Lernen durch Experimente. Interaktionsboxen im Biologieunterricht

Inhalt

1. Einleitung

2. Sachanalyse
2.1. Erkenntnisgewinnung
2.1.1. Hypothesen
2.1.2. Experimentieren

3. Rahmenlehrplanbezug

4. Schülervorstellungen
4.1. Bedeutung von Schülervorstellungen für den Biologieunterricht

5. Forscherboxen im Unterricht
5.1. Was ist das?
5.2. Elemente der Forscherbox
5.3. Beispiel einer Forscherbox - Der Senfsamenkeimungswettbewerb
5.4. Was muss beachtet werden - Anregungen zum Nachdenken
5.4.1. Vorbereitung
5.4.2. Durchführung
5.4.3. Nachbereitung

6. Reflexion des Einsatzes der Interaktionsbox in der Seminarsitzung

7. Weiterführende Literatur

8. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

„Beim Lernen konstruiert jede/r Einzelne ein für sich selbst bedeutsames Abbild der Wirklichkeit auf der Grundlage ihres/seines individuellen Wissens und Könnens sowie ihrer/seiner Erfahrungen und Einstellungen.“ (RLP, Sek. I, S.6)

Genau in dieser Tatsache liegt die Forderung begründet, dass Schüler und Schülerinnen bewusst ihre Lernprozesse wahrnehmen, steuern, reflektieren und aufgrund von selbstständigen Entscheidungen Lösungen entwickeln bzw. Lernhandlungen ausführen sollen, da dadurch ihr Wissen und Können individuell gefördert wird, was wiederum großen Einfluss auf die Konstruktion ihrer Wirklichkeit hat.

All diesen Forderungen kann mit dem Einsatz von Interaktions- bzw. Forscherboxen nachgegangen werden. Sie ermöglichen einen handlungsorientierten Unterricht, in dem Schüler und Schülerinnen auf der Grundlage ihres Wissens und Könnens ihre eigenen Entscheidungen treffen, um eine Problemstellung in kooperativen Lerngruppen selbstständig und naturwissenschaftlich zu durchdenken und zu lösen. Diese selbstbestimmten Erfahrungen und Erlebnisse können Neugier und Interesse für den Lerngegenstand oder das Thema wecken und begünstigen ein längeres Behalten des Wissens.

Laut Hilbert Meyer ist handlungsorientierter Unterricht ein „ganzheitlicher und schüleraktiver Unterricht, in dem die zwischen dem Lehrer und den Schülern vereinbarten Handlungsprodukte die Organisation des Unterrichtsprozesses leiten, so daß Kopf- und Handarbeit der Schüler in ein ausgewogenes Verhältnis zueinander gebracht werden können“ (H. Meyer, 2007 , S. 402). Durch das Aktivwerden und Handeln der Schüler und Schülerinnen werden Kopf und Hand miteinander verbunden und ein ganzheitliches Lernen kann stattfinden. Das Autonomieerleben, welches durch das eigenständige Handeln gegeben ist, wirkt sich positiv auf die Motivation der Schüler aus, da sich die Schüler eher mit dem Unterricht identifizieren können (Mayer, 2007). Das Üben der Selbstbestimmten Handlungen ist wichtig zu üben, um die Schüler und Schülerinnen in der Schule auf ein kompetentes selbstständiges Verhalten in zukünftigen Berufen oder Ausbildungen vorzubereiten.

Interaktionsboxen sind so konzipiert, dass eine Problemstellung gegeben ist, die eigenständig von den Schülergruppen gelöst werden soll, indem sie ihr dazu passendes Vorwissen aktivieren, versuchen Erklärungen zu finden, sich austauschen und ihre Vermutungen in Hypothesen formulieren. Um die Hypothesen zu überprüfen müssen sich die SuS selbstständig, mithilfe der gegebenen Materialien in den jeweiligen Boxen, einen Versuchsaufbau überlegen und diesen durchführen und auswerten. Die beiden naturwissenschaftlichen „Königsdisziplinen“ der Biologie, Hypothesen formulieren und Experimentieren, werden also mithilfe der Interaktionsboxen handlungsorientiert gefordert und gefördert. Generell das empirische biologische Vorgehen - Problemstellung, Untersuchungsplanung, Durchführung, Dokumentation und Auswertung - welches wichtiger Aspekte der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung ist, wird trainiert. Daher sollten Interaktionsboxen, trotz eines hohen Vorbereitungsaufwandes für den Lehrer, ihre Anwendung im Biologieunterricht finden.

