BOTANISCHES INSTITUT

und

IPN ­ LEIBNIZ-INSTITUT FÜR DIE

PÄDAGOGIK DER NATURWISSENSCHAFTEN

an der Universität Kiel

W i s s e n s c h a f t l i c h e A r b e i t

zur

e r s t e n S t a a t s p r ü f u n g

f ü r d a s L e h r a m t a n G y m n a s i e n

Pflanzenbiologische Experimente im Biologieunterricht der

SEK I zur Implementation der Bildungsstandards

vorgelegt von: Ilkin Özdemir

HEIDE, 2007

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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.

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INHALTSVERZEICHNIS

II

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

---

INHALTSVERZEICHNIS

III

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

---

INHALTSVERZEICHNIS

IV

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

---

INHALTSVERZEICHNIS

V

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 ZUSAMMENFASSUNG

SEITE 1

1 Zusammenfassung

Diese Studie beschäftigt sich mit der Implementation der Bildungsstandards für

das Fach Biologie durch pflanzenphysiologische Experimente1. 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 Schülern2 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.

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2 EINLEITUNG ­ ANLIEGEN DER ARBEIT

SEITE 2

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. 7

f

). 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. 19

ff

).

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.

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2 EINLEITUNG ­ AUFBAU DER ARBEIT

SEITE 3

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.

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3 THEORETISCHER HINTERGRUND ­ BESCHLÜSSE DER KMK SEITE 4

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 (

T

hird

I

nternational

M

athematics and

S

cience

S

tudy), PISA (

P

rogramme for

I

nternational

S

tudent

A

ssessment) und

IGLU (

I

nternationale

G

rundschul ­

L

ese ­

U

ntersuchung), 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.

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