(2015) Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie

Delta Phi B
2015
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
– Über den Tellerrand der Physik hinausschauen –
MANUELA, AIGNER
[email protected]
Zusammenfassung
Vernetztes Denken im naturwissenschaftlichen Unterricht wird durch fächerübergreifenden Unterricht gefördert. Hier soll gezeigt werden, welche Möglichkeiten es gibt,
Physik- und Biologieunterricht erfolgreich und produktiv zu verbinden. Lohnt sich der
Mehraufwand, den diese Form des Unterrichtens mit sich bringt? Es werden empirische Studien zu fächerübergreifendem Unterricht vorgestellt und Argumente angeführt. Zur konkreten Veranschaulichung sollen Unterrichtsideen und Literaturhinweise
dienen.
1
Einleitung
1.1 „What is Life?“
Erwin Schrödinger hielt im Jahre 1943 am
Trinity College in Dublin eine Vorlesungsreihe
mit dem Titel „What is Life?“ – „Was ist Leben?“.
Grund dafür war die Entdeckung durch den
Physiker Max Delbrück, den Mediziner Salvador
Luria und den Mediziner Oswald Avery, dass die
DNA, durch die genetische Information übertragen wird, aus Molekülen besteht. Dies galt als
Geburtsstunde der molekularen Genetik. Die
Biologie war eine Wissenschaft geworden, für
die es galt, Moleküle und deren Wechselwirkungen zu erforschen. Dies war deshalb so revolutionär, da Moleküle den Gesetzen der Physik unterliegen (Westermayer and Rädler
2013).
Schrödinger beschäftigte sich mit den Gedanken, welche physikalische Struktur Erbinformation hat und wie sich die Stabilität der genetischen Ordnung durch die statistische Physik
erklären lässt.
Mit der Entdeckung der Doppelhelix im Jahre
1953 durch Watson und Crick wurde die Struktur der DNA (s. Abb. 1) dann schließlich durch
komplementäre Basenpaarung erklärt. Dass der
statistischen Physik bei den Funktionen der
Helix eine wichtige Rolle zukommt, erkannte
Schrödinger bald.
Entscheidend war die Erkenntnis, dass biologische Prozesse mit den Gesetzen der Physik vereinbar sind und dass es auch viele neue Phänomene in biologischen Systemen gibt, die mit
Methoden der Physik behandelt werden können
(Westermayer and Rädler 2013).
Biologische Prozesse lassen sich somit physikalisch beschreiben, auch im Unterricht sollte man
die Naturwissenschaften nicht strikt trennen.
Abb. 1 – Schematische Darstellung der DNADoppelhelix (a) sowie der Hybridisierung eines DNA-Doppelstrangs durch Basenpaarung
aus der Original-Veröffentlichung von
Watson und Crick 1953 (Watson and Crick
1953).
1.2 Interesse an Naturwissenschaft
Die Sasol- Studie dokumentierte, dass Physik
eines der unbeliebtesten Schulfächer ist (Abb.
2). Zwiorek zeigte außerdem in einer Studie,
dass die Unbeliebtheit des Physikunterrichtes
bei Mädchen noch viel stärker ausgeprägt ist als
bei Jungen (Zwiorek 2006).
Hoffmann, Häußler und Lehrke führten Untersuchungen an tausenden Schülerinnen und
Schülern durch und definierten drei verschiedene Interessensbereiche und Interessenstypen
(Hoffmann, Häußler et al. 1998).
Physik und Technik: Dieser Bereich beinhaltet
Inhalte der Wissenschaft Physik ohne konkrete
Anwendungen.
1
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
Aigner
Naturwissenschaften sind untrennbar miteinander verbunden. Eine strikte Trennung im
Unterricht ist nur mäßig sinnvoll. Durch eine
Einbindung von medizinischen und biologischen Inhalten im Physikunterricht kann man
das Interesse positiv beeinflussen (Müller
2006).
„Physikalische Inhalte aus Medizin, Sport und
Biologie kommen SchülerInnen – Interessen
besonders entgegen.“
Rainer Müller, 2006
Abb. 2 – Die beliebtesten Schulfächer in
Deutschland (Sasol-Studie zit. nach Strahl &
Preißler, 2014, S.120)
Mensch und Natur: Dieser Bereich umfasst Anwendungen der Physik. Auch Naturphänomene
und der menschliche Körper gehören in diesen
Bereich.
Gesellschaft: Hier lassen sich die gesellschaftliche, politische und geschichtliche Bedeutung
der Physik einordnen.
Typ A (ca. 20%): Das Interesse ist in allen drei
Bereichen etwa gleich stark ausgeprägt. Ihn
interessiert alles, was mit Physik zu tun hat
(Strahl and Preißler 2014).
Typ B (ca. 55%): Dieser Typ nteressiert sich
hauptsächlich für den Bereich „Mensch und
Natur“. Im Physikunterricht interessieren sie
sich für die praktische Seite der Physik und für
Naturerscheinungen (Strahl and Preißler 2014).
Typ C (ca. 25%): Das Hauptinteresse liegt hier
im Bereich „Gesellschaft“, der Bereich „Physik
und Technik“ kann ihn nicht begeistern. Vor
allem Mädchen der höheren Klassenstufen sind
hier einzuordnen. Physik ist nur dann interessant, wenn es von persönlicher Bedeutung ist.
Er interessiert sich hauptsächlich für die Diskussion der Folgen von Physik und Technik
(Strahl and Preißler 2014).
Abbildung 3 veranschaulicht die Zusammenhänge der Interessensgebiete- und Typen.
