DIPLOMARBEIT DIGITALISIERUNG IM BIOLOGIEUNTERRICHT - unipub
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DIGITALISIERUNG IM BIOLOGIEUNTERRICHT
Digital unterstützte Unterrichtselemente mit botanischem Schwerpunkt
DIPLOMARBEIT
zur Erlangung des akademischen Grades
eines Magisters der Naturwissenschaften
an der Karl-Franzens-Universität Graz
am Institut für Biologie
vorgelegt von
Mag.rer.nat Christian KOLLER Bakk.rer.nat
Begutachterin: Ao.Univ-Prof.Dr.phil Maria MÜLLER
Graz, 2020
gewidmet
meinem lieben Neffen und Patenkind
Ian
„Folge deinem Stern, sing dein Lied, leuchte in deinen Farben,
und du wirst sein wie das blühende Leben.“
Jochen Mariss
2Danksagung
Mit diesen Zeilen möchte ich die Gelegenheit nutzen, mich bei allen Menschen zu bedanken, die mich
im Rahmen des Studiums als auch bei der Anfertigung dieser Diplomarbeit begleitet haben.
Mein besonderer Dank gilt Frau Ao.Univ-Prof.Dr.phil Maria Müller, die mich von Beginn an bei meiner
Arbeit unterstützt und immer ein offenes Ohr und eine offene Tür für alle meine Anliegen hatte.
Ein großer Dank gilt Simone, die mir bei der Anfertigung der Diplomarbeit immer mit Rat und Tat zur
Seite gestanden ist und mich mit Ideen und konstruktiven Gesprächen geholfen hat.
Bei Claudia, Gabriel, Michael, René und Walter möchte ich mich für die persönliche und fachliche
Unterstützung sowie die vielen gemeinsam verbrachten Stunden abseits der Universität herzlich
bedanken, die mir immer eine willkommene Abwechslung waren.
Bedanken möchte ich mich auch bei meinen Freunden Alex, Bert, Franz, Ingo, Markus, Markus,
Stefan, Hannes, Josef, Franzi, Willi und Marco für die überwiegend humorvollen Beiträge und
Ablenkungen während des Studiums.
Meinen Arbeitskolleginnen und Arbeitskollegen möchte ich danken, dass sie mir im Laufe des
Studiums bei Problemen oft zugehört haben und mir mit einer rücksichtsvollen Arbeitseinteilung
entgegengekommen sind.
Abschließend möchte ich mich bei meinen Eltern Christine und Raimund, meinem Bruder Stefan und
Marlies für die Unterstützung und den verlässlichen Rückhalt bedanken. Außerdem möchte ich mich
bei meinem Neffen Ian bedanken, der für mich immer die Motivation bei der Bewältigung sämtlicher
Hürden im Laufe des gesamten Studiums war.
3Kurzfassung
Im Zentrum dieser Diplomarbeit steht die Frage, inwieweit Digitalisierung und
Digitalisierungsmöglichkeiten im Lehrplan verankert und in weiterer Folge im
Biologieunterricht mit botanischen Inhalten umgesetzt und in den Fachunterricht integriert
werden können. Im Zuge dessen wird zunächst ein kurzer Überblick über die historische
Entwicklung des Unterrichtsfaches Biologie und Umweltkunde gegeben. Einen Teil dieser
Entwicklung trägt die Digitalisierung dazu bei, die – ebenso wie botanische Inhalte – im
Lehrplan verankert ist. In einem nächsten Schritt wird ein kurzer historischer Überblick über
die Entwicklung des Medienbegriffs gegeben und die (Licht-)Mikroskopie als wesentliche
Basistechnik für den Biologieunterricht genannt und näher erläutert.
Da die Digitalisierung sehr großen Einfluss auf alle Lebensbereiche hat, soll sie auch in der
Schule thematisiert werden. Die Covid-19-Pandemie ließ die Menschen die große Bedeutung
der Digitalisierung für die Schule und Arbeitswelt innerhalb kürzester Zeit erkennen und
Politikerinnen und Politiker intensiv daran arbeiten, diese in der Schule möglichst einfach,
schnell und effizient umzusetzen. Wesentliche Punkte in diesem Zusammenhang waren
unter anderem die Fortbildung der Lehrenden, pädagogisch geprüfte Lernapps, der Ausbau
schulischer IT-Infrastruktur und eine leistungsstarke WLAN- Versorgung der Schulen.
