EnergyBio

Teilprojekt 1: Ulrike Wernecke

Teilprojekt 2: Dirk Mittenzwei

 

Teilprojekt 1

 

Förderung konzeptuellen Wissens über Energie durch

den Einsatz von Repräsentationen

 

Energie ist ein grundlegendes Erklärungsmodell für naturwissenschaftliche Phänomene und spielt deshalb in den Naturwissenschaften eine zentrale Rolle. Konzeptuelles Wissen über Energie stellt zugleich eine notwendige Voraussetzung für Partizipation an gesellschaftlich relevanten, zukunftsbezogenen Fragen dar, wie der Diskurs um die Energiewende in Deutschland zeigt. Aufgabe des naturwissenschaftlichen Unterrichts ist es folglich, Schülerinnen und Schülern Kompetenzen im Umgang mit diesem Basiskonzept zu vermitteln. Das Energiekonzept wird anhand von vier Aspekten strukturiert: (1) Energieformen und -quellen, (2) Energieumwandlung und -übertragung, (3) Energieentwertung und (4) Energieerhaltung (Duit, 1984; Neumann, Viering, Boone, & Fischer, 2013). Das Lehren und Lernen des Energiekonzepts stellt insbesondere aufgrund seiner Abstraktheit eine große Herausforderung dar. Ergebnisse der Vorstellungsforschung zeigen, dass Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I nur mangelhaftes Wissen über Energie besitzen (u.a. Opitz, Harms, Neumann, Kowalzik & Frank, 2015) und zahlreiche, aus fachlicher Sicht nicht korrekte Alltagsvorstellungen existieren (für die Biologie u.a. Burger, 2001). Für den Schulunterricht stellt sich die Frage, welche instruktionalen Maßnahmen zur Entwicklung und Förderung eines naturwissenschaftlich adäquaten Wissens über Energie eingesetzt werden können. Die Studien meines Promotionsprojekts beschäftigen sich in diesem Zusammenhang mit Möglichkeiten des Einsatzes ausgewählter Repräsentationen. Maßgeblich für die Wirksamkeit des Lernens mit Repräsentationen sind sowohl das Design des Lernmaterials als auch die Lernaktivität (Ainsworth, 2006). Beide Aspekte beeinflussen die kognitive Aktivierung des Lernenden, welche ein zentrales Merkmal von Unterrichtsqualität darstellt.

Studie 1: „Wie wird Energie im Biologieschulbuch dargestellt? – Erarbeitung eines Kategoriensystems und exemplarische Analyse einer Lehrwerkreihe“

Fachlich korrektes und lernförderlich gestaltetes Unterrichtsmaterial zum Thema Energie kann erfolgreiche Lernprozesse unterstützen. Ziel der ersten Studie war es, ein Kategoriensystem zu erstellen und zu erproben, anhand dessen die Darstellung von Energie in Biologieschulbüchern beschrieben werden kann. Das Kategoriensystem wurde unter Rückgriff auf Befunde der Repräsentationsforschung und der Vorstellungsforschung zum Energiekonzept entwickelt. Die Kategorien decken sowohl inhaltliche als auch formale Aspekte der Darstellung ab. Um die Anwendbarkeit des Kategoriensystems zu überprüfen und erste Erkenntnisse über die Darstellung von Energie zu gewinnen, wurden die energiebezogenen Texte, Abbildungen und Aufgaben in den stoffwechsel- und ökologiebezogenen Kapiteln einer Schulbuchreihe der Sekundarstufe I und II (drei Lehrwerke und ein Arbeitsbuch) untersucht. Das Kategoriensystem stellte sich als geeignetes Analyseinstrument heraus. Die Ergebnisse zeigen unter anderem, dass Energieformen und -umwandlungen in den untersuchten Biologieschulbüchern in allen Klassenstufen häufig, Energieerhaltung und -entwertung hingegen sehr selten thematisiert werden. Die Abbildungen weisen potenziell lernförderliche Eigenschaften auf. Die Aufgaben könnten durch eine größere Variation in den Anforderungen verbessert werden.

Studie 2: „Lernen mit fehlerhaften Repräsentationen - eine Interventionsstudie zur Förderung des Energieverständnisses in der Biologie“

In einer zweiten Studie wird die Wirksamkeit einer neu entwickelten Instruktionsmaßnahme überprüft. In einer Interventionsstudie im 2 x 3-Design wird der Frage nachgegangen, ob durch das Lernen mit einer energiebezogenen Abbildung, in die gezielt ein Fehler eingefügt wurde, der Aufbau eines fachlich adäquaten Energieverständnisses gefördert werden kann. Für die Studie wurde ein Diagramm zum Energiefluss im Ökosystem Wald in Anlehnung an entsprechende Schulbuchabbildungen gestaltet. In dieses wurde ein Fehler eingearbeitet, der an empirisch nachgewiesene Fehlvorstellungen zum Energiekonzept anschließt (u.a. Burger, 2001). Nach einer standardisierten Einführung in das Thema erhielten die Schülerinnen und Schüler eines von drei  unterschiedlichen Lernmaterialen,  das aus Aufgaben und (i) einem fehlerhaften Diagramm, (ii) einem fehlerhaften Diagramm mit Hilfestellung (Fehler ist bereits markiert) oder (iii) einem korrekten Diagramm bestand. Mittels einer Prä-Post-Messung im Abstand von zwei Wochen wird der Einfluss der Intervention auf die Veränderung des Energieverständnisses untersucht. Von September bis Dezember 2015 haben N = 325 Schülerinnen und Schüler der 9. Klassenstufe von 12 Gymnasien in Schleswig-Holstein an der Studie teilgenommen. Die Daten werden zurzeit ausgewertet. Sollte sich die Lernwirksamkeit von fehlerhaften Abbildungen in weiteren Studien bestätigen, könnten weitere entsprechende Aufgaben entwickelt und diese in Unterrichtsmaterialien zum Thema Energie eingebunden werden.

Studie 3: “Metaphern zur Energieweitergabe in Ökosystemen – Fachliche Klärung und Untersuchung von Lernerperspektiven”

Um das abstrakte Energiekonzept zu veranschaulichen, sollen im Unterricht lernförderliche Metaphern verwendet werden (Kattmann, 2015). Metaphern gehören, ebenso wie Abbildungen, zu den externen Repräsentationen (Tsui & Treagust, 2013). Die dritte Studie meines Promotionsprojektes beschäftigt sich mit der Analyse von Metaphern, die im Kontext der Energieweitergabe in einem Ökosystem benutzt werden. Als theoretische Grundlage dient das Modell der Didaktischen Rekonstruktion (Kattmann, Duit, Gropengießer & Komorek, 1997). Im Rahmen der fachlichen Klärung wird erarbeitet, wie Metaphern zur Energieweitergabe in einem Ökosystem (z.B. „Energiefluss“, „Einbahnstraße“, Energieverlust“)  beschaffen sind und wie sie sich zueinander verhalten. Zur empirischen Untersuchung der Lernerperspektiven wird auf die Energieflussbeschreibungen zurückgegriffen, die die Schülerinnen und Schüler der 9. Klassenstufe im Zuge der Studie 2 angefertigt haben. Es soll geklärt werden, welche Metaphern die Schülerinnen und Schüler verwenden und ob dies auf eine fachlich angemessene Weise geschieht.  Anschließend sollen Schlussfolgerungen für die Verwendung dieser Metaphern im Biologieunterricht abgeleitet werden.