Übergreifende Ziele und Fragestellungen der Untersuchung

Die in der Einleitung beschriebenen zwei Ansätze zur Effizienzsteigerung des Biologieunterrichts weisen den Schülervorstellungen zu "Energie im biologischen Kontext" im Biologieunterricht in-haltlich und methodisch eine größere Bedeutung zu. Zur Umsetzung dieser Ansätze ergaben sich konkrete Ziele für die Untersuchung der Schülervorstellungen, die in Kapitel 4.2.1 und Kapitel 4.2.2 zusammengefasst sind.

Untersuchung 115 4.2.1 Inhalte, Auftrittshäufigkeiten und Kontextflexibilität der

Schülervorstellungen

Neben einer qualitativen Erhebung (Inhalte der Vorstellungen) sollten auch quantitative Aussagen über die Auftrittshäufigkeit (Verbreitung) und Kontextflexibilität (Nutzung der Vorstellungen in unterschiedlichen Situationen) entsprechender Vorstellungsinhalte möglich sein². Übergreifende Fragestellungen waren deshalb:

Qualitativer Aspekt:

Welche Vorstellungsinhalte besitzen Schüler zu "Energie im biologischen Kontext"?

Quantitativer Aspekt:

Welche der im Zusammenhang mit "Energie im biologischen Kontext" ermittelten Vorstellungsin-halte werden häufig und in verschiedenen Kontexten bei der Deutung und Erklärung von Wahr-genommenem angewandt?

4.2.2 Abhängigkeit der Schülervorstellungen von unterrichtsrelevanten Faktoren Da es das Ziel dieser Arbeit ist, energetische Aspekte im Biologieunterricht während der gesamten Schulzeit der Sekundarstufen I und II vermehrt in den Vordergrund zu stellen (Energie als Roter Faden durch die Biologie und Naturwissenschaften, vgl. Kap. 2.2.1.4, S. 36), wurden die Schüler-vorstellungen in der Unter-, Mittel und Oberstufe untersucht. Diese Längsschnittstudie ermöglicht Einblicke in die Vorstellungen von Schülern, die sowohl laut Richtlinien des Sachunterrichts (vgl.

Kap. 2.2.2.1, S. 38) noch gar nicht (Fünftklässler) oder aber unterschiedlich intensiv zum natur-wissenschaftlichen Thema Energie unterrichtet wurden (Acht- bis Dreizehntklässler). Sie doku-mentiert somit das für Unterrichtsplanung wichtige Spektrum der Schülervorstellungen zu "Ener-gie im biologischen Kontext" in den Jahrgängen. Durch Analyse von Art und Umfang der mögli-chen Veränderungen können Vermutungen zu den Ursamögli-chen der Vorstellungsinhalte abgeleitet werden.

Für den schulpraktischen Nutzen von ermittelten Schülervorstellungen ist es entscheidend, ob das Auftreten bestimmter Vorstellungen von bestimmten Faktoren abhängig ist. Denkbar wäre z.B., dass Jungen über ein deutlich anderes Vorstellungsspektrum zu "Energie im biologischen Kontext"

verfügen als Mädchen oder dass Schüler, die naturwissenschaftlich interessiert sind, mehr aus naturwissenschaftlicher Sicht richtige Vorstellungsinhalte besitzen als Schüler ohne ein solches Interesse.

Um Vorhersagen treffen zu können, welche Vorstellungsinhalte in zu unterrichtenden Schüler-gruppen verbreitet sind, und dann mit diesen Informationen die Schüler im Unterricht möglichst auf Grundlage ihrer tatsächlichen Vorstellungen unterrichten zu können, wurden neben dem Fak-tor "Jahrgangstufe", der sich aufgrund der Längsschnittstudie automatisch ergab, die folgenden Faktoren in Hinblick auf ihren Einfluss auf die Inhalte und Auftrittshäufigkeit von Schülervor-stellungen untersucht:

2 Schülervorstellungen mit einer relativ hohen Auftrittshäufigkeit aber relativ niedriger Kontextflexibilität (eher Vorstellungen zu speziellen Aspekten des Themas) erscheinen dabei für die Unterrichtsgestaltung ähnlich wichtig wie Schülervorstellun-gen mit relativ niedriger Häufigkeit und relativ hoher Kontextflexibilität (eher VorstellunSchülervorstellun-gen zu übergreifenden Aspekten des Themas). (Zur Einschätzung, welche Werte als hoch bzw. niedrig einzuschätzen sind, vgl. Kap. 4.5.6.5, S. 205).

