR RE ET TI IS SC CH HE ER R} H HI ^{IN NT TE ER RG GR RU UN ND D} - - B BE ^{ES SC CH HL LÜ ÜS SS SE E} D KM MK K SE ^{EI IT TE E} 1 11 1 3 T ^{DE ER R} K S

Urteilsfähigkeit entwickeln, um sich mit anderen Menschen im Diskurs zu verständigen.

Es wird ebenso eine Methode zur Diskursfähigkeit vermittelt, dass zunächst das Problem zu erschließen fordert, um anschließend den dadurch berührten Konflikt festzustellen. Eine hier anschließende Diskussion dient zum sammeln von Perspektiven anderer Teilnehmer, in die es sich hinein zu versetzen gilt, damit man die Perspektive des Gegenüber richtig versteht. Das Ende eines Diskurses im ethischen Bereich bietet meist nicht nur eine Lösungsmöglichkeit eines Sachverhaltes an. Die Schüler sollen somit auch lernen, dass es viele ethisch begründbare Meinungen geben kann und es damit auch umzugehen gilt. Die Natur soll von den Schülern an Wertschätzung gewinnen und als intakte Natur dem Menschen dienen. Hierbei soll systemisch darauf hingearbeitet werden, dass es nicht nur wegen des Menschen Sinn macht eine intakte Natur zu haben, sondern auch ein Nutzen für andere Lebewesen durch eine intakte Natur vorhanden ist.

Die Kultusministerkonferenz stellt zu dem Kompetenzbereich der Bewertung Standards auf, die in der Tabelle 4 aufgelistet sind. Tab. 4: Standards für den Kompetenzbereich Bewertung

Biologische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und Bewerten

(KMK, 2004a, S. 15).

Das basale und vernetzte Fachwissen (siehe Kapitel 3.1.2.1, S. 5) ist in diesem Kompetenzbereich dabei die Grundlage der Diskursfähigkeit. Der Bereich Kommunikation spielt eine ebenso wichtige Rolle, wenn es um Informationsaustausch geht.

3 TH ^{HE EO OR RE ET TI IS SC CH HE ER R} H HI ^{IN NT TE ER RG GR RU UN ND D} - - B BE ^{ES SC CH HL LÜ ÜS SS SE E} D KM MK K SE ^{EI IT TE E} 1 12 2 3 T ^{DE ER R} K S

Die Bewertungskompetenz ist somit ein Kompetenzbereich, das die anderen Kompetenzbereiche Fachwissen und Kommunikation als Grundlage fordert. Mit Abschluss der 10. Klasse sollen auch diese Standards der Tabelle 4 den Schülern vermittelt worden sein.

Die Kompetenzbereiche Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung repräsentieren vornehmlich Handlungsdimensionen. Diese Handlungsdimension bezieht sich auf grundlegende Elemente der facettenreichen

naturwissenschaftlichen Arbeitsweise im Fach Biologie und bildet die Schüler somit zu einer Fähigkeit hin aus, sich handelnd und kritisch mit den Fachbereichen der Biologie auseinanderzusetzen. Das Experiment kann unter anderem der Handlungsdimension zugeordnet werden. Das Experiment im speziellen ist hierbei ein Lernziel, der die erkenntnistheoretische Arbeitsweise eines Naturwissenschaftlers aufzeigt und auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden kann. Im nachfolgenden Kapitel 4 wird explizit auf das Experimentieren eingegangen.

4 EX ^{XP PE ER RI IM ME EN NT TE E} I BI ^{IO OL LO OG GI IE EU UN NT TE ER RR RI IC CH HT T} - - E EX ^{XP PE ER RI IM ME EN NT TI IE ER RW WE EI IS SE EN N} SE ^{EI IT TE E} 1 13 3 4 E ^{IM M} B S

4 Experimente im Biologieunterricht

Der Grad der wahrgenommenen Selbstbestimmung beeinflusst die Motivation von Menschen (KRAPP, WEIDENMANN, 2001, S. 232). Einhergehend mit der Motivation verbessert sich proportional auch die Effektivität des Lernens (KRAPP, WEIDENMANN, 2001, S. 223f). Je höher die Motivationsstufe des Lernenden ist, desto höher ist auch sein Lernerfolg. Das Experiment im Schulunterricht könnte somit durch die aktive Teilnahme des Schülers am Lernstoff eine wahrgenommene Selbstbestimmung vermitteln. Dadurch, dass der Lernende aktiv in das Geschehen eingreifen kann, beherrscht er sozusagen das ihm vorgesetzte System. Der Edukant kann durch seine Einflussnahme an Variablen im Experiment gezielt Effekte hervorrufen, die ihn bei der Auswertung weiterbringen. Die hierdurch erlebte Selbstbestimmung würde nun zu einer höheren Motivation und somit zu einem verbesserten Lerneffekt beitragen.