Der vorliegende Bericht dient als Handreichung für Referendare, die gern Forscherboxen in ihrem Unterricht verwenden möchten und Anregungen oder Hinweise bzgl. des Einsatzes der Boxen suchen. Eine im Seminar angewendete Box Samen keimen um die Wette wird genauer vorgestellt, auf weitere Boxen wird in der weiterführenden Literatur hingewiesen.

2. Sachanalyse

2.1. Erkenntnisgewinnung

Im Biologieunterricht sind Kompetenzen als die Ziele von Bildung zu verstehen. Als eine Kompetenz bezeichnet man die Befähigung und Motivation einer Person, bestimmte Probleme zu lösen und die Problemlösungen in variablen Situationen erfolgreich und verantwortungsvoll zu nutzen (Groppengießer, Harms, & Kattmann, 2013, S. 188). Dabei stützt sich eine Kompetenz nicht nur auf die erlernten kognitiven Fähigkeiten einer Person, sondern zusätzlich auch auf die motivationale und soziale Bereitschaft einer Person zu Handeln. Sie zielt damit also nicht auf das Wissen ab, sondern direkt auf das Können. Somit erhält das Wissen eine funktionale Bedeutung für die Befähigung , in verschiedenen Situationen kompetent handeln zu können (Groppengießer, Harms, & Kattmann, 2013, S. 188).

Im Biologieunterricht unterscheidet man vier verschiedene Kompetenzbereiche. Dabei handelt es sich um Fachwissen (Lebewesen, biologische Phänomene, Begriffe, Prinzipien), Kommunikation (Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen), Bewertung (biologische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten) und letztlich die Erkenntnisgewinnung (Beobachten, Vergleichen, Experimentieren, Modelle nutzen und Arbeitstechniken anwenden) (Groppengießer, Harms, & Kattmann, 2013, S. 189). Mit den Interaktionsboxen lässt sich die Kompetenz Erkenntnisgewinnung sehr gut fördern, weshalb wir diese Kompetenz im Detail weiter erläutern möchten.

Das Erlernen der Kompetenz Erkenntnisgewinnung schafft bei SuS einerseits die entscheidenden Voraussetzungen für die eigenständige und fachmethodische Erarbeitung neuer Erkenntnisse in der Biologie, jedoch dient sie auch dazu, bei den SuS das kritische Hinterfragen der Möglichkeiten und Grenzen naturwissenschaftlicher Aussagen zu fördern (Senatsverwaltung für Bildung, 2006, S. VI). Es sollte darauf geachtet werden, dass SuS in ihrem Lernprozess möglichst oft den naturwissenschaftlichen Erkenntnisweg beschreiten. Damit ist gemeint, dass SuS ausgehend von einem Phänomen Problemstellungen ableiten, daraus Hypothesen bilden und dann mithilfe dieser Hypothese das Planen, Durchführen und Auswerten von Experimenten üben. Außerdem gehört natürlich auch das Erlernen vom bewussten Umgang mit Modellen und ihren Grenzen, sowie die Modellbildung an sich zu den Teildisziplinen der Kompetenz Erkenntnisgewinnung (Senatsverwaltung für Bildung, 2006, S. VI). Denn das Nutzen von Modellen zur Veranschaulichung von Struktur und Funktionen, erleichtert den Weg der Erkenntnisgewinnung. Aber auch die Bereiche Beobachten, Vergleichen und Mikroskopieren gehören zu den grundlegenden naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen die SuS erlernt haben sollten um im Bereich Erkenntnisgewinnung die benötigten Fähigkeiten zu haben (Senatsverwaltung für Bildung, 2006, S. 13). Wie zuvor schon erwähnt, lassen sich die von uns vorgestellten Interaktionsboxen gut zur Förderung der Erkenntnisgewinnung nutzen. Explizit eignen sie sich hervorragend zum Üben von der Planung, Durchführung und Auswertung eines Experiments. Deswegen wollen wir im Weiteren Verlauf das Experiment noch einmal genauer betrachten.