Untersuchung 116 Geschlecht

Unterschiedliche Einstellungen von Jungen und Mädchen zum naturwissenschaftlichen Unterricht verbunden mit unterschiedlichen Verhaltensweisen (vgl. LÖWE 1992; LANDESINSTITUT FÜR

SCHULE UND WEITERBILDUNG 1993) lassen die Vermutung zu, dass auch die Schülervorstellungen zum Themenkomplex "Energie im biologischen Kontext" vom Faktor Geschlecht beeinflusst wer-den dürften.

Naturwissenschaftliches Interesse

Durch die Selbsteinschätzung der Probanden bezüglich ihres naturwissenschaftlichen Interesses sollte der Einfluss dieses Faktors untersucht werden. Gefragt wurde dabei nach dem "allgemeinen Interesse" ohne Hinweise auf bestimmte Fachgebiete. Dieser Aspekt des "allgemeinen Interesses"

ist in Abgrenzung zum Zustandsaspekt (situationales Interesse) dem Dispositionsaspekt des Inter-esses zuzuordnen. KRAPP (1992) kennzeichnet dieses Interesse als "Persönliches/individuelles Interesse". Aufgrund zahlreicher Studien (GEHLHAAR, KLEPEL & FANKHÄNEL 1999; LÖWE 1992) ist zu vermuten, dass naturwissenschaftlich interessierte Schüler aufgrund der intensiveren Be-schäftigung mit relevanten Themen ein weiteres und naturwissenschaftlich korrekteres Spektrum von Vorstellungen zu "Energie im biologischen Kontext" besitzen.

Quantität des naturwissenschaftlichen (insbesondere biologischen) Unterrichts

Jugendliche, die in ihrer Schulzeit durch die Wahl von naturwissenschaftlichem Differenzierungs-unterricht in der Mittelstufe oder durch eine naturwissenschaftlich ausgerichtete Wahl von Grund-und Leistungskursen in der Oberstufe einen umfassenderen Unterricht in den naturwissenschaftli-chen Fächern erteilt bekommen haben, dürften - in Anlehnung an die Erkenntnisse der Interes-sensfoschung (LÖWE 1992) - über ein weiteres und naturwissenschaftlich korrekteres Spektrum von Vorstellungen zu "Energie im biologischen Kontext" verfügen.

Schul- und Lernumgebung (ländlicher oder städtischer Raum)

Bei einer Schul- und Lernumgebung im ländlichen Raum wird davon ausgegangen, dass die dort aufwachsenden Jugendlichen häufiger einen direkten und differenzierteren Kontakt zu biologi-schen Phänomenen haben als ihre Altersgenossen in städtischer Umgebung. Diese in Schule und Freizeit häufiger stattfindende Verarbeitung von Wahrnehmungen biologischen Inhalts (z.B. Be-obachtungen beim Aufziehen von Tieren oder allgemein von Pflanzen, Tieren und menschlichen Tätigkeiten in der Natur, z.B. im Garten oder in der Landwirtschaft) könnte dazu führen, dass Schüler dieser Reizumgebung ein qualitativ und quantitativ anderes Spektrum von Vorstellungen zu "Energie im biologischen Kontext" besitzen als Schüler des städtischen Raumes. Dieser Hypo-these widersprechen KLEIN & OETTINGER (2000): "Bei diesem Thema [Energie] sind keine we-sentlichen Diskrepanzen zwischen ländlicher und urbaner Herkunft der Kinder zu erwarten."