Abb. 3 – Zusammenhänge zwischen Interessensgebieten – und Typen (nach Strahl &
Preißler, 2014)
Fächerübergreifendes Unterrichten sollte als
ständige komplementäre Ergänzung zum Fachunterricht verwendet werden. Damit knüpft
man an das stärkere Interesse der Mädchen am
Themenbereich Mensch und Natur an und erhält gleichzeitig einen starken Kontextbezug.
Man sollte sich die Vorliebe an kontextbezogenen Inhalten mit Biologie, Medizin und Sport im
Unterricht zunutze machen indem man fächerübergreifende Bezüge herstellt. Diese Thematik
soll auf den folgenden Seiten behandelt werden.
2
Fächerübergreifender Unterricht
Der Begriff „fächerübergreifender Unterricht“
wird im Folgenden als Oberbegriff verwendet.
Synonym wird oft das Wort „interdisziplinär“
verwendet. Es gibt verschiedene Formen des
fächerübergreifenden Unterrichts. Diese wurden nach Labudde (Labudde 2003) auf 2 verschiedenen Ebenen definiert, der Ebene der
Stundentafel und der Ebene der Inhalte.
2.1 Typen
Die Formen fächerübergreifenden Unterrichts
sind in Tabelle 1 zusammenfassend dargestellt.
2
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
Aigner
Tab. 1 – Kategorien fächerübergreifenden Unterrichts aus der Perspektive der Fächer (nach
Labudde 2003)
„Fach überschreitend“: Hier gilt das Einzelfach
als Ausgangsbasis. Beim Fach überschreitenden
Unterricht werden Fachgrenzen überschritten,
indem Erkenntnisse aus einem anderen Fach
eingebracht werden. Fächerübergreifender Unterricht kann demnach auch im Physikunterricht selbst stattfinden (Labudde 2003).
„Fächer verknüpfend“: Hierbei sind zwei oder
mehr Fächer aktiv beteiligt. Fachinhalte werden
verknüpft. Es finden enge curriculare Absprachen zwischen Lehrkräften der beteiligten Fächer statt. Ein Beispiel hierfür wäre eine enge
Absprache zwischen Physik- und Biologielehrkraft bei den Themen Hydrostatik bzw. Herz/Kreislaufsystem (Labudde 2003).
„Themen zentriert“: Hier wird an einem Thema
gearbeitet, wobei Bezüge zu mehreren Fächern
auftreten. In der Literatur wird dieser Typ oft
auch als „Fächer koordinierend“ bezeichnet. Oft
handelt es sich bei diesen übergeordneten
Themen um Schlüsselprobleme der Menschheit,
die aus der Perspektive mehrerer Fächer bearbeitet werden (z.B. Treibhauseffekt) (Labudde
2003).
„Fächer ergänzend“: Die traditionellen Fächer
bestehen wie gewöhnlich in der Stundentafel,
aber es gibt ergänzende Angebote: Beispiele
hierfür wären Wahlfächer, Blockwochen uvm.
Fächerübergreifende Themen werden an speziellen Zeitpunkten zusätzlich und ergänzend zu
Abb. 4 – Fächerübergreifende Themen zum Thema „Das Auto“ (Günther and Labudde 2012)
3
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
den Einzelfächern unterrichtet.
„Integriert“: Es werden spezielle Integrationsfächer angeboten, in denen fächerübergreifende
Inhalte erarbeitet werden. Phasenweise werden
sowohl Fächer übergreifende wie auch Fach
spezifische Inhalte erarbeitet (Labudde 2003).
Im Folgenden soll nur auf eine Unterscheidung
zwischen den drei verschiedenen Arten fächerübergreifenden Unterrichts auf der Ebene der
Inhalte eingegangen werden.
2.2 Kontextorientierung als Ausgangspunkt
Durch die Thematisierung von alltags- und anwendungsorientierten Kontexten soll Unterricht realitätsnah und damit interessanter werden. Alternative Zugänge zur Physik werden
aufgezeigt und damit die Motivation erhöht. In
kontextorientiertem Unterricht werden oftmals
die Grenzen des Fachs überschritten und Elemente aus anderen Fächern aufgegriffen. Als
Beispiel für einen derartigen Kontextorientierten fächerübergreifenden Zugang soll das Auto
dienen (s. Abb. 4). Es ist deutlich zu erkennen,
dass in vielen Fächern und selbst für fast jedes
Teilgebiet der Physik Bezug zum Thema zu finden ist (Günther and Labudde 2012).
Fächerübergreifender Unterricht ist eine Möglichkeit, den Physikunterricht motivierender
und alltagsbezogener zu gestalten.
3
Beispiele
Die folgenden teilweise durchgeplanten Unterrichtseinheiten wurden von verschiedenen Autoren entworfen und von Peter Labudde in einem Lehrbuch für fächerübergreifenden Unterricht publiziert (Labudde 2008).
Es soll für jede der 3 unterschiedlichen Arten
fächerübergreifenden Unterrichts (auf der Ebene der Inhalte) ein kurzes Beispiel gezeigt werden.
3.1 Fachüberschreitender Unterricht: Das Leben in der Kälte oder Warum frieren Pinguine nicht? (Labudde 2008, Metzger and
Geddert 2008)
Diese Unterrichtseinheit von Susanne Metzger
und Anja Geddert (Metzger and Geddert 2008)
ist für die Schulstufen 8 bis 10 konzipiert und
ist fachüberschreitend geplant. Es soll den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, neue Horizonte zu erschließen, die den Rahmen der üblichen Physikstunden sprengen. Der fächerüberschreitende Teil dieser Unterrichtseinheit besteht aus einer Vernetzung der physikalischen
Inhalte mit biologischen, medizinischen und
geographischen.
