Wissenschaftliche Hausarbeit für das Lehramt an Gymnasien eingereicht dem Amt für Lehrerbildung - Erste Staatsprüfungen -
Institut: Institut für Didaktik der Biologie

Experimente im Gentechnikunterricht der Sekundarstufe II - Selbsteinschätzung und reeller Lernzuwachs der Schülerinnen und Schüler eines Biologie-Leistungskurses der Jahrgangsstufe 12

vorgelegt von: Katrin Zielina
2005

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ... 4

2. Sachanalyse
2.1. Definition und Möglichkeiten von Gentechnik ... 7
2.2. Theorie zu Versuch ... 1
2.2.1. Aufbau der DNA ...11
2.2.2. Replikation von DNA ...14
2.2.3. Isolation von DNA aus eukaryontischen Zellen ...16
2.3. Theorie zu Versuch 2
2.3.1. Das Bakterium Escherichia coli ... 17
2.3.2. Proteinbiosynthese ... 17
2.3.3. Das Operon-Modell ... 21
2.3.4. Regulation des Lactoseabbaus bei Escherichia coli ... 23
2.4. Theorie zu Versuch 3
2.4.1. Enzymatik ... 24
2.4.2. Restriktionsendonucleasen ... 25
2.4.3. Gelelektrophoretische Auftrennung der DNA ... 26
2.4.4. Der Bakteriophage Lambda ... 27
2.4.5. Restriktion und Gelelektrophorese von Phagen-DNA ... 27

3. Didaktische Analyse
3.1. Funktion und Lehrziele von (gentechnischen) Experimenten im Biologieunterricht ... 29
3.2. Die Begriffe „Interesse“ und „Motivation ... 35
3.3. Charakterisierung der Lerngruppe ... 37
3.4. Bezug zum hessischen Lehrplan ... 38
3.5. Einordnung in die aktuelle Unterrichtsreihe ... 39
3.6. Referenzkriterien ... 40
3.7. Tabellarische Übersicht des geplanten Unterrichtsverlaufes ... 43

4. Methodische Analyse
4.1. Ziel der Evaluation ... 46
4.2. Verfahren der Datenerhebung ... 47
4.2.1. Testgütekriterien ... 49
4.2.2. Fragebogen und Stichprobe ... 50
4.3. Auswertungsmethoden ... 64
4.3.1. Quantitative Auswertung der geschlossenen Items ... 64
4.3.2. Qualitative Auswertung der offenen Items ... 65
4.3.3. Auswertung der vor- und fachwissenbezogenen Items ... 65

5. Ergebnisse
5.1. Ergebnisse der quantitativen Items ... 67
5.2. Ergebnisse der qualitativen Items ... 79
5.3. Ergebnisse der vor- und fachwissenbezogenen Items ... 87

6. Diskussion und Reflexion
6.1. Interpretation und Diskussion der Ergebnisse der Untersuchung ... 91
6.2. Reflexion der Experimente ... 102

7. Zusammenfassung ... 106

8. Literaturverzeichnis ... 107

9. Abbildungsverzeichnis ... 112

Anhang

1. Einleitung

In den folgenden Absätzen werden zunächst der Gegenstand der Arbeit sowie der Hintergrund der Fragestellung erläutert. Anschließend wird die Fragestellung selbst geklärt. Außerdem werden die Inhalte der einzelnen Kapitel kurz zusammengefasst.

Das Experiment ist zweifelsohne die Methode des naturwissenschaftlichen Unterrichts. In den Fächern Physik und Chemie ist der Stellenwert des Experiments verhältnismäßig hoch, wohingegen es im Fach Biologie im täglichen Unterrichtsgeschehen immer noch zu wenig Beachtung findet. Die Oberstufe und insbesondere der Leistungskurs sollen auf das spätere Hochschulstudium vorbereiten, daher ist es unumgänglich, die Schüler¹ von Anfang an mit den Methoden der Wissenschaft vertraut zu machen. Die Oberstufe soll jedoch nicht ausschließlich in fachwissenschaftlicher Hinsicht auf das Universitätsstudium vorbereiten, sondern die Schüler zu selbstständigem Denken und Handeln erziehen.
Durch die Einführung von Bildungsstandards und einheitlichen Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung in Hessen nimmt die Forderung nach Methodenkompetenz und Selbstständigkeit der Schüler stetig zu. Im Gegensatz zum Grundkurs sollen die Schüler eines Leistungskurses die biologischen Sachverhalte verstärkt anhand von Experimenten oder anderen praktischen Übungen erlernen und die Aufgaben möglichst selbstständig bearbeiten.²
Kaum ein anderes Themengebiet eignet sich besser, die Schüler zu selbstständig denkenden Persönlichkeiten zu erziehen als die Genetik. Dank der extremen Medienpräsenz und der intensiven politischen Diskussion über molekulargenetische Arbeitsmethoden werden die Schüler immer wieder mit dem Thema Gentechnik konfrontiert. Eine Stellungnahme zu Themen wie die Entschlüsselung des menschlichen Genoms oder DNA-Fingerprinting in der Kriminalistik ist jedoch kaum möglich ohne ein fundiertes Basiswissen, zu welchem zweifelsohne auch Kenntnisse über die entscheidenden Methoden der Molekulargenetik zählen. Viele der gentechnischen Methoden lassen sich nur unter hohem finanziellen, zeitlichen und technischen Aufwand durchführen, so dass in der Schule nur sehr selten entsprechende Experimente durchgeführt werden. Es existieren dennoch einige einfache Modellversuche, welche den Schülern in relativ wenigen Schulstunden die Methoden und Grundlagen der Gentechnik vermitteln können.
Ziel dieser Arbeit ist es, drei verschiedene Experimente zur Gentechnik auf ihre Effektivität bezüglich des Lernzuwachses³ zu prüfen. Diese drei Experimente sind:

• Isolation von DNA aus Zwiebeln / Tomaten / Bananen
• Regulation des Lactoseabbaus bei Escherichia coli
• Restriktion und Gelelektrophorese von Lambda-Phagen-DNA

Die zugrunde liegende Frage ist, ob die entsprechenden biologischen Sachinhalte und Methoden der Gentechnik durch Experimente von den Schülern besser verstanden werden als dies durch den rein theoretischen Unterricht möglich wäre. Die Experimente wurden zuvor an einem Wiesbadener Gymnasium in einem Biologie-Leistungskurs der Jahrgangsstufe 12 durchgeführt. Unmittelbar vor und nach den Experimenten wurde der Wissensstand der Schüler durch eine Befragung ermittelt. Als Methode der Befragung wurde ein selbst erstellter Fragebogen verwendet. Anhand der Befragung sollte festgestellt werden, ob der Wissensstand durch die Experimente erweitert werden konnte. Weiterhin sollten die Schüler in der Befragung ihre eigenen Lernfortschritte und ihren Lernzuwachs einschätzen, da die Selbsteinschätzung ein wichtiger Bestandteil des selbstständigen Denkens ist. Anhand dieser Arbeit soll erforscht werden, inwieweit diese Fertigkeit bei den Schülern vorhanden ist. Die Ergebnisse bezüglich des Lernfortschrittes und der Selbsteinschätzung wurden zusätzlich auf geschlechts-spezifische Unterschiede untersucht. Letztlich wurden durch die Befragung auch Vorschläge zur Verbesserung der Experimente ermittelt. Anhand der Verbesserungsvorschläge der Schüler kann der Biologieunterricht für die Schüler attraktiver und erfolgreicher gestaltet werden.
Im folgenden Kapitel, die Sachanalyse, werden zunächst die theoretischen Sachinhalte beschrieben, die für die Durchführung und für das Verständnis der Versuche notwendig sind. Anschließend werden alle drei Versuche genauer sowie deren erwartetes Ergebnis dargestellt. Im darauf folgenden Kapitel, die didaktische Analyse, wird zunächst der Stellenwert von gentechnischen Experimenten im Biologieunterricht erörtert und anschließend folgt die methodische Ausarbeitung der Unterrichtseinheit. Diese beinhaltet die Charakterisierung der Lerngruppe, den Lehrplanbezug sowie die Einordnung in die aktuelle Unterrichtsreihe. Anschließend werden die Experimente in Bezug auf die Fach-, Schüler- und Gesellschaftsrelevanz erläutert und die Lehrziele definiert. Weiterhin werden in Kapitel drei die Inhalte der einzelnen Stunden strukturiert und eine tabellarische Übersicht über den geplanten Verlauf der Stunden aufgestellt.
Kapitel vier behandelt die methodische Analyse, wobei zunächst das Ziel der Evaluation geklärt wird. Anschließend wird die Verfahrensweise der Untersuchung beschrieben. In diesem Abschnitt folgen außerdem die Konstruktion des Fragebogens sowie die Auswahl der Items. Der nächste Abschnitt des vierten Kapitels führt die Auswertungsmethoden der Befragung aus, wobei zwischen quantitativer Auswertung der geschlossenen Items, qualitativer Auswertung der offenen Items sowie der Auswertung der vor- und fachwissenbezogenen Items unterschieden wird.
Im fünften Kapitel werden die Ergebnisse der Untersuchung offen gelegt, wobei auch hier zwischen qualitativen, quantitativen und vor- und fachwissenbezogenen Items differenziert wird. In Kapitel sechs werden die Ergebnisse interpretiert. Hier werden auch die Versuchsergebnisse vorgestellt, wobei auch darauf eingegangen wird, welche Schwierigkeiten sich bei der Planung und Durchführung der Experimente ergeben haben und ob diese für die Schule empfehlenswert sind oder nicht.. In Kapitel sieben findet die Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse statt.

2. Sachanalyse

Im folgenden Teil werden die Gentechnik an sich sowie die gängigen Methoden und Analyseverfahren beschrieben. Zusätzlich werden die theoretischen Sachinhalte dargestellt, auf welchen die drei Schulversuche basieren. Nach der Darstellung der Sachinhalte folgt die Beschreibung der Experimente mit Durchführung und erwarteten Ergebnissen.

[...]

1 In der gesamten Arbeit schließt die männliche Form „Schüler“ auch die weibliche Form mit ein, sofern dies nicht anders gekennzeichnet ist.
2 vgl. Beschluss der Kultusministerkonferenz. EPA, S. 9.
3 Die Begriffe „Lernzuwachs“ und „Wissenszuwachs“ werden in der Arbeit synonym verwendet.