Schulform

Eine unterschiedliche Schülerschaft und die Unterschiede in den Richtlinien und Lehrnplänen der einzelnen Schulformen lassen vermuten, dass Schüler verschiedener Schulformen auch verschie-denartige Vorstellungen von Energie besitzen. Zu erwarten ist, dass die Gymnasiasten der Sekun-darstufe I aufgrund des höheren Niveaus in den relevanten Unterrichtsfächern (vgl. Richtlinien-und Lehrplananalyse in Kap. 2.2.2.1, S. 38) ein breiteres Spektrum an Vorstellungen Richtlinien-und weniger Fehlvorstellungen besitzen als Schüler der anderen Schulformen. Diese Vermutung wird durch einen Vergleich zwischen den Gymnasiasten und Gesamtschülern der Sekundarstufen I überprüft.

Ein Vergleich zwischen den Oberstufenschülern dieser Schulformen wird ebenfalls

vorgenom-Untersuchung 117 men. Da für alle Schüler der Sekundarstufe II in NRW die gleichen Richtlinien und Lehrpläne gelten, dürften dennoch auftretende signifikante Unterschiede auf die unterschiedlichen Lehrlei-stungen der Sekundarstufe I zurückzuführen sein.

Die Ergebnisse bezüglich dieses Faktors können im Rahmen dieser Arbeit nur tendenziellen Cha-rakter besitzen, da in der Hauptuntersuchung aus organisatorischen Gründen nur die Schüler einer Gesamtschule befragt wurden.

Wegen der angestrebten Längsschnittstudie wurden die Untersuchungen auf die beiden allgemein-bildenden öffentlich-rechtlichen Schulformen Gymnasium und Gesamtschule beschränkt, in der Schüler von der 5. bis zur 13. Jahrgangstufe unterrichtet werden. Da jedoch die Gesamtschule nicht in allen Bundesländern als Schulform zu finden ist, wurde der Untersuchungsschwerpunkt auf die Schülervorstellungen von Gymnasiasten gelegt.

Wegen der von Bundesland zu Bundesland unterschiedlichen Richtlinien und Lehrpläne bleibt des weiteren die Erhebung der Schülervorstellungen sowie die Entwicklung von Leitlinien zur unter-richtlichen Umsetzung der erzielten Ergebnisse auf Schüler bzw. Schulen des Landes NRW be-schränkt.

Bei nachgewiesenem Einfluss eines oder mehrerer der genannten Faktoren müssten die Unter-richtskonzeptionen der jeweiligen Klassen- bzw. Kurssituation angepasst werden (z.B. getrennte Unterrichtsmaterialien für Jungen und Mädchen oder für Land- und Stadtschüler.)

Übergreifende Ziele dieser Studie

1. Ermittlung der Schülervorstellungen zum Themenbereich "Energie im biologischen Kontext"

bei Gymnasiasten (und Gesamtschülern) der Sekundarstufe I und II in NRW, um sowohl Art und Inhalt der Vorstellungen (Qualitativer Aspekt) als auch die Auftrittshäufigkeit und Kon-textflexibilität (Quantitativer Aspekt) zu dokumentieren.

2. Analyse des Einflusses der Faktoren Jahrgangstufe, Geschlecht, naturwissenschaftliches Inter-esse, Quantität des naturwissenschaftlichen Unterrichts sowie Wohn-/Lernumgebung auf In-halt, Auftrittshäufigkeit und Kontextflexibilität der Schülervorstellungen.