Weiters werden die Grundbedingungen dafür, dass Digitalisierung in der Schule umgesetzt
werden kann, besprochen: die IT-Infrastruktur an der Schule und eine entsprechende
technische Ausstattung. Außerdem werden Digitalisierungsmöglichkeiten genannt und
beschrieben, die gut im Biologieunterricht eingesetzt werden können. Eine Auswahl an
Anwendungsbeispielen und Ideen für konkrete Digitalisierungsumsetzungen in der
Sekundarstufe I und II findet man im letzten Kapitel.
4Abstract
The focus of this diploma thesis is to question to what extent digitalisation can be
incorporated in the curriculum and subsequently implemented in biology lessons with
botanical content and integrated into subject teaching. The thesis will begin with a short
overview of the historical development of the subject biology and environmental studies.
Digitalisation is part of this development, which - just like botanical content - is assimilated
into the curriculum. In the next step, a short historical overview of the development of the
concept of media will be given and the (light) microscopy as an essential basic technique for
biology lessons will be discussed and explained in more detail.
As digitalisation has a great influence on all areas of life, it should also be addressed in
schools. The Covid-19 pandemic made people realise the great importance of digitalisation
for schools and the workplace within a very short time and politicians worked hard to make
it as easy, fast and efficient as possible to implement it in schools. Essential points in this
context were, among other things, the further training of teachers, pedagogically tested
learning apps, the expansion of school IT infrastructure and a high-performance WLAN
access for schools.
Furthermore, the basic conditions for implementing digitalisation in schools were discussed:
the IT infrastructure at the school and appropriate technical equipment. In addition,
digitalisation possibilities which can be used well in biology lessons are named and described.
A selection of application examples and ideas for concrete digitalisation implementations in
upper and lower secondary schools can be found in the last chapter.
5Inhaltsverzeichnis
Danksagung................................................................................................................................ 2
Kurzfassung ................................................................................................................................ 4
Abstract ..................................................................................................................................... 5
Einleitung ................................................................................................................................... 8
1. Historische Entwicklung des Unterrichtsfaches Biologie und Umweltkunde .......................... 11
2. Botanische Inhalte und Digitalisierung im Unterrichtsfach Biologie- und Umweltkunde
laut Lehrplan ....................................................................................................................... 15
2.1. Allgemeines Bildungsziel – Leitvorstellungen .............................................................. 15
2.2. Allgemeines Bildungsziel – Bildungsbereiche .............................................................. 16
2.3. Allgemeine didaktische Grundsätze - Herstellen von Bezügen zur Lebenswelt ........ 16
2.4. Schul- und Unterrichtsplanung .................................................................................... 17
2.5. Lehrpläne des Unterrichtsgegenstands Biologie und Umweltkunde der
Sekundarstufe I ............................................................................................................ 17
2.6. Botanische Inhalte des Lehrstoffs aus dem Kernbereich der Sekundarstufe I ........... 18
2.7. Botanische Inhalte des Lehrplans der Sekundarstufe II ............................................... 18
2.8. Botanische Lerninhalte der Sekundarstufe II ............................................................... 20
3. Medien – Definition und historische Entwicklung.................................................................. 23
4. Mikroskopie – Naturwissenschaftliche Basistechnik im historischen Kontext bis zum
digitalen Wandel ................................................................................................................. 27
5. Digitalisierung...................................................................................................................... 30
5.1. Digitalisierung im Kontext Schule ................................................................................ 32
5.1.1. Schule im Zuge der Covid-19-Pandemie ...................................................................... 36
5.1.2. Digitalisierung in der Schule im internationalen Vergleich .......................................... 37
5.2. IT-Infrastruktur an der Schule ...................................................................................... 40
5.3. Digitales Lernen............................................................................................................ 41
5.4. Biologieunterricht mit botanischem Schwerpunkt im digitalen Fokus ........................ 43
5.4.1. Technische Ausstattung für einen digitalen Unterricht ............................................... 45
5.4.1.1. Mobile Endgeräte......................................................................................................... 47
5.4.1.2. Smartboard – Interaktives Whiteboard ....................................................................... 49
5.4.1.3. Digitale Messinstrumente ............................................................................................ 50
65.4.2. Digitale Ressourcen, Unterrichtsmedien und Methoden ............................................ 51
5.4.2.1. Online-Kommunikation und Kollaboration .................................................................. 52
5.4.2.2. Lernplattformen ........................................................................................................... 54
5.4.2.3. E-Portfolio .................................................................................................................... 55
5.4.2.4. Digitales Schulbuch ...................................................................................................... 57