Aigner
Ziele:
Es sollen die verschiedenen Arten der Energieübertragung in Form von Wärme (Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Konvektion) und entsprechende Phänomene aus Natur, Technik und
Alltag erarbeitet werden. Außerdem sollen die
Schülerinnen und Schüler eine übertragene
Wärmemenge mit Hilfe der spezifischen Wärmekapazität berechnen und Experimente
selbstständig planen und durchführen können
(Metzger and Geddert 2008).
Die Unterrichtseinheiten:
Bevor mit dieser Unterrichtseinheit begonnen
wird, bekommen die Schülerinnen und Schüler
als Hausaufgabe den Auftrag, sich zu den Zonen
Arktis und Antarktis Informationen bezüglich
Klima, Bevölkerung, Tierwelt, Vegetation, geographische Lage zu beschaffen (Metzger and
Geddert 2008).
Als Einstieg in diese Unterrichtseinheit wird ein
Zeitungsartikel über den Magier David Blaine,
der sich im Jahr 2000 in New York für 62 Stunden lebendig einfrieren ließ, bearbeitet
(Schwalb 2000) (s. Abb. 5). Dabei soll herausgearbeitet werden, dass sich der Magier in einer
Extremsituation befand: in extremer Kälte.
Abb. 5 – David Blaine ließ sich 62 Stunden
lang in einem Eisblock einschließen
(Schwalb 2000)
Bei der anschließenden Diskussion der Hausaufgabe soll deutlich werden, dass es Gebiete
auf der Erde gibt, in denen Menschen nicht
überlebensfähig sind, manche Tiere sich allerdings an diese Bedingungen durch Mechanismen gegen zu hohe Wärmeabgaben angepasst
haben. Durch Erarbeiten dieser Mechanismen
(Gefieder, Fettschicht, Fell, Luft in Fell und Ge4
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
fieder) soll erkannt werden, dass die spezifische
Wärmekapazität als Materialkonstante eine
wichtige Rolle spielt. Anschließend wird in
Gruppenarbeit die spezifische Wärmekapazität
von Wasser bestimmt. Als Abschluss dieser ersten Doppelstunde wird darauf eingegangen, wie
sich Pinguin und Eisbär vor eindringendem
Wasser schützen. Dabei wird Bezug auf die spezifische Wärmekapazität von Wasser und Luft
genommen. Als Hausaufgabe sollen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Berechnungen
von Wärmemengen sowie der spezifischen
Wärmekapazität durchführen, um das Gelernte
anzuwenden (Metzger and Geddert 2008).
Die zweite Unterrichtseinheit wird mit einer
Wiederholung begonnen. Dazu sollen anhand
von Bildern, auf denen Pinguine auf Eis zu sehen sind, deren Mechanismen gegen zu hohe
Wärmeabgaben beschrieben werden. Außerdem sollen die Konsequenzen der Nacktheit von
Flügeln und Füßen diskutiert werden. Pinguine
haben eine konstante Körperkerntemperatur
von ca. 40°C, welche allerdings an den Extremitäten stark schwanken kann. Mithilfe einer Abbildung, welche die Körpertemperatur eines
Pinguins darstellt (s. Abb. 6), wird verdeutlicht,
dass die Körperoberflächentemperatur stark
von der Körperkerntemperatur abweicht
(Metzger and Geddert 2008).
Um auf die Konvektion hinzuführen, können
zwei Versuchsaufbauten verwendet werden, die
Abb. 6 – Körpertemperatur eines Pinguins (Labudde 2008, Metzger and Geddert
2008)
sich von außen gleichen. Im oberen Teil führen
zwei Schläuche in eine Black Box. Diese Schläu-
Aigner
che ragen auf der jeweils anderen Seite am unteren Ende der Black Box heraus in einen Becher hinein. Das vom Herzen kommende Blut
(Körperkerntemperatur) wird mit Hilfe von
50°C heißem Wasser und das von den Extremitäten kommende kalte Blut (Umgebungstemperatur) wird mit Hilfe von kaltem Wasser (2°C)
simuliert. Es sollen dann von den Lernenden bei
beiden Versuchsaufbauten oben die Flüssigkeiten eingefüllt und unten die Endtemperaturen
abgelesen werden. Bei einem Aufbau bleiben
die Temperaturen konstant, beim zweiten Aufbau wurde die kalte Flüssigkeit erwärmt und
die heiße Flüssigkeit abgekühlt. Im Gespräch
soll dann erarbeitet werden, was die beiden
Aufbauten unterscheidet: Beim ersten Versuchsaufbau gibt es in der Black Box keine Verbindung zwischen den beiden Schläuchen, im
zweiten Aufbau allerdings schon. Zwischen den
beiden Schläuchen muss also eine Wärmeübertragung stattfinden: Das Gegenstromprinzip,
dem das Prinzip der Konvektion zugrunde liegt.
Zum Abschluss der Einheit wird besprochen,
warum es für Pinguine vorteilhaft ist, wenn bei
kalter Umgebung die Extremitäten eine geringe
Temperatur haben. Einerseits wird dadurch das
Einsinken in den Schnee verhindert, und andererseits der Energieverlust durch Wärmeabgaben verringert. Anschließend sollen die Schülerinnen und Schüler Aufgaben zum Thema Konvektion in Kleingruppen bearbeiten. Jeweils
eine Kleingruppe behandelt eines der folgenden
Themen, zu denen ein Modellexperiment gefunden werden soll und deren Ergebnisse auf Folien zu präsentieren sind: Warmwasserheizung,
Konvektion in der Wohnung, Meeresströmungen und Aufwinde (Metzger and Geddert 2008).