Das Experiment im Schulunterricht war somit auch schon ein wesentlicher Bestandteil bestehender Lehrpläne vor Einführung der Bildungsstandards (siehe Lehrplan des Landes Schleswig - Holstein).

Der verstärkte Einsatz von Experimenten mit Selbstbeteiligung der Schüler ist auch in konstruktivistischer Hinsicht ein empfohlenes didaktisches Mittel, um Schüler zu Wissen heranzuführen (WERNING, 1998, S. 39f). Denn durch die eigene Erforschung der Thematik arbeiten die Schüler elaborierter und können dadurch einen größeren Lernerfolg haben.

4.1 Experimentieren im Biologieunterricht

Das Experimentieren in der Wissenschaft ist eine elementare Methode, um Erkenntnisse zu gewinnen (WILD, 1999, S. 8). Dabei trägt es dem stetig wachsenden Wissensstand der Biologie bei.

Die Schule bekommt die Aufgabe, die Schüler im Umgang mit der Wissenschaft auszubilden. Die Schüler sollen den Sinn der Wissenschaft in der Gesellschaft erkennen, aber auch deren Vorgehen kritisch bewerten können (KLAFKI, 1996, S. 162ff). Experimente im Schulunterricht haben die konkrete Aufgabe, Schülern die wissenschaftliche Weise Erkenntnisse zu gewinnen zu verdeutlichen.

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Jedoch nicht nur der Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung, sondern auch die Kompetenzbereiche Fachwissen, Kommunikation und Bewerten können durch ein Experiment vermittelt werden (KMK, 2004a, S. 7). Durch Experimente soll dem Lerner im Bezug zum Kompetenzbereich der Erkenntnisgewinnung aufgezeigt werden, dass der Biologe Hypothetisch -Deduktiv vorgeht, um zu Erkenntnissen zu gelangen (DUIT, 2003, S. 5). Die Abbildung 1 zeigt schematisch das Vorgehen eines Wissenschaftlers, um eine Hypothese zu bekräftigen oder zu verwerfen.

durch weitere Testmaßnahmen zu einem Gesetz umformuliert werden kann. Das Experiment ist somit der Kern der Falsifikation oder Verifikation (KLAUTKE, 1990).

Im Durchführen der Experimente liegt ein weiterer Vorteil für den Schüler. Durch das Ausführen von Experimenten erfährt der Schüler zugleich den

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Umgang mit wissenschaftlichen Hilfsmitteln. Auch das Erlernen von Vorsichtsmaßnahmen und Verhaltensregeln fordert von dem Schüler ein aufmerksames und konzentriertes Arbeiten, was dem Lernerfolg zugute kommen kann, denn eine intensive Beschäftigung mit dem Lernstoff führt zu einem besseren Behalten des Lerninhaltes (KRAPP, WEIDENMANN, 2001, S. 250). Welche Rolle insbesondere dem experimentieren in der Biologie zukommt, wird ersichtlich, wenn man sich vor Augen führt, dass biologische Experimente Systemebenen besitzen, die in anderen Fächern wie Physik oder Chemie nicht vorhanden sind. So sind Organisationsebenen wie der „Organismus“ oder das „Ökosystem“ dem Fach Biologie inhärent, wodurch die Biologie zu einer Erweiterung der systemischen Denkweise beiträgt (WILD, 1999, S. 8). Die Organisation biologischer Systeme findet auf mehreren Strukturebenen statt, die nach WILD eine eigenständige „biologisch-experimentelle Erfahrung“ erfordert. Die Biologie kann somit durch ihre Experimente zur Kompetenzentwicklung der Schüler im Bereich der Erkenntnisgewinnung entscheidend beitragen.