2.1.1. Hypothesen

Die Hypothese stellt die Basis des Experimentierens dar. Auf Grundlage der aufgestellten Hypothese wird das Experiment geplant und ausgelegt. Wenn das Experiment durchgeführt ist, werden die Daten hinsichtlich der Hypothese ausgewertet. Die Hypothese steht damit also zu Beginn des wissenschaftlichen Arbeitens, wie auch am Ende. Wird die Hypothese falsifiziert, muss sie abgeändert werden damit sie erneut überprüft werden kann. Da der Hypothese also ein sehr hoher Stellenwert im wissenschaftlichen Arbeiten zukommt, wollen wir auf die Hypothese an sich noch einmal genauer eingehen.

Selbst in der Antike wurde Phänomenen aufgrund einer Frage, also einer Hypothese, auf den Grund gegangen. So hat schon Platon in seinem Dialog „Phaidon“ geschrieben: „ Ich lege meiner Untersuchung immer eine Behauptung zugrunde, die ich für besonders stark halte; und das, von dem ich dann den Eindruck habe, dass es damit in Einklang steht, nenne ich wahr; was dagegen damit nicht in Einklang zu stehen scheint, nenne ich unwahr.“ Aus diesem Satz ist erkenntlich, dass die Hypothese zur Überprüfung eines Sachverhalts dient und uns damit eine Antwort auf ein Problem liefert. Wurde dies schon in der Antike so gemacht, ist es in der heutigen Zeit noch genauso.

Zu Beginn des naturwissenschaftlichen Forschens steht also die Hypothese. Diese wird jedoch nicht vollständig aus den persönlichen Vorerfahrungen gebildet, sondern hat vielmehr „stets einen spekulativen oder intuitiven Anteil“ (Groppengießer, Harms, & Kattmann, 2013, S. 71). Eine wissenschaftliche Hypothese ist also eine Annahme über einen bis dahin noch unbekannten Zusammenhang, der mit einem Experiment überprüft werden wird. Mithilfe der Hypothese lassen sich Ergebnisse von Beobachtungen und Experimenten vorhersagen und erklären. Hypothesen werden grundsätzlich so formuliert, dass sich aus ihr Prognosen überprüfen oder widerlegen lassen (Groppengießer, Harms, & Kattmann, 2013, S. 71). Es ist also wichtig, dass diese sehr klar und deutlich formuliert sind, um Fehler oder Widersprüche zu vermeiden.

Ist ein Experiment auf Basis der Hypothese durchgeführt worden, so werden die daraus gewonnen Daten ausgewertet. Dies geschieht immer im Hinblick auf die zuvor aufgestellte Hypothese. Letztendlich wird diese dann bestätigt oder widerlegt. Wird die Hypothese aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse widerlegt, so verwirft man sie, oder wandelt sie so ab, dass sie mit den Ergebnissen im Einklang steht und durch weitere Experimente überprüft werden kann (Groppengießer, Harms, & Kattmann, 2013, S. 71).

Zusammenfassend lässt sich zu Hypothesen sagen, dass sie begründete Annahmen zu einem bestimmten Phänomen sind, denen ein kausaler Zusammenhang oder eine Gesetzmäßigkeit zugrunde liegt, welchen es zu überprüfen gilt. Hypothesen sind grundsätzlich empirisch überprüfbar und in sich Widerspruchsfrei. Sie stehen am Beginn, sowie am Ende des wissenschaftlichen Forschens und das Aufstellen von Hypothesen sollte demnach schon frühzeitig im naturwissenschaftlichen Unterricht geübt werden, damit SuS sich ihrer Bedeutung bewusst sind und sie in der Lage sind, sie selbstständig aufzustellen und unter Umständen wieder umzuformulieren.

2.1.2. Experimentieren

Das Experimentieren hat in den Naturwissenschaften einen sehr hohen Stellenwert und gehört im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung zu den wichtigsten zu erlernenden Fähigkeiten. Es dient der methodisch kontrollierten Erkenntnisgewinnung und -prüfung (Schulz, Wirtz, & Starauschek, 2012, S. 15). „ Wesentliche Ziele beim Experimentieren in den naturwissenschaftlichen Fächern bestehen in der Vermittlung eines Verständnisses naturwissenschaftlicher Erkenntnis- und Arbeitsweisen und in der Förderung experimenteller Fähigkeiten “ (Welzel et al, 1998) . Die Förderung dieser experimentellen Fähigkeiten ist von großer Bedeutung da „ Verständnis experimentellen Arbeitens und naturwissenschaftlichen Argumentierens [in der Biologie] so gut wie nicht entwickelt “ Ist. „ Die Prinzipien selbst einfachster experimenteller Anordnungen verstehen bis zum Ende der 8. Klasse nach den Befunden von TIMSS nur etwa 10 bis 15 Prozent eines Jahrgangs “ (Baumert & Lehmann, 1997) . Aufgrund dieser Befunde versteht sich die dringende Notwendigkeit, die Kompetenzen beim Experimentieren verstärkt zu fördern, was sich mithilfe der Interaktionsboxen gut durchführen lässt.

