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Das IPN-Energie-Projekt - Biologie

Entwicklung des Energieverständnisses: Biologische Kontexte und Interdisziplinäres Lernen

 

 

Energie ist ein zentrales Konzept der Naturwissenschaften und wird international als Basiskonzept im Biologie-, Chemie- und Physikunterricht genutzt. Als Basiskonzept bietet Energie zentrale Erklärungsansätze für eine Vielzahl von Sachverhalten und wird darüber hinaus als wichtiges Mittel zur Förderung eines integrierten naturwissenschaftlichen Verständnisses gesehen. Das hier vorgestellte Projekt zielt darauf ab sich entwickelndes Energieverständnis speziell in biologischen Kontexten abzubilden und Prozesse von fächerübergreifendem Energielernen zu modellieren.

 

Hintergrund: 'Energie' ist ein Begriff, der nicht zuletzt durch Themen wie Klimawandel, Energiewende oder Gesundheit häufig im Alltag auftaucht. Dort werden häufig Begriffe wie ‚Energiesparen‘ oder ‚Energieverlust‘ genutzt, die kaum mit dem Energiekonzept der Naturwissenschaften vereinbar sind. Energie im wissenschaftlichen Sinn ist ein abstraktes Konzept, das große Relevanz als Erklärungswerkzeug für verschiedensten Phänomene besitzt. Zum Beispiel können durch die Anwendung des Energiekonzepts Vorhersagen darüber getroffen werden, ob bestimmte Prozesse innerhalb eines Systems ablaufen können oder nicht.

Entsprechend dieses Hintergrundes wurde Energie auch als besonders hervorstechendes Konzept im Unterricht der Physik, Chemie, Biologie oder im technischen Unterricht verankert (siehe z.B. Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz, KMK, 2004, oder einheitliche Anforderungen für das Abitur, EPA).

Dass Energie in Bildungsstandards, Lehrplänen oder Schulbüchern eine so große Rolle spielt liegt aber nicht nur an den bereits genannten Punkten. Wichtig ist auch, dass Konzepte wie Energie oder z.B. Materie als sogenannte Basiskonzepte in einer Vielzahl von Kontexten über alle Jahrgangsstufen hinweg immer wieder auftauchen. Dadurch können durch die wiederholte Anwendung des Energiekonzepts sonst eher wenig miteinander in Verbindung stehende Inhalte verknüpft werden. Ein wichtiges Forschungsergebnis ist in diesem Zusammenhang, dass Basiskonzepte wie Energie von Experten dazu genutzt werden ihr Wissen zu strukturieren. Durch diese Organisation können die Experten ein komplexes, vielschichtiges (‚integriertes‘, vgl. ‚knowledge integration, Linn, 2004) Wissensnetz nutzen (Bransford et al., 1999). Die Verfügbarkeit eines solchen integrierten Wissensnetzes wird besonders im Hinblick auf multi-disziplinäre Herausforderungen (z.B. Klimawandel) als wichtiges Ausbildungsziel für zukünftiger BürgerInnen gesehen (Sakschewski et al., 2014).

Speziell für das Energiekonzept ist bemerkenswert, dass Energie nicht nur innerhalb der einzelnen naturwissenschaftlichen Fächer ein Basiskonzept ist, sondern auch über sie hinweg (‚Energy as a crosscutting concept‘, NRC, 2012). Dadurch soll SchülerInnen kumulatives Lernen erleichtert werden, was bedeutet dass einzelne Konzepte und Wissenseinheiten eher zueinander in einen sinnvollen Zusammenhang gestellt werden (Krajcik et al., 2012).

Obwohl Energie international für den naturwissenschaftlichen Unterricht eine große Rolle zugedacht wird (Australien: ACARA 2013; Deutschland: KMK 2005a, 2005b Schweiz: EDK 2011; UK: DfE 2013; USA: NRC 2012), haben eine Vielzahl von Studien gezeigt, dass sowohl SchülerInnen als auch Lehrkräfte häufig Schwierigkeiten mit dem Verständnis des Energiekonzepts haben und im Unterricht eine Vielzahl von Alternativvorstellungen anstelle des naturwissenschaftlichen Energiekonzepts nutzen (Kindergarten: van Hook & Huziak-Clark, 2008; Primarstufe: Liu & Ruiz, 2008; Sekundarstufe 1: Trumper, 1993; Sekundarstufe 2: Fiengold & Trumper, 1989; Duit & Kesidou, 1988; Studenten: Chabalengula, Sanders & Mumba, 2011; Referandare: Trumper, 1997; Lehrer: Tobin et al., 2011).

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Abb. 1. Beispiele für Schülerzeichnungen, die beschreiben, was Energie für die SchülerInnen bedeutet. Es wird eine Betonung von regenerativen Energiequellen deutlich. Klassische Kontexte, wie sie in den hier gezeigten Studien angewandt werden (z.B. Ernährung, Wachstum), werden kaum gezeichnet.