4.2.3 Grundvorstellungen als Ermittlungsziel

Für die Planung und Durchführung von Gruppenunterricht unter besonderer Berücksichtigung der themenrelevanten Schülervorstellungen erscheinen in Hinblick auf die Ausführungen in Ka-pitel 3 insbesondere diejenigen Wissenseinheiten zum Themenbereich "Energie im biologischen Kontext" von Bedeutung, die im Vergleich zu der Gesamtheit aller Wissenseinheiten des Themen-bereichs "Energie im biologischen Kontext" in Gedankengängen der Schüler relativ häufig akti-viert werden (in Anlehnung an BURBULES & LINN 1991³). Für die beabsichtigte Effizienzsteige-rung sind dabei diejenigen Wissenseinheiten wichtig, die sowohl bei einzelnen Schülern in Bezug

3 Die vertretene Ansicht bezüglich der Schülervorstellungen in Lerngruppen wird kontrovers diskutiert. So werden Schü-lervorstellungen, die wiederholt auftreten, auch von SCHLETTER (1998), der eine ähnlich praxisnahe Arbeit zu neurophy-siologischen Inhalten durchführte, als entscheidend eingestuft: "Dabei wird in der Regel nur auf solche Vorstellungen ein-gegangen, die von der Mehrzahl der befragten Schülerinnen und Schüler geäußert wurden. Diese Vorstellungen stellen eine wichtige Grundlage für die Entwicklungsarbeiten an den Unterrichtsmaterialien für die Hauptstudie dar. Vorstellun-gen, die nur von wenigen oder einzelnen Schülerinnen und Schülern genannt wurden, konnten in der Regel in den Unter-richtsmaterialien nicht berücksichtigt werden.". GROPENGIEßER (1997) vertritt in seiner Untersuchung von Schülervor-stellungen zum Sehen eine andere Auffassung: "Quantitative Aussagen über VorSchülervor-stellungen zum Sehen, wie sie im Rahmen einer repräsentativen Befragung gewonnen werden könnten, sind dagegen weder für diese Arbeit sinnvoll noch für prakti-schen Unterricht hilfreich: In realen Lerngruppen ist weder eine statistische Verteilung von individuellen Denkstrukturen zu erwarten, noch werden Schüler häufig sein, die >durchschnittliche< Vorstellungen vom Sehen in ihrem Denken vereini-gen. In einer Unterrichtssituation handelt es sich um individuelle Schüler mit individuellen Vorstellunvereini-gen."

Untersuchung 118 auf unterschiedliche Problemsituationen als auch bei vielen Schülern in Bezug auf eine Problem-situation häufig Elemente von Gedankengängen und damit auch häufig Elemente von Vorstellun-gen sind.

Obwohl die diesbezüglichen Schülerbefragungen nur Momentaufnahmen von Teilen der Schüler-vorstellungen einer begrenzten Population sind, wurde bei denjenigen Elementen, die unabhängig von den ermittelten persönlichen Daten der Befragten (wie etwa Geschlecht, naturwissenschaftli-ches Interesse, usw.) häufig auftreten, davon ausgegangen, dass sie auch in zukünftigen Überle-gungen zu "Energie im biologischen Kontext" bei anderen Schülern entsprechend häufig wieder angewandt werden⁴.

Wie können die Elemente der Vorstellungen gefunden werden, die von Schülern häufig in Ge-dankengängen zu "Energie im biologischen Kontext" eingesetzt werden?

Nach der Modellvorstellung der schemaorientierten Wissensrepräsentation ist die Intensität, mit der verschiedene Wissenseinheiten zu anderen Wissenseinheiten vernetzt (assoziativ verknüpft) sind, durch die beiden Aspekte Verknüpfungsmuster und Verknüpfungsintensität gekennzeichnet:

Wissenseinheiten sind intensiv vernetzt,

1. wenn sie zu vielen unterschiedlichen Wissenseinheiten (evtl. verschiedener Wissensbereiche) assoziative Verknüpfungen aufweisen (Aspekt der Verknüpfungsmuster) oder/und

2. wenn die assoziativen Verknüpfungen einen niedrigen Schwellenwert besitzen (Aspekt Ver-knüpfungsintensität) (vgl. S. 77f).

Beide Eigenschaften der Netzwerkstruktur beeinflussen, wie leicht eine Wissenseinheit erinnert und damit wie häufig sie für Gedankengänge aktiviert werden kann⁵.

