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TP1 Naturwissenschaften integrativ

Im TP 1 wurde ein Ausbildungsmodul für Studierende und eine Fortbildungsreihe für Lehrkräfte mit dem Schwerpunkt auf fächerübergreifendem Naturwissenschaftsunterricht konzipiert, erprobt und wissenschaftlich begleitet.
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Foto: Christoph Worsch

Ausgangslage und Ziele des Projekts

Seit vielen Jahren wird im deutschsprachigen Raum über einen integrierten naturwissenschaftlichen Unterricht bildungspolitisch wie fachdidaktisch diskutiert (vgl. Deutscher Bildungsrat 1969; Kremer & Stäudel 1997; Labudde 2003; Rehm et al 2008). Im Ergebnis dieser Diskussion wurden in vielen Bundesländern entsprechende Unterrichtsfächer in die Sekundarstufe 1 eingeführt, so auch in Thüringen. Seit dem Schuljahr 2009/10 gibt es das Fach Mensch-Natur-Technik (MNT) für die Jahrgangsstufen 5/6 und seit 2013/14 das Fach Naturwissenschaften und Technik (NWuT) für die Jahrgangsstufen 9/10. Damit stehen die Lehrkräfte vor einer neuen Herausforderung: Sie müssen neben ihrer eigenen Disziplin auch die Inhalte anderer naturwissenschaftlicher Unterrichtsfächer vermitteln und dabei die Basiskonzepte, Methoden und Bildungsstandards der drei Naturwissenschaften Biologie, Chemie und Physik miteinander verknüpfen.

Aus der Sicht der naturwissenschaftlichen Lehrerausbildung ist es deshalb unabdingbar, zukünftige Generationen von Lehrkräften bereits in der universitären Ausbildung auf fächerübergreifenden Unterricht vorzubereiten. Durch die Entwicklung und Implementation eines adressatengerechten Angebots für die erste und dritte Phase der Lehrerbildung sollen die Lehrkräfte Kompetenzen erwerben, um naturwissenschaftliche Fächer interdisziplinär fachlich qualifiziert und fachdidaktisch kompetent zu unterrichten. Ziel ist es also, ein adäquates Aus- bzw. Weiterbildungskonzept für fächerübergreifende Naturwissenschaften zu entwickeln und zu implementieren. Die naturwissenschaftlichen Berufsverbände Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) und Verband der Biologen (VBIO) unterstützen diese Forderung (GDCh 2005; DPG 2010; GDNÄ 2006).

Ausbildungsmodul

Das Ausbildungsmodul wurde in Kooperation zwischen den Fachdidaktiken der Fächer Biologie, Chemie und Physik erstellt. Zielgruppe des Angebots sind Lehramtsstudierende vom fünften bis zum achten Semester, die eine oder mehr Naturwissenschaften in der Fächerkombination studieren. Bei der Konzeption und Durchführung der Veranstaltungsreihe war die Zusammenarbeit der einzelnen Gruppen von besonderer Bedeutung. Die inhaltlichen Schwerpunkte, wie bspw. naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitweisen, Besonderheiten des fächerübergreifenden Unterrichtens und die Erstellung von eigenen Unterrichtsmaterialien, werden deshalb in fachheterogenen Gruppen bearbeitet. Die Entwicklung der Studierenden im Bereich ihrer Überzeugungen (Beliefs) zu naturwissenschaftlichem Unterricht, insbesondere im Teilbereich der Vorstellungen von der Natur der Naturwissenschaften, war für die wissenschaftliche Begleitung von besonderem Interesse.

FNU in der Diskussion Inhalt einblenden

In der Auseinandersetzung mit den eigenen Vorstellungen von und den Vorschlägen für einen guten naturwissenschaftlichen Unterricht (von Autoren wie bspw. Peter Labudde, Gottfried Merzyn, Markus Rehm, Dorothee Brovelli und Markus Wilhelm) diskutieren die Studierenden fächerübergreifenden Unterricht, werden sich ihren eigenen Überzeugungen bewusst und formulieren für sich umsetzbare Richtlinien.