Die Materialien für diese Arbeitsaufträge werden ohne Zuordnung zu den einzelnen Themen
zur Verfügung gestellt.
Am Beginn der nächsten Unterrichtseinheit (5.
und 6. Unterrichtsstunde) präsentieren die
Schülerinnen und Schüler ihre Experimente und
Ergebnisse der letzten Stunde.
Die Wärmestrahlung wird mit Hilfe der Allenschen Regel eingeführt, indem ein Text zu Erfrierungen und Wärmeregulationsfunktionen
der Extremitäten bearbeitet wird. Die Allensche
Regel besagt, dass bei Tieren einer Population
die relative Größe der Körperanhänge in kalten
Klimazonen geringer ist als bei verwandten
Arten in wärmeren Gebieten.
Anschließend sollen anhand eines Lexikonartikels über Eisbären in Einzelarbeit deren Wärmeschutzmechanismen erarbeitet und anschließend durch ein Modellexperimentver5
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
deutlicht werden. Es wird ein Modell eines Bären in schwarz und eines Bären in weiß im gleichen Abstand vor eine Lampe gestellt und im
Abstand von 3 Minuten die Temperatur der
Modelle gemessen. Es sollte hier deutlich werden, dass die Oberfläche des schwarzen Bären
sich stärker erwärmt, die Wärmestrahlung also
stärker absorbiert als das Modell des weißen
Bären. Anschließend wird der scheinbare Widerspruch zwischen der guten Tarnung beim
weißen Bären und der guten Wärmeaufnahmefähigkeit beim dunklen Bären diskutiert. Das
Fell des Eisbären ist hohl und unter dem Fell
befindet sich eine schwarze Haut. Die luftgefüllten Haare reflektieren das eingestrahlte Sonnenlicht und leiten es damit zur dunklen Haut,
was wiederum eine gute Wärmeaufnahme ermöglicht (Metzger and Geddert 2008).
In der letzten Unterrichtseinheit (7. und 8.
Stunde) werden zunächst die bisher erarbeiteten Wärmetransportphänomene wiederholt.
Anschließend wird die dritte Art des Wärmetransportes, die Wärmeleitung erarbeitet.
Dazu werden Versuche zur Wärmeleitung in
verschiedenen Stoffen (Flüssigkeiten, Feststoffe,
Gase) durchgeführt:
 Wärmeleitapparat nach Ingenhousz:
Verschiedene Festkörper gleicher Größe
werden in ein heißes Wasserbad getaucht.
An der Oberfläche der Festkörper sind Indikatoren aufgebracht, die sich bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich
färben.
 Nachweis der geringen Wärmeleitfähigkeit
von Wasser:
Ein Reagenzglas wird mit Wasser und einem
Stück Eis befüllt. Das Eis muss mit einem
Stück Draht befestigt werden, damit es nicht
durch den Auftrieb wieder nach oben steigt.
Der obere Teil des Reagenzglases wird mit
einem Bunsenbrenner erhitzt. Im oberen Bereich fängt das Wasser zu sieden an, das Eis
jedoch schmilzt nicht.
 Leidenfrostsches Phänomen:
Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte
„tanzen“ auf der Platte herum und verdampfen sehr langsam. Zwischen Tropfen und
Platte bildet sich eine Wasserdampfschicht,
welche die Wärme nur sehr schwach leitet.
Aigner
Die Versuche zeigen, dass Metalle bessere
Wärmeleiter sind als Nichtmetalle. Glas, Holz,
Kunststoff leiten Wärme schlecht und können
als Isolatoren verwendet werden. Die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten ist viel geringer
und Gase leiten Wärme kaum.
Dadurch wird deutlich, dass auch die Wärmeleitfähigkeit eine Materialkonstante ist. Anschließend wird die Formel zur Berechnung der
übertragenen Wärmemenge eingeführt.
Als Abschluss der gesamten Einheit werden die
drei Arten der Wärmeübertragung noch einmal
zusammengefasst und Unterschiede sowie Gemeinsamkeiten erarbeitet (Metzger and
Geddert 2008).
3.2 Fächerverknüpfender Unterricht: Fächerübergreifendes Lernen im naturwissenschaftlichen Labor (NWL) (Ackerl, Lang et
al. 2008)
Hierbei handelt es sich um ein Konzept, das im
BRG Leibnitz in der Steiermark bereits seit über
10 Jahren umgesetzt wird. Diese Unterrichtsidee ist für das 8. bis 12. Schuljahr gedacht und
verknüpft die Fächer Biologie, Chemie und Physik zu einem je Schuljahr zweistündigen Pflichtfach, das als Doppelstunde unterrichtet wird. Es
werden die Klassen in zwei Laboreinheiten
(Halbklassen) aufgeteilt, deren Betreuer wöchentlich wechseln. In jeder Einheit sollen praktische Aufgaben und Fragestellungen in Kleingruppen bearbeitet werden. Ziel ist es, die Jugendlichen zu motivieren, selbstständig Fragen
zu stellen und Antworten zu finden. In den Jahrgängen 8, 10-12 arbeiten im NWL jeweils zwei
Fächer sehr eng zusammen (siehe Tab. 2)
(Labudde 2008).
Klasse
8
NWL
4
Biologie und Umweltkunde
- Chemie
Klasse
10
NWL
6
Biologie und Umweltkunde
- Physik
Klasse
11
NWL
7
Chemie - Physik
Klasse
12
NWL
8
Biologie und Umweltkunde
- Chemie
Tab. 2 - Konzept des NWL über die 4 Jahrgangsstufen (Ackerl et al. 2008, Labudde
2008)
6
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
Aigner
Biologie
Physik
E
Okt.