Gesucht werden muss demnach nach Wissenseinheiten zu "Energie im biologischen Kontext",

• die mit möglichst vielen anderen Wissenseinheiten oder/und

• durch assoziative Verknüpfungen mit niedrigem Schwellenwert verknüpft sind und

• bei denen diese assoziativen Verknüpfungen bei möglichst vielen Schülern hinsichtlich der Verknüpfungsmuster und Verknüpfungsintensität ähnlich sind.

Derartige Wissenseinheiten, die als Grundelemente verschiedener Vorstellungen wiederholt auf-treten, werden nachfolgend als Grundvorstellungen (abgekürzt GV) bezeichnet. Grundvorstellun-gen werden dabei nicht als statische, fest bestehende Wissensstruktur aufgefasst, sondern als eine häufiger auftretende deklarative Wissenseinheit der Assoziationen zu bestimmten Themenberei-chen.

Bei Grundvorstellungen, die zu vielen Wissenseinheiten verschiedener Wissensbereiche Verknüp-fungen aufweisen und deshalb eine hohe Kontextflexibilität besitzen, wird es sich um besonders fest verwurzelte Vorstellungsinhalte handeln, die bereits in verschiedenen Erfahrungsbereichen zur Deutung und Erklärung von Eindrücken erfolgreich benutzt werden konnten und deshalb auch in zukünftigen Situationen bevorzugt aktiviert werden dürften. Derartige Wissenseinheiten sind

4 Die Existenz individueller kontextbezogener Bedeutungszuweisung wird dabei nicht berührt (vgl. hierzu die Ausführungen in Kap. 3.1.3, S. 61f).

5 Über die Aspekte Verknüpfungsmuster und Verknüpfungsintensität lässt sich allerdings keine Aussage über die fachwis-senschaftliche Relevanz der Vernetzungen treffen. So können z.B. Assoziationen zwischen Begriffen neben einem fach-wissenschaftlichen Hintergrund auch durch Aspekte wie Emotion, häufiges Auftreten (z.B. beim Auswendiglernen, häufi-gen Hören in der Werbung) oder durch Besonderheiten wie z.B. ein einschneidendes Erlebnis (Unfall) bedingt sein.

Untersuchung 119

Nur Vorstellungen über Vorstellungen

sind möglich.

laut Kernaussage 2 und 3 (vgl. S. 57f) als besonders viabel zu kennzeichnen und dürften im Unter-richt schwer zu beeinflussen sein⁶.

An einem Beispiel soll die Eigenschaft der hier als Grundvorstellungen gekennzeichneten Wis-senseinheiten verdeutlicht werden:

Wenn Schüler danach gefragt werden, wie die Körperwärme verschiedener Lebewesen zustande kommt, sind verschiedene Elemente in ihren Aussagen denkbar, z.B.: "Die Wärme ist durch Rei-bung entstanden"; "Die Wärme ist Abwärme chemischer Reaktionen."; "Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagt Wärmeentstehung bei bestimmten Energieumwandlungsprozessen voraus.".

Die Wissenseinheit "Wärme entsteht bei Reibung." ist von den gegebenen Beispielen - wie die konkreten Untersuchungen zeigten (vgl. Kap. 4.5.6.1, S. 176f) - ein häufig wiederzufindendes Element bei Schülerantworten (Schülervorstellungen) - und das, obwohl die Schülerantworten in Hinblick auf andere Gestaltungselemente wie etwa Wort- oder Beispielwahl völlig unterschiedlich und individuell konstruiert sind. Die Wissenseinheit "Wärme entsteht bei Reibung." scheint mit dem Begriff "Wärme" - hier speziell "Körperwärme" - demnach eng assoziativ verknüpft zu sein.

Da dieses Element bei vielen verschiedenen Schülern zur Erklärung völlig unterschiedlicher Phä-nomene auftaucht (hohe Konextflexibilität) - Wärmeentwicklung beim Menschen (Sporttreiben, Händereiben bei Kälteempfinden), Wärmeentwicklung im Pflanzenreich (Schneeschmelze um wachsende Schneeglöckchen, vgl. BURGER 1991) -, wird es als Grundvorstellung eingestuft.