Diskussion FNU Foto: Clemens Hoffmann
Didaktik der Naturwissenschaften Inhalt einblenden

Durch einen Gastvortrag von Philipp Engelmann bekommen die Studierenden einen Input zu Basiskonzepten in den Naturwissenschaften und den Möglichkeiten, diese als unterrichtsleitende Prinzipien einzusetzen. Danach wenden sie diese selbst in kleineren Experimenten zur Auswertung und Erklärung der Beobachtungen an.

ProfJL Basiskonzepte Foto: Philipp Engelmann
Wissenschaftsverständnis Inhalt einblenden

Über die gesamte Veranstaltungsreihe hinweg setzen sich die Studierenden in kleineren Aufgaben (bspw. Draw-A-Scientist-Test, Card-Exchange-Game) mit ihrem eigenen Verständnis von Denk- und Arbeitsweisen in den Naturwissenschaften auseinander. Dabei legen sie eine Concept Map an, die ihre Vorstellungen visualisiert und als Anregung zu Reflexion dient.

ConceptMap Foto: Clemens Hoffmann
Beispielmaterial Inhalt einblenden

Durch Beispielmaterialien erhalten die Studierenden erste Eindrücke von der Unterrichtsgestaltung in fächerübergreifenden Naturwissenschaften. Diese dienen als Anregungen für die Arbeit an eigenen Materialien in fachheterogenen Teams.

Beispielmaterial Foto: Marcel Simon
Experimentieren in den Fachdisziplinen Inhalt einblenden

In Kooperation mit den jeweiligen Fachdidaktiken absolvieren die Studierenden je ein Praktikum mit schulrelevanten Versuchen aus den drei Naturwissenschaften Biologie, Chemie und Physik. Dabei erabeiten sie sich experimentelle Fähigkeiten und vergleichen die Experimentierreihen hinsichtlich ihrer Schwerpunkte, ihres Vorgehens und ihrer Anforderungen.

Praktikum Foto: links: Christoph Worsch; oben: Silvana Fischer; unten: ZEISS, Jürgen Scheere
Interdisziplinäre Forschung Inhalt einblenden

Durch Exkursionen an entsprechende Forschungsinstitute, Vorträge von Promovierenden und Führungen in Forschungseinrichtung lernen die Studierenden das vielgestaltige Feld naturwissenschaftlicher Forschung und die Bedeutung der Zusammenarbeit der Fachdisziplinen sowohl für die anwendungsorientierte als auch die Grundlagenforschung kennen. Dabei haben sie die Möglichkeiten die Forschenden nach ihrem Tagesablauf, nach ihrer Motivation zu forschen und eventuellen Hürden und Erfolgen zu fragen. So wird ein realistisches Bild von der Arbeit in den Naturwissenschaften vermittelt.

Exkursion Foto: Christoph Worsch

Weiterbildungsangebot

Das Weiterbildungsangebot richtet sich an alle Lehrkäfte, die fächerübergreifend Naturwissenschaften unterrichten. Das Angebot wurde im Rahmen einer Didaktischen Rekonstruktion erstellt und dabei durch eine Interviewstudie von Lehrkräften begleitet. Inhaltlich setzt das Angebot die Schwerpunkte auf Kontextorientierung, Orientierung an Basiskonzepte der Naturwissenschaften, naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen und auf einen starken experimentellen Fokus. Insgesamt umfasst die Weiterbildung sieben Veranstaltungen:

Didaktik der Naturwissenschaften Inhalt einblenden

Über Gemeinsamkeiten und Unterschiede der drei Naturwissenschaftsdisziplinen Physik, Chemie und Biologie, die naturwissenschaftliche Methodik und die Rolle der Mathematik für die Naturwissenschaften wird ein Einblick in die Grundzüge fächerübergreifenden Arbeitens gegeben. Für die Übersetzung in den schulischen Kontext wird dann der Fokus theoretisch und experimentell auf die Basiskonzepte von Biologie, Chemie und Physik gelegt und ein gemeinsames Wechselwirkungsmodell diskutiert. Im letzten Teil der Veranstaltung erfolgt die Darstellung der Bedeutung der Kontextorientierung im naturwissenschaftlichen Unterricht sowie der Einsatz echter Probleme über das Prinzip der Frage an die Natur.