Der größte Teil der bestehenden Studien zum Energieverständnis von SchülerInnen hat sich dabei mit Kontexten in der Physik auseinander gesetzt. Forschung zu Kontexten in der Biologie oder Chemie, sowie Studien zu fächerübergreifendem Energielernen sind kaum verfügbar.

Forschungsbereich: Entsprechend dieser offenen Forschungsgebiete beschäftigt sich dieses Dissertationsprojekt mit der Entwicklung des Energieverständnisses in biologischen Kontexten. Darauf aufbauend wird der Frage nachgegangen, wie das Energieverständnis in Biologie mit dem Verständnis in den angrenzenden Kontexten Chemie und Physik zusammenhängt.

Um diese übergeordneten Forschungsfragen anzugehen, wurden die folgenden drei Studien durchgeführt:

 

Studie 1: Energiekonzepts im Primarbereich – Entwicklung entlang Biologischer Kontexte

 

Zahlreiche biologische Kontexte besitzen im Primarstufenbereich einen Bezug zum Energiekonzept. Der Großteil dieser Bezüge ist implizit (Opitz et al., 2014). Da formaler, expliziter Energieunterricht häufig erst im Fach Physik nach der Primarstufe aufgegriffen wird, stellt sich die Frage, ob SchülerInnen Grundlagen des Energieverständnisses bereits in biologischen Kontexten vor Beginn des expliziten Energieunterrichts erlernen.

Zur Beantwortung dieser Frage wurde zunächst ein Multiple-Choice Instrument entwickelt (16 Items) um das Energieverständnis in biologischen Kontexten im Bereich der Primarstufe zu messen. N = 540 SuS wurden in einer querschnittlichen Fragebogenstudie am Ende der Klassen 3-6 mit dem neuen Instrument getestet, wobei Variablen wie z.B. Leseverständnis, Motivation/Interesse oder fluide Intelligenz als Kovariaten miterhoben wurden.

Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Entwicklung des Energieverständnisses entlang biologischer Kontexte vor Beginn des expliziten Energieunterrichts. Während sich das Verständnis von Energieformen/Speichern und Transfer/Transformation besonders stark entwickelt, haben SchülerInnen mit Items zum Verständnis von Energieentwertung und -erhaltung große Schwierigkeiten und zeigen hier kaum Entwicklungen. Die Ergebnisse lassen sich auf zahlreiche, weitestgehend implizite Bezüge zum Energiekonzept im Sachunterricht bzw. im Fach Biologie zurückführen. Die Ergebnisse dieser Studie sowie weitere Studien zum Energielernen bei jungen SchülerInnen (z.B. Novak, 2005, Shulz & Coddington, 1981) legen nahe, dass Unterricht in der Primarstufe von einem expliziteren Zugang zu Energie profitieren könnte um ein angemessenes Verständnis von Energie für Aufgaben in höheren Klassenstufen vorzubereiten.

Die Ergebnisse zu dieser Studie sind zusammengefasst in:

Opitz, S., Harms, U., Neumann, K., Kowalzik, K., Frank, A. (2015). Students‘ Energy Concepts at the Transition between Primary and Secondary School. Research in Science Education (RISE), 45(5), 691-715. doi 10.1007/s11165-014-9444-8

 

 

Studie 2: Entwicklung des Energieverständnisses in Biologie, Chemie und Physik

 

Dadurch, dass Energie als Basiskonzept in den einzelnen naturwissenschaftlichen Fächern und zusätzlich als fächerübergreifenden Basiskonzept (‚energy as a crosscutting concept‘, vgl. NRC, 2012) verankert ist, soll ein integriertes naturwissenschaftliches Verständnis gefördert werden.

In Studie 1 zeigte sich, dass die Entwicklung des Energieverständnisses in einem Fach die Basis für die spätere Entwicklung in einem anderen Fach bilden kann (vgl. auch Hirca & Akdeniz, 2008, Lancor, 2015). Da Forschungsergebnisse zum Energieverständnis bisher fast ausschließlich auf einzelne Fachkontexte fokussierten, adressiert Studie 2 die folgenden zwei Forschungsfragen:

 

(1)  Welche Entwicklung zeigt das Energieverständnis in der Sekundastufe in den Kontexten Biologie, Chemie, und Physik?

(2)  In wie fern wird die Entwicklung des Energieverständnisses in den drei Kontexten von einem Integrationsprozess begleitet, der die SchülerInnen von disziplin-spezifischen Aspekten des Energieverständnisses hin zu einem integrierten, fächerübergreifenden Energiekonzept führt?

 

Zunächst wurde in mehreren Schritten ein MC-Instrument mit 43 Items entwickelt, das dazu in der Lage ist, Energieverständnis in biologischen, physikalischen und chemischen Kontexten in Sekundarstufe I & II valide zu erfassen (α = .85). Dieses Instrument wurde danach in einer Querschnitts-Fragebogenstudie mit N = 1003 SchülerInnen aus den Klassen 6, 8, 10 und 12 angewandt um erste Ergebnisse über die Entwicklung des Energieverständnisses über Fachgrenzen hinweg zu erhalten.