Mikroskopieren, Sezieren, Präparieren
Einführung
Messen und Auswerten, Protokollführung
2
Nov.
Knochen und Gelenke
Muskelapparat
Statik
Größe und Form, Hebel
Bestimmung von Muskelkraft
2
Dez.
Bewegungsapparat
Antagonisten
Fortbewegung
Springen, Schwimmen, Fliegen
2
Jan.
Rezeptoren – Übersicht
Hautrezeptoren
Sinne
Übersicht und Wahrnehmung
Hautrezeptoren
2
Feb.
Formen und Entwicklung
Sezieren eines Rinderauges
Abbildung mit Linsen
Auge
2
Mär.
Stimmapparat, Ohr
Stimme und Ohr
2
Apr.
Geruch und Geschmack
Geruch und Geschmack
2
Mai
Nervenleitung
Nervenleitung
2
Juni
Selbstständiges Forschen
Nerven
4
Tab. 3 – Themenübersicht NWL 6 (Biologie – Physik) (Acker et al. 2008, Labudde 2008)
Themenübersicht NWL 6 (Biologie – Physik): In
der 10. Klasse sollen die Schülerinnen und Schüler aufwändigere Laborarbeit und selbstständiges Forschen lernen. Anfangs werden grundlegende Techniken wie Sezieren, Beobachten,
Messen und Auswerten erarbeitet. Thematisch
liegt der Schwerpunkt im NWL 6 bei den Sinnesorganen und Bewegung (siehe Tab. 3).
Beim Thema Ohr wird beispielsweise eine
Schweinekopfhälfte seziert und die Gehörknöchelchen freigelegt und Experimente zur Entstehung und Ausbreitung von Schall, zum subjektiven Hörempfinden des Menschen, Gefahren
durch Lärmbelastung sowie Tonhöhen- und
Lautstärkemessungen sowie zur Simulation von
Schwerhörigkeit durchgeführt.
Die Lehrkraft hat beim NWL vor allem Beobachterfunktion. Ziel ist es, die Schülerinnen
und Schüler zu befähigen, Fragen innerhalb
eines weit gesteckten Stoffrahmens zu stellen
und geeignete Experimente zu planen. Sie müssen ihre Erkenntnisse und Messwerte dokumentieren und interpretieren. Die Ergebnisse
müssen außerdem in einer schriftlichen Arbeit
zusammengefasst und multimedial präsentiert
werden (Ackerl, Lang et al. 2008, Labudde
2008).
3.3 Fächerkoordinierender Unterricht: Fließgewässer – ein vielseitiger Lernort in unserer Nähe (Küng 2008, Labudde 2008)
Dieses Unterrichtskonzept wurde von Ruedi
Küng für die Schuljahre 5-9 geplant und beinhaltet die Fächer Biologie, Chemie, Geographie
und Physik. Es werden 1-2 Stunden zur Vorbereitung im Klassenzimmer benötigt, dann 2-4
Stunden im Feld gearbeitet und anschließend 2
Stunden im Klassenzimmer für die Nachbereitung (Küng 2008, Labudde 2008).
Ziel ist es, die Gewässerqualität mit biologischen, chemischen und physikalischen Methoden zu bestimmen und dadurch Routine bei der
praktischen Arbeit im Feld zu gewinnen. Anschließend sollen die Daten gesammelt, geordnet und ausgewertet werden (Küng 2008).
Biologische Untersuchung:
Es soll die Wasserqualität mithilfe von wirbellosen Tieren bestimmt werden. Es besteht ein
Zusammenhang zwischen der Artenzahl und
der Belastung mit organischen Stoffen (Abwasser). Es sollen standardisierte Proben entnommen werden und die Anzahl verschiedener Tierformen ermittelt werden. Die Auswertung kann
mithilfe einer Tabelle nach P. Lassleben
(Lassleben 1983) erfolgen. Durch Identifizierung der Individuenzahl und der anspruchsvollsten Art lässt sich so die Wasserqualität
bestimmen (Küng 2008).
Chemische Untersuchung:
Mithilfe verschiedener Teststäbchen die in
Tierhandlungen erhältlich sind können Nitrat,
pH-Wert und Wasserhärte bestimmt werden.
Der Nitratgehalt kann durch übermäßige Düngung und der pH-Wert durch sauren Regen erhöht werden. Vor allem Nitrat- und pH-Werte
lassen Rückschlüsse auf die Wasserqualität zu.
7
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
Die jeweiligen Grenzwerte können der Literatur
(Pluschke) entnommen werden (Küng 2008).
Physikalische Untersuchung:
Es sollen die Fließgeschwindigkeit und Wassertemperatur bestimmt werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Fließgeschwindigkeit
nach eigenen Ideen bestimmen. Falls dieser
Versuch scheitert, kann man sie auf herumliegendes Laub oder Stöckchen aufmerksam machen. Die Menge an gelöstem Sauerstoff nimmt
mit zunehmender Temperatur des Wassers ab.
Fische sterben bei Wassertemperaturen von
über 37°C (lange Sommerhitze). Aber bereits
wenn das Wasser längere Zeit 20°C warm ist, ist
das Leben im Wasser bedroht (Küng 2008).
Die gesammelten Resultate sollen mit Karten,
Zeichnungen, Fotos und Beschreibungen ergänzt werden und können dann in der Schule
ausgestellt werden (Küng 2008).
3.4 Dimensionen
Im Rahmen des Forschungsprojektes BEFUN
(Beurteilen im fächerübergreifenden Unterricht
in Naturwissenschaften) wurde ein Modell entwickelt, das die verschiedenen Dimensionen des
fächerübergreifenden Unterrichts systematisiert. Es soll Lehrpersonen als Orientierungshilfe dienen. In dem Modell werden verschiedene
Ebenen unterschieden und klassische Parameter der Unterrichtsplanung mit anderen Aspekten wie der Beurteilung und der Rolle der Lehrperson verknüpft (Labudde, Heitzmann et al.