ProfJL Basiskonzepte Foto: Philipp Engelmann
Bionik Inhalt einblenden

Mit dieser Fortbildung wer­den die Themen einer noch jungen, interdisziplinären Wis­­sen­schaft bearbeitet, die bei der Lösung ihrer tech­nischen Fra­ge­stellungen die Natur als Vorbild nutzt und bereits eine Vielzahl an markt­fähigen Pro­dukten hervor gebracht hat, die aus unserem Alltag nicht mehr weg­zudenken sind. Nach einer theoretischen Einführung in das Wesen der Bionik als Wissenschaft wird der praxiserprobte Lernzirkel Bionik Lernen von der Natur vorgestellt, der aus insgesamt 11 Stationen besteht: Geschichte der Bionik, Memory, Lotus­effekt, Kleben, Haften ohne Klebstoff, Eis­bä­ren­dämmung, Faltungen in der Natur, Spinnseide, stabile Bau­weise der Pflan­zen, Klettverschluss und Bienenwaben. Die Arbeit an den Stationen setzt eine kognitive Vorbereitung voraus und lädt zur Nach­bereitung ein. Hierfür werden konkrete Vorschläge für den Un­ter­richt unter­breitet.

Arzneimittel Inhalt einblenden

Dieser fächerüber­grei­fende Kurs bietet den Teilneh­mern Infor­mationen und zahlreiche Schul­­experi­men­te rund um das The­ma Arz­nei­mittel. Im ein­führenden Theorieteil werden zu­nächst Arzneimittel nach ihrer Wirkung klassifiziert, ein Über­blick zur Geschichte der Schmerz­be­handlung gegeben, gängige Schmerzmittel und Magensäure-Regulanzien hinsicht­lich ihrer Chemie sowie ihres pharma­ko­kinetischen Verhaltens im Organismus beschrieben. Im Praxisteil können sowohl bekan­nte als auch neue Experimente selbst durchgeführt wer­den, z. B. zur Löslichkeit und Isolierung von Schmerz­mitteln, zum Löse­verhalten magensaftresistenter Tabletten, zum Vita­min C Nach­weis in Kombipräparaten, zur Darstellung und Hydro­­lyse von ASS, zur Synthese von Salicyl­säuremethylester, zur quanti­tativen Analyse von Ibuprofen, zur Wirkung von Magen­säure-Regulanzien und zur Gewinnung von ätherischem Öl aus Anissamen.

Arzneimittel Foto: Clemens Hoffmann
Wasser-Boden-Luft Inhalt einblenden

Im Kurs Wasser-Boden-Luft werden für den MNT-Unterricht sowie für den weiteren naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht der Jahrgansstufen 7/8 effektvolle und angemessene Experimente vorgestellt, bei denen das Erfahrbarmachen der naturwissenschaftlichen Phänomene für Schülerinnen und Schüler im Vordergrund steht. Ausgehend von einer historischen Einführung wird das Teilchenkonzept diskutiert und Vorschläge für einen sinnvollen Umgang mit dem Teilchenmodell im Anfangsunterricht gemacht. Zuletzt werden typische Schülervorstellungen abgeleitet, die zu Lernhindernissen bei Schülerinnen und Schülern in Auseinandersetzung mit dem Teilchenmodell bei den Themenfeldern Wasser, Boden und Luft führen können.

Regenerative Kraftstoffe Inhalt einblenden

In diesem Workshop werden im einleitenden Vortrag die mediale Präsenz energiepolitsicher Fragen, die anthropogene Kohlenstoffdioxid-Emission, regenerative Verfahrung sowie deren kritische Reflexion in den Mittelpunkt gestellt. Es fallen Schlagworte wie Biomasse-Umwandlung, BtL, Biodiesel (RME), Bioethanol uvm. Im anschließenden praktischen Teil werden konkrete unterrichtsnahe Vorschläge zur einfachen Umsetzung von Experimenten zum Themenkomplex vorgestellt, die von den Teilnehmern selbst erprobt werden können. Darunter Versuche wie: Darstellung von Biodiesel, Bioethanol und Biogas; Verhalten von Kraftstoffen im Winter; Unterscheidung anhand der Viskosität oder auch Modellversuche wie der Otto- und Dieselmotor werden vorgestellt.