Die Ergebnisse zeigen fach-spezifische Foki bezüglich der vier Energieaspekte Formen/Speicher, Transfer/Transformation, Degradation/Dissipation und Energieerhaltung, wobei diese Foki zumindest zum Teil auf entsprechende Spezialisierungen im Unterricht der einzelnen Fachbereiche zurückführbar sind. Beispiele zur Entwicklung des Energieverständnisses werden anhand von drei fachspezifischen Items zum Verständnis von Energieentwertung in Abb.2 gegeben.

 

Abb.2. Beispiele für die Entwicklung des Energieverständnisses in drei Items zu Energieentwertung in (von links nach rechts) einem biologischen, physikalischen und chemischen Kontexte. Linien zwischen Datenpunkten sind Hilfslinien, da Daten einer Querschnittsstudie vorliegen.

 

Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass das Energieverständnis über Fachgrenzen hinweg stark miteinander korreliert ist (rlatent > 0,8). In entsprechenden Modellierungen des Energieverständnisses  sind über die Fachgrenzen hinweg im Laufe der Sekundarstufen weder klare Differenzierungs- noch Integrationsprozesse nachweisbar. Entsprechend der Ergebnisse wird angenommen, dass SchülerInnen über Fachbereiche und Klassenstufen hinweg ein Energieverständnis nutzen.

Aufgrund der ausbleibenden Integrationsprozesse ist hier jedoch nicht von einem fächerübergreifend-integrierten Energiekonzept in Sinne verschiedener Bildungsstandards auszugehen, sondern von einem eher vagen, undifferenzierten Energieverständnis, welches durch verschiedene Alltagsvorstellungen begünstigt wird. Aufgrund der Ergebnisse wird geschlussfolgert, dass zukünftige Entwicklungsarbeiten an Curricula oder Bildungsstandards einen verstärkten Fokus auf die Verknüpfung von Energielerngelegenheiten über Fachgrenzen legen sollten, wenn von den SchülerInnen die Entwicklung eines integrierten Energieverständnisses zur Analyse komplexer Sachverhalte erwartet wird.

 

Die Ergebnisse dieser Studien sind in zwei Manuskripten zusammengefasst, die derzeit überarbeitet werden. Kontaktieren Sie mich gerne, falls Sie weitere Fragen haben ([Email protection active, please enable JavaScript.]).

Eine Kurzform der Ergebnisse ist kostenfrei zugänglich:

Harms, U., Opitz, S., & Wernecke, U. (2014). Energie in der Biologie – Biologische Inhalte als Lerngelegenheiten zur Entwicklung eines naturwissenschaftlichen Energieverständnisses. IPN-Blätter, 2/2014, S.4.

http://www.ipn.uni-kiel.de/en/publications/ipn-blatter/ipn-blatter-2-2014/at_download/file

 

 

Studie 3: Charakteristika des Energieverständnisses in Biologischen Kontexten

 

Da die oben genannten vier Energieaspekte (Energie Formen/Speicher, Transfer/Transformation, Degradation/Dissipation, Erhaltung) als zentral für ein angemessenes Energieverständnis angesehen werden, stellt sich die Frage, welches Verständnis SchülerInnen mit diesen Aspekten in den einzelnen Disziplinen verbinden. Studie 3 verfolgt das Ziel, diese Frage für biologische Kontexte aufzugreifen und versucht gleichzeitig, die in den quantitativen Studien gefunde Ergebnisse (1 und 2 – siehe oben) mit qualitativen Ergebnissen aus Interviews abzugleichen und diese um wichtige Details zu ergänzen.

Hierzu wurde ein Interviewleitfaden auf der Basis der Arbeiten zu Energie in Kohlenstoff-umsetzenden Reaktionen von Jin und Anderson (2012) erweitert. Die Ergänzung entspricht spezialisierten Fragen zu den vier genannten Energieaspekten und fokussierte auf drei Kontexten, die von repräsentativen Items in den quantitativen Studien abgefragt wurden. N = 30 SchülerInnen am Anfang der Klassen 5, 7, 9, und 11 stellten die Stichprobe für die Studie. Außer den 5. KlässlerInnen hatten alle SchülerInnen bereits 2,5 Monate zuvor an der quantitativen Studie 2 teilgenommen, sodass eine Vergleichbarkeit der zwei Forschungsmethoden möglich wird.

Die Schüleraussagen aus den Interviews wurden gemäß der vier Energieaspekte in ein induktiv gebildetes, hierarchisch aufgebautes Kategoriensystem (Fleiss‘ k > 0,7) übertragen (Mayring 2008, 2010). Erste Ergebnisse bilden – ähnlich der Ergebnisse in Studie 1 und 2 – klare Progressionen hinsichtlich spezieller Vorstellungen über die Klassenstufen ab. Weitere Analysen zu den Charakteristika des Energieverständnisses in biologischen Kontexten werden aktuell durchgeführt.

 

 

Mitarbeiter/innen am Thema „Energiekonzept Biologie (I)“ sind:

Sebastian Opitz (bis 04/2016)

Prof. Dr. Ute Harms

Prof. Dr. Knut Neumann

Sascha Bernholt