2005).
Das Modell beinhaltet sieben Dimensionen mit
jeweils 2-4 verschiedenen Facetten. Es ist wie
eine Mindmap aufgebaut, die aus 16 Ästen besteht. Es gibt von innen nach Außen mehrere
Stufen, d.h. je weiter man sich nach „Außen“
wagt, desto weiter entfernt man sich vom üblichen Fachunterricht (Labudde, Heitzmann et al.
2005).
Hier soll dieses Modell nur als Orientierungshilfe erwähnt, nicht jedoch näher darauf eingegangen werden. Die einzelnen Dimensionen werden in der Literatur ausführlich beschrieben.
4
Begründungen für fächerübergreifenden
Unterricht
In der Literatur können zahlreiche Begründungen gefunden werden. Hier sollen jene aufgelistet werden, die von P. Labudde in acht Punkten
zusammengefasst wurden (Labudde 2003,
Labudde 2014).
4.1 Konstruktivistische Lerntheorien:
Ein konstruktivistisch orientierter Unterricht
führt zwangsläufig zu fächerübergreifendem
Aigner
Unterricht. Schülerinnen und Schüler sollen die
Möglichkeit erhalten, an ihr Vorwissen anzuknüpfen und neues Wissen in einem für sie relevante Kontext aufzubauen. Sie werden dabei
nicht in Fachschubladen denken.
4.2 Wissenschaftspropädeutik:
Fächerübergreifender Unterricht kann dazu
beitragen, Denk- und Arbeitsweisen, Chancen
und Grenzen eines Fachs zu verdeutlichen.
4.3 Schlüsselprobleme der Menschheit:
Schlüsselprobleme wie Energieversorgung,
Treibhauseffekt, Bevölkerungsexplosion, können nur durch die Zusammenarbeit mehrerer
Disziplinen genau beschrieben werden. Ziel soll
es sein, Probleme zu charakterisieren und zu
lösen durch das Vernetzen von Gelerntem aus
mehreren verschiedenen Fächern.
4.4 Schule als Erfahrungsraum - Lernen in Projekten:
Projektunterricht kann sowohl im fächerübergreifenden wie auch im fachspezifischen Unterricht angewendet werden. In vielen Fällen wird
er aber automatisch Fächer übergreifend sein.
4.5 Überfachliche Kompetenzen:
In den 90er Jahren wurde der Begriff Schlüsselqualifikationen vor allem in Zusammenhang mit
der Berufsbildung geprägt. Es wurden Curricula
gefordert, die sich an Lernfeldern orientierten.
Zu den Schlüsselqualifikationen gehören u.a.
Selbstakzeptanz, Kreativität, Verantwortung,
Umweltkompetenz, Kooperations- und Kritikfähigkeit. Manche Kompetenzen lassen sich in
fächerübergreifendem Unterricht besser erreichen als mit Fachunterricht, z.B. Umweltkompetenz und differenziertes Denken.
4.6 Informationsbeschaffung im ICT-Zeitalter:
Durch die rasche Ausbreitung des ICT (Information and Communication Technologies) steht
die Schule vor der Herausforderung, die Schülerinnen und Schüler auf einen verantwortungsvollen, sinnvollen und effizienten Umgang mit
den ICT vorzubereiten. Fächerübergreifender
Unterricht soll dazu beitragen, Schülerinnen
und Schüler auf diese neue, nichtlineare Art der
Informationsbeschaffung vorzubereiten.
4.7 Gendergerechter Unterricht:
Fächerübergreifender Unterricht fördert sowohl Mädchen als auch Jungen. Die Problematik
des Desinteresses junger Frauen an der Physik,
deren geringe Selbsteinschätzung und schlechtere Leistungen ist bekannt und empirisch untersucht. Förderungsmaßnahmen beinhalten
Kontextbezug, Projektunterricht, sowie eine
8
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
Integration des Vorverständnisses. Diese Punkte können mit fächerübergreifendem Unterricht
besonders gut erreicht werden.
4.8 PISA- und TIMSS- Resultate:
Kritisiert wurden in den letzten Jahren vor allem die schlechten Leistungen beim Anwenden
und Übertragen mathematisch- naturwissenschaftlicher Kenntnisse auf neue Situationen.
Daher werden Unterrichtsmethoden oft hinterfragt. Die deutsche Expertenkommission des
BLK (Bundes-Länder-Kommission)-Gutachtens,
deren Aufgabe die Bearbeitung dieses Kritikpunktes ist, schlägt verschiedene Maßnahmen
vor, die auf fächerübergreifenden Unterricht
hinzielen (Labudde 2003).
Die meisten dieser Punkte lassen sich durchaus
auch im normalen Fachunterricht erreichen. Es
bleiben aber manche Punkte, für deren Umsetzung fächerübergreifender Unterricht wahrscheinlich die besseren Voraussetzungen mit
sich bringt als ein ausschließlich an der Fachsystematik orientierter Unterricht.
5
Empirische Forschungsresultate
Es gibt nur wenige empirische Studien zum fächerübergreifenden Unterricht. Im Folgenden
sollen vier Publikationen vorgestellt werden.