Kohlenstoff- und Kohlenstoffnanomaterialien Inhalt einblenden

In dieser Fortbildung wird ein Blick in die aktuelle Forschung zu Nanomaterialien am Beispiel des Kohlenstoffs geworfen. Über alltagsnahe Experimente und die Fokussierung auf Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden die Inhalte in elementarisierter Form dargestellt und Vorschläge für eine schulische Umsetzung gegeben. Das zugehörige Lernset setzt sich aus Sachinformationen, Experimenten und Modellstationen zusammen. Explizit diskutiert wird der Einsatz des Lernsets für den Chemieunterricht und für den Unterricht im Fach Naturwissenschaften und Technik. Über die eigene Herstellung von Aktivkohle und eines Aktivkohlefilters mithilfe von Alltagsprodukten werden die Eigenschaften und technischen Verwendungsmöglichkeiten von Carbon Black, Graphen und Kohlenstofffasern theoretisch und experimentell untersucht.

Kohlenstoff Foto: Christoph Worsch
Abschlussveranstaltung Inhalt einblenden

In der Abschlussveranstaltung wird der Fokus auf die Wünsche der Lehrkräfte gelegt. Möglich ist dabei eine weitere themenbezogene Veranstaltung, inklusiver Naturwissenschaftsunterricht oder wissenschaftliche Befunde zum integrierten Unterricht.

Abschluss Foto: Philipp Engelmann

Veröffentlichungen im Projekt

Hoffmann, C. & Woest, V. (2018): Ausbildung für fächerübergreifenden naturwissenschaftlichen Unterricht Schwerpunkt: Vorstellungen von der Natur der Naturwissenschaften. In C. Maurer (Hg.): Qualitätsvoller Chemie- und Physikunterricht - normative und empirische Dimensionen. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Regensburg 2017. Universität Regensburg, S. 78-81.

Engelmann, P. & Woest, V. (2018): Fächerübergreifende Naturwissenschaften in der Weiterbildung von Lehrkräften. In C. Maurer (Hg.): Qualitätsvoller Chemie- und Physikunterricht - normative und empirische Dimensionen. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Regensburg 2017. Universität Regensburg, S. 82-85.

Milatz, A., Engelmann, P., Greiner, F., Hoffmann, C., Mende, L., Reichel, J., Szücs, K., Zastrow, M. E. & Zühlsdorf, F. (2018): ELBI-123: Evaluationsinstrument in der LehrerInnenbildung für die 1., 2., und 3. Phase [Fragebogen]. Unveröffentlichtes Instrument.

Busch, M. & Woest, V. (2018): Fächerübergreifender naturwissenschaftlicher Unterricht: Interessen, Kompetenzentwicklung und Wahlmotive. ChemKon (in Druck)

Engelmann, P., Hoffmann, C. & Woest, V. (2018): Fächerübergreifende Naturwissenschaften in der Aus- und Weiterbildung von Lehrerinnen und Lehrern. In A. Gröschner, M. May & I. Winkler (Hg.), Lehrerbildung in einer Welt der Vielfalt. Befunde und Perspektiven eines Entwicklungsprojekts.

Busch, M. & Woest, V. (2017): Fächerübergreifender Unterricht: Interessen- und Kompetenzentwicklung. In: C. Maurer (Hrsg.), Implementation fachdidaktischer Innovation im Spiegel von Forschung und Praxis. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Zürich 2016. (S. 640). Universität Regensburg, S. 276-279.

Hoffmann, C., Woest, V. & Hoßfeld, U. (2017): Konzeption einer Ausbildung in integrierten Naturwissenschaften. In: C. Maurer (Hrsg.), Implementation fachdidaktischer Innovation im Spiegel von Forschung und Praxis. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Zürich 2016. (S. 640). Universität Regensburg, S. 644-647.