4.2 Die Vielfalt des Experimentierens - Experimentierweisen

Besonders Experimente im Schulunterricht können vielseitig vom Lehrer eingesetzt werden. Unterschiedliche Problemfelder erfordern ebenso unterschiedlich konstruierte Versuche.

Folgende Experimentierweisen können im Unterricht benutzt werden (nach WILD, 1999, S. 9f):

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Zu 1. Langzeit- / Kurzzeitexperimente

Diese nach dem Zeitaufwand unterschiedenen Experimentierweisen finden in der Biologie in ausgewogenem Verhältnis statt. Während die Experimente der Chemie und der Physik zum größten Teil nur Kurzzeitexperimente bieten, werden in der Biologie, aufgrund der Verwendung von lebenden und damit zeitintensiven Untersuchungsmaterialien, Langzeitexperimente durchgeführt, die dann Stunde für Stunde wie ein roter Faden den Unterricht begleiten und den Schülern ihre Neugier weckt, wie denn die Situation in der nächsten Stunde aussehen mag. Zu 2. Lehrerversuche

Lehrerversuche werden häufig als einführende Experimente verwendet, um zu einem neuen Thema überzugehen oder auch um einfach nur ein Phänomen der Natur zu zeigen um im Nachhinein darauf einzugehen

(Demonstrationsversuche). Aber auch Versuche, die eine zu hohe Gefahr für die Eigenausführung der Schüler bieten würden, werden vom Lehrer auf sichere Weise durchgeführt.

Zu 3. Schülerversuche (Einzelplatz- und Gruppenversuche) Schülerversuche können in Gruppenarbeit oder auch an Einzelplätzen durchgeführt werden. Diese Art des Experimentierens ist von Lehrern vorzuziehen, solange es keinen schwerwiegenden Grund dafür gibt, einen Schülerversuch zu vermeiden. Gründe können teure Instrumente sein oder auch der zu große Arbeitsaufwand, der Umgang mit Gefahrenstoffen oder Versuche an lebenden Tieren.

Die Wichtigkeit der Schülerversuche könnten dabei in der Möglichkeit liegen, die Schüler direkt am Lerninhalt teilnehmen zu lassen und dadurch die Lernmotivation zu erhöhen. Zu 4. Bestätigendes Experiment

Dieses Experiment dient dazu, bestehendes Wissen zu bestätigen und zu festigen. Es werden bekannte Sachverhalte veranschaulicht und dem Schüler elaborativ zugänglicher gemacht.

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Zu 5. Einführendes Experiment

Dieser Versuch dient dem Einstieg in eine neue Fragestellung und ist für die Schüler ein Denkanstoß und eine Motivation, sich mit dem neuen Sachverhalt auseinander zu setzen. Es können einfache Schülerversuche oder auch Lehrerversuche zu diesem Zweck herangezogen werden. Zu 6. Entdeckendes Experiment

Mit dem entdeckenden Experiment soll eine wissenschaftliche Vorgehensweise verdeutlicht werden. Eine Hypothese über eine Fragestellung soll durch ein Experiment bestätigt oder verworfen werden. Hierbei werden neue Wissensstände angestrebt.

Allen Experimenten ist aber die Aufforderung gleich, den Versuchsverlauf zu protokollieren. Hierbei kann wieder in Gruppen oder alleine gearbeitet werden und im erweiterten Aufgabenfeld das Protokoll samt Ergebnissen in der Klasse vorgetragen werden, wodurch dem Kompetenzbereich „Kommunikation“ (s. Kap. 3.1.2.3) beigetragen wird.

Des Weiteren kann ein Experiment qualitativer oder quantitativer Natur sein. Der Unterschied liegt in der Art der Datenerhebung. Quantitative Messverfahren verwenden dabei zahlenmäßig erfassbare Abstufungen, die auf statistische Weise zur Datenerhebung verwendet werden. Die qualitative Methode lässt im allgemeinem nur eine Ja - Nein - Antwort zu und ist in der Regel leichter von den Schülern zu bewältigen (WILD, 1999, S. 9).

Dem Lehrer sind somit viele Möglichkeiten geboten, den Schülern biologische Sachverhalte durch Experimente näher zu bringen und gleichzeitig den Schülern die in den Standards geforderten Kompetenzen zu vermitteln.