In Schweden besteht für Schulen die Möglichkeit, Naturwissenschaften entweder als Integrationsfach oder als Einzelfächer anzubieten. Maria Åström verglich in ihrer Dissertation PISAResultate zwischen den Unterrichtskonzepten
integriert und gefächert und kam zu folgenden
Ergebnissen: PISA 2003 und PISA 2006 zeigten
keine Unterschiede sowohl zwischen den
Kontrollgruppen als auch zwischen Mädchen
und Jungen. Bemerkenswert ist hier, dass beide
Unterrichtskonzepte in einem Land und
Bildungssystem stattfinden, und daher alle
anderen beeinflussenden Parameter wie
LehrerInnenbildung,
Ausrüstung
und
Zusammensetzung der Schülerschaft für beide
Kontrollgruppen identisch sind (Åström 2008).
Eine englische Metaanalyse von Bennett et al
präsentiert die Ergebnisse von 17 Studien. Ihre
Arbeit zeigt, dass sich durch Kontext basierten
fächerübergreifenden Unterricht eine positivere
Einstellung zu Naturwissenschaften erreichen
lässt. Insbesondere Mädchen profitieren von
dieser Art Unterricht, da sich die Geschlechterdifferenz hinsichtlich der Einstellung zu naturwissenschaftlichem
Unterricht
verringert
(Bennett, Lubben et al. 2007).
Die Dissertation von Silke Klos (2007) führt zu
folgenden Ergebnissen: In fächerübergreifendem Unterricht (Integrationsfach) wird mehr
Aigner
experimentiert als im Fach Biologie, zu Physik
gibt es allerdings keine Unterschiede. Die Mädchen, die integrierten naturwissenschaftlichen
Unterricht hatten, zeigten ein gleich hohes
Fachinteresse wie die Jungen, was für die Kontrollgruppe, in der die Fächer einzeln unterrichtet wurden, nicht galt (Klos 2007).
Gottfried Merzyn beschreibt in seiner Studie,
warum fachsystematischer naturwissenschaftlicher Unterricht sich in Deutschland so stark
behauptet. Er kommt zu dem Ergebnis, dass
schon an der Universität reine Fachsystematik
unterrichtet wird. Die Schwierigkeiten der
Stoffauswahl, Unterrichtsmethoden und Schülervorstellungen scheinen auch eine große Rolle
zu spielen (Merzyn 2013).
6
Fächerübergriff Biologie – Physik (Biophysik)
Im Folgenden sollen einige Themen angeführt
werden, die für eine fächerübergreifende Bearbeitung im Unterricht von Physik und Biologie
gut geeignet sind. Es soll verdeutlicht werden,
dass es für zahlreiche Themen eine Möglichkeit
des Fächerübergriffs gibt. Es sind auch einige
Literaturquellen angeführt, wo die entsprechenden Themen bereits fächerübergreifend
bearbeitet wurden.
 Physik der DNA (Westermayer and Rädler
2013)
 Medizinphysik – moderne Verfahren in Diagnostik und Therapie
o Strahlenbiophysik,
Nuklearmedizin
(Keith, Elsholz et al. 2013)
o Kernspinresonanz (Dietrich 2013)
o Ultraschalldiagnostik (Wiesner)
o Blutdruck (Wiesner)
o Skiaskopie (Colicchia, Wiesner et al.
2004)
o Körperfettmessung
o Computertomographie (Wiesner)
o Röntgendiagnostik (Wiesner)
o Endoskopie
o MRT
o IR Thermometer (Müller and Bien 2004)
 Sinne – Auge, Ohr (Kuhn and Müller 2004,
Rühenbeck 2013)
 Neuronale Signalleitung (Nerding and
Dietrich 2012)
 Photosynthese
 Treibhauseffekt
 Bionik
 Biomechanik (Wiesner)
o Belastung der Wirbelsäule (Anwendung
des zweiseitigen Hebels)
o Statik d. Kauapparats von Reptilien und
Säugetieren
9
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
 Feuerlaufen – Entmystifizierung über physikalische Betrachtungen (Wiesner and
Colicchia 2013)
 Das Leben in der Kälte (Hopf, Colicchia et al.
2004, Labudde 2008)
 Besondere Sinne bei Tieren: Echolokation,
Grubenorgan, Facettenauge, Magnetsinn, Seitenlinienorgan, lorenzinische Ampullen,...
 Optische Täuschungen
 Energieumsatz (Atmung, Stoffwechsel, Blutkreislauf) (Müller 2001, Labudde 2008)
7
Zusammenfassung
Fächerübergreifende Unterrichtsformen sind
eine Möglichkeit, neue pädagogische und methodische Wege zu beschreiten und neue Horizonte sowie der Schülerinnen und Schüler als
auch der Lehrperson zu eröffnen. Weiters kann
der Kontextbezug und somit die Motivation am
Physikunterricht erhöht werden, da relevante
und authentische Probleme (z.B.: Energieversorgung, Treibhauseffekt, etc.) in der Regel Fächergrenzen überschreiten. Durch fächerübergreifenden Unterricht kann außerdem die Bedeutung der Physik verdeutlicht werden.
Fächerübergreifender Unterricht ist eine gute
Alternative und Ergänzung zu fachspezifischen
Unterrichtsformen.
8
Literatur
Ackerl, B., et al. (2008). Fächerübergreifendes Lernen im
naturwissenschaftlichen Labor (NWL).
Naturwissenschaften vernetzen, Horizonte erweitern Fächerübergreifender Unterricht konkret. Seelze-Velber,
Kallmeyer in Verbindung mit Klett, Erhard Friedrich
Verlag GmbH.
Åström, M. (2008). Defining integrated science education
and putting it to test. . Department of social and welfare
studies (PhD-Thesis). Norrköping, Mitteruniversitetet.
Bennett, J., et al. (2007). "Bringing science to life: A
synthesis of the research evidence on the effects of
context-based and STS approaches to science teaching."