Engelmann, P. & Woest, V. (2017): Ein Weiterbildungsstudiengang für integrierte Naturwissenschaften. In: C. Maurer (Hrsg.), Implementation fachdidaktischer Innovation im Spiegel von Forschung und Praxis. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Zürich 2016. (S. 640). Universität Regensburg, S. 640-643.

Busch, M. & Woest, V. (2016): Potential und Grenzen von fächerübergreifendem naturwissenschaftlichem Unterricht - Empirische Befunde zur Lehrerperspektive. In: MNU 4.2016, S. 269-277.

Busch, M. & Woest, V. (2016): Kompetenzentwicklung im fächerübergreifenden Unterricht - eine replikative Querschnittsuntersuchung. In: C. Maurer (Hrsg.), Authentizität und Lernen - das Fach in der Fachdidaktik. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Berlin 2015. Universität Regensburg, S.455-457.

Busch, M. & Woest, V. (2015): Fächerübergreifender NaWi-Unterricht in Thüringen- Lehrerperspektive. In: S. Bernholt (Hrsg.), Heterogenität und Diversität - Vielfalt der Voraussetzungen im naturwissenschaftlichen Unterricht. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Bremen 2014. Kiel: IPN, S. 55 - 57.

Blocküberschrift

Woest, Volker, Prof. Dr.
Seniorprofessor
Professur Didaktik des Chemieunterrichts
Zusatzinformationen einblenden
Telefon
+49 3641 9-48490
Raum E010
August-Bebel-Straße 2
07743 Jena
Professur Didaktik des Chemieunterrichts
Hoffmann, Clemens
Doktorand
Professur Didaktik des Chemieunterrichts
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Telefon
+49 3641 9-48495
Raum E009
August-Bebel-Straße 2
07743 Jena
Professur Didaktik des Chemieunterrichts
Engelmann, Philipp, Dr.
Postdoc
Professur Didaktik des Chemieunterrichts
Zusatzinformationen einblenden
Telefon
+49 3641 9-48495
Raum E009
August-Bebel-Straße 2
07743 Jena
Professur Didaktik des Chemieunterrichts

Literatur

  • Deutscher Bildungsrat (1969): Einrichtung von Schulversuchen mit Gesamtschulen. Empfehlungen der Bildungskommission. Bonn: Deutscher Bildungsrat, S. 53, 61f.
  • DPG (2010): Positionspapier: Integrierter Unterricht Naturwissenschaften. Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V., Arbeitsgruppe Schule.
  • GDCh (2005): Stärkung der naturwissenschaftlichen Bildung - Empfehlungen der Fachgruppe Chemieunterricht der GDCh für einen durchgängigen naturwissenschaftlichen Unterricht von der Grundschule bis zum Fachunterricht der weiterführenden Schulen. Gesellschaft Deutscher Chemiker.
  • GDNÄ (2006): Stellungnahme zum integrativen naturwissenschaftlichen Unterricht in der Jahrgangsstufe 5/6. Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte e. V.
  • Kremer, A. & Stäudel, L. (1997): Zum Stand des fächerübergreifenden naturwissenschaftlichen Unterrichts in der Bundesrepublik Deutschland. Eine vorläufige Bilanz. In: ZfDN Jg. 3 (3), 52-66.
  • Labudde, P. (2003): Fächer übergreifender Unterricht in und mit Physik. Eine zu wenig genutzte Chance. In: PhyDid 1/2 (2003), S. 48-66.
  • Rehm, M., Bünder, W., Haas, T., Buck, P., Labudde, P., Brovelli, D., Østergaard, E., Rittersbach, C., Wilhelm, M., Genseberger, R. & Svoboda, G. (2008): Legitimationen und Fundamente eines integrierten Unterrichtsfachs Science. In: ZfDN Jg. 14, S. 99-123.
  • Thüringer Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur (Hrsg.) (2013): Lehrplan für den Erwerb der allgemeinen Hochschulreife. Wahlpflichtfach Naturwissenschaften und Technik Erprobungsfassung 2013.
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