Das Experimentieren lässt sich (nach Wirtz & Schulz, 2012, S. 67-69) in 4 große Phasen einteilen. Dabei beginnt ein Experiment mit der Theoriearbeit. Dies bedeutet, dass zu einem ausgewählten Forschungsstand die wesentlichen Komponenten und Wirkbeziehungen zu einem bestimmten Sachverhalt herausgearbeitet werden. Daraus wird eine Hypothese gebildet welche die Grundlage für das Experiment bildet, denn auf ihr basiert die weitere Planung. Die Planung eines Experiments beschreibt die zweite Phase. Es wird ein Untersuchungsplan entworfen, wobei durch die Veränderung der Variablen die Prüfung der zuvor aufgestellten Hypothese möglich ist. Randbedingungen müssen dabei konstant gehalten und überwacht werden. Außerdem ist eine angemessene Stichprobengröße zu beachten. Die dritte Phase ist die Durchführung des Untersuchungsplans. Hierbei wird überprüft, ob sich ein Effekt durch die Manipulation einer unabhängigen Variable erzeugen lässt. Durch Monitorstrategien erfolgt die Kontrolle der Randbedingungen. Während der Durchführungsphase wird eine rein deskriptive Beschreibung der Befunde angefertigt. Die letzte Phase eines Experiments ist die Datenauswertung und Generalisierung der Befunde. In dieser Phase werden die in der Durchführung gewonnenen Daten statistisch analysiert. Die Ergebnisse dienen als empirischer Indikator für die Annahme oder Zurückweisung der Ausgangshypothese. Zusätzlich wird eine kritische Reflektion über die Validität der Ergebnisse durchgeführt (Wirtz & Schulz, 2012, S. 67-69).

Um aus Experimenten einen Erkenntnisgewinn zu erhalten, muss den SuS Wissen und Verständnis über die Experimentelle Methode vermittelt werden. Dies lässt sich explizit durch Methodentraining erreichen, welches in unserem Falle direkt auf die Planung und Durchführung von naturwissenschaftlichen Experimenten abzielt. Denn wenn SuS einfach „drauf los“ experimentieren, so wird auf eine andere Art „experimentiert“ als es in den naturwissenschaftlichen Bereichen geschieht (Hammann & Mayer, Was lernen Schülerinnen und Schüler beim Experimentieren, 2012). Auffällig ist, dass SuS häufig versuchen bestimmte Effekte zu erzielen, anstatt die Ursachen dafür zu klären. Experimente werden oft so geplant, dass sich die Schülervorstellungen bestätigen (Hammann & Mayer, Was lernen Schülerinnen und Schüler beim Experimentieren, 2012). Desweiteren lässt sich zur Planung von Experimenten sagen, dass Lernende die Neigung haben mehrere Variablen ohne System zu verändern. Dadurch resultieren jedoch unschlüssige Experimente. Wichtig ist jedoch, dass nur die Variable von der eine vermutete ursächliche Wirkung ausgeht, variiert wird. Dabei müssen die anderen variablen konstant gehalten werden (Hammann, Kompetenzentwicklungsmodelle: Merkmale und ihre Bedeutung - dargestellt anhand von Kompetenzen beim Experimentieren, 2004).

Die noch später vorgestellten Interaktionsboxen lassen sich sehr gut nutzen, um genau diesen Fehlerquellen entgegenzuwirken.

Zusätzlich bleibt zu erwähnen, dass bei Experimentieranleitungen die den SuS vorgegeben werden, diese häufig wie ein Kochrezept abgearbeitet werden. Um dem vorzubeugen und die SuS dazu zu bringen die unterschiedlichen Schritte und inhaltlichen Hintergründe zu verstehen, ist es wichtig die Experimentieranleitungen offen zu gestalten. So werden die SuS dazu aufgefordert, einzelne Schritte selbst zu planen. Man unterscheidet hierbei zwischen „minds-on“ und „minds-off“ Experimente. Wobei die „minds-on“ Experimente durch instruktionale Methoden die Gründe für Planungsentscheidungen den SuS bewusst machen sollen.

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