Science Education 91: 347-370.
Colicchia, G., et al. (2004). "Die Skiaskopie - Anwendung
der elementaren Optik im Schulunterricht."
Naturwissenschaften im Unterricht 53(8).
Dietrich, R. (2013). "Ein einfaches Modellexperiment zur
Kernspinresonanz." Praxis der Naturwissenschaften:
Physik in der Schule 62(4): 11-14.
Günther, J. and P. Labudde (2012). "Physik vernetzen:
Formen und Facetten des fächerübergreifenden
Unterrichts." Naturwissenschaften im Unterricht
23(132): 4-8.
Hoffmann, L., et al. (1998). Die IPN-Interessensstudie
Physik. Kiel, IPN.
Hopf, M., et al. (2004). "Die Bergmann´sche Regel Vorschlag für einen fachübergreifenden Unterricht."
Naturwissenschaften im Unterricht 53(8).
Keith, S., et al. (2013). "Wer war schon mal in der
"Röhre"?" Praxis der Naturwissenschaften: Physik in der
Schule 62(4): 24-30.
Klos, S. (2007). Kompetenzförderung im
naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht - Der
Aigner
Einfluss eines integrierten Unterrichtskonzepts
(Dissertation). Berlin, Logos.
Kuhn, J. and A. Müller (2004). "Optische Wahrnehmung
zwischen Physik und Biologie - Aufgaben und
Schülerversuche." Naturwissenschaften im Unterricht
53(8).
Küng, R. (2008). Fließgewässer - ein vielseitiger Lernort in
unserer Nähe. Naturwissenschaften vernetzen,
Horizonte erweitern - Fächerübergreifender Unterricht
konkret. Seelze-Velber, Kallmeyer in Verbindung mit
Klett, Erhard Friedrich Verlag GmbH: 186-194.
Labudde, P. (2003). "Fächerübergreifender Unterricht in
und mit Physik: Eine zu wenig genutzte Chance." Physik
und Didaktik in Schule und Hochschule: 48-66.
Labudde, P. (2008). Naturwissenschaften vernetzen,
Horizonte erweitern - Fächerübergreifender Unterricht
konkret. Seelze-Velber, Kallmeyer in Verbindung mit
Klett, Erhard Friedrich Verlag GmbH.
Labudde, P. (2014). "Fächerübergreifender
naturwissenschaftlicher Unterricht – Mythen,
Definitionen, Fakten." ZfDN(20): 11-19.
Labudde, P., et al. (2005). "Dimensionen und Facetten des
fä cherü bergreifenden naturwissenschaftlichen
Unterrichts: ein Modell." Zeitschrift für Didaktik der
Naturwissenschaften 11: 103-115.
Lassleben, P. (1983). "Gewässerdiagnose für jedermann."
Kosmos 6: 40.46.
Merzyn, G. (2013). "Fachsystematischer Unterricht: Eine
umstrittene Konzeption." Der mathematischnaturwissenschaftliche Unterricht 66(5): 265-269.
Metzger, S. and A. Geddert (2008). Das Leben in der Kälte.
Naturwissenschaften vernetzen, Horizonte erweitern Fächerübergreifender Unterricht konkret. Seelze-Velber,
Kallmeyer in Verbindung mit Klett, Erhard Friedrich
Verlag GmbH.
Müller, R. (2001). "Atmung, Stoffwechsel und
Blutkreislauf." Praxis der Naturwissenschaften: Physik
in der Schule 8(50): 23-29.
Müller, R. (2006). "Physik in interessanten Kontexten."
Piko.
Müller, W. and N. v. Bien (2004). "Die Physik des InfrarotOhrthermometers." Naturwissenschaften im Unterricht
53(8).
Nerding, M. and R. Dietrich (2012). "Biophysik Fächerübergreifender Unterricht oder neues
Unterrichtsfach?" Naturwissenschaften im Unterricht
23(132): 24-29.
Pluschke, P. "Gewässergüte-Parameter Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg."
Retrieved 03.01.2015, from
http://www.nuernberg.de/internet/sun/gewaesser_par
ameter.html - 6.
Rühenbeck, C. (2013). "Sehen." Praxis der
Naturwissenschaften: Physik in der Schule 62(4): 17-21.
Sasol-Studie (2005). "Zu den beliebtesten Schulfächern."
Durchgeführt im November 2004 vom IJF Institut für
Jugendforschung München.
Schwalb, C. (2000).
"http://www.spiegel.de/panorama/der-eismann-usmagier-laesst-sich-lebendig-einfrieren-a-105122.html."
Retrieved 31.01.2015.
Strahl, A. and I. Preißler (2014). Fachdidaktik der
Naturwissenschaften unter besonderer
Berücksichtigung der Physik. Norderstedt, BoD - Books
on Demand.
Watson, J. and F. Crick (1953). "Molecular Structure of
Nucleic Acids." Nature 171.
10
Fächerübergreifender Unterricht am Beispiel Biologie
Aigner
Westermayer, S. and J. Rädler (2013). "Physik der DNS."
Praxis der Naturwissenschaften: Physik in der Schule
62(4): 6-10.
Wiesner, H. "http://www.didaktik.physik.unimuenchen.de/materialien/forschungsgebiete/physik_u
nd_med/vortrag_hw_ppp.pdf." Retrieved 31.01.2015.
Wiesner, H. and G. Colicchia (2013). "Laufen über glühende
Kohlen." Praxis der Naturwissenschaften: Physik in der
Schule 62(4): 31-35.
Zwiorek, S. (2006). Mädchen und Jungen im
Physikunterricht, Mikelskis Cornelsen Scriptor.
11