5.4.2.5. Allgemeine und fachspezifische Softwareanwendungen für den Biologieunterricht .....
mit botanischem Schwerpunkt .................................................................................... 59
5.4.2.6. Digitales Bild ................................................................................................................. 64
5.4.2.7. Digitaler Film ................................................................................................................ 66
5.4.2.8. Simulation, Animation, Modell und Computerspiel .................................................... 70
5.4.2.9. Virtuelle Mikroskopie ................................................................................................... 72
5.4.2.10. Virtuelle Exkursion ....................................................................................................... 73
5.4.2.11. Virtuelle und Augmentierte Realität ............................................................................ 74
5.4.2.11.1. Virtuelle Realität – Virtual Reality (VR) ........................................................................ 74
5.4.2.11.2. Augmentierte Realität – Augmented Reality (AR) ....................................................... 76
5.4.2.11.3. Hardware für Virtuelle und Augmentierte Realität ..................................................... 77
5.5. Rechtliche Vorgaben zum Einsatz digitaler Medien im Unterricht .............................. 79
5.6. Kritik zur Digitalisierung im Unterricht ........................................................................ 80
6. Digitale Umsetzungen für die Sekundarstufe I und II ............................................................. 82
Zusammenfassung .................................................................................................................... 87
Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 90
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Prinzipieller Aufbau des virtuellen Mikroskopsystems ........................................................... 73
Abb. 2: VR-Experiment aus dem Physikunterricht im Vergleich mit dem Realexperiment ................ 75
7Einleitung
Die Digitalisierung und ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten spielen von Jahr zu Jahr eine
größere Rolle für die Gesellschaft und für alle gesellschaftlichen Bereiche inklusive der
Schule. Wurde der Digitalisierung am Beginn noch wegen ihrer Vorzüge, wie zum Beispiel
der leichten Vernetzbarkeit, der Vorzug gegeben, so änderte sich dies im Jahr 2020 durch
das Auftreten des Coronavirus grundlegend. Da aufgrund des Virus Schulen und
Universitäten auf die Fern- bzw. Online-Lehre umstellen mussten, veränderte sich der
Stellenwert der Digitalisierung in der Gesellschaft maßgeblich: Digitalisierung wurde zu
einem wesentlichen Bestandteil in allen Bereichen des privaten und beruflichen Lebens, dem
sich kaum jemand entziehen konnte. Mit der steigenden Bedeutung der Digitalisierung
wurde die fachgerechte Schulung von Lehrkräften zu einem wesentlichen Anliegen aller
beteiligten Personen. Kinder werden an sich zwar als medienaffin und digital natives
bezeichnet, weil sie in diesem ‚digitalen Zeitalter‘ mit digitalen Medien tagtäglich in
Berührung kommen und sich darin ausprobieren können, sie sind aber meist nicht
medienkompetent. Aus diesem Grund ist die Schulung der Lehrkräfte, der Schülerinnen und
Schüler zum zentralen Aufgabengebiet in der schulischen und universitären
(Fach-)Didaktik geworden.
Hier soll diese Diplomarbeit auch ansetzen und einen Beitrag für das Unterrichtsfach Biologie
und Umweltkunde leisten. Die zentrale Forschungsfrage dieser Diplomarbeit lautet,
inwieweit Digitalisierung und Digitalisierungsmöglichkeiten im Lehrplan verankert und in
weiterer Folge im Biologieunterricht mit botanischem Schwerpunkt umgesetzt und in den
Fachunterricht integriert werden können. Diese Arbeit soll den Rezipienten als ein
Kompendium dienen, aus dem sich die Lehrerinnen und Lehrer der Fachrichtung (und
anderer Disziplinen) im Schulalltag bedienen können, weshalb bei der Beschreibung
einzelner Tools und Apps vor allem auf eine verständliche Sprache und nachvollziehbare
Beschreibung geachtet wurde.
Zum Thema ‚Digitalisierung‘ findet sich eine große Anzahl an Publikationen. Aufgrund der
Schnelllebigkeit, die im digitalen Sektor vorherrscht, können einzelne Publikationen bereits
nach wenigen Jahren als veraltet angesehen werden, weswegen bei dieser Diplomarbeit
darauf geachtet wurde, die aktuellen Publikationen miteinzubeziehen. Selbstverständlich
sind ältere Schriften, die dem Thema zweckdienlich und immer noch von Bedeutung sind,
8ebenfalls bei der Beantwortung der Forschungsfrage zu Rate gezogen worden. In der
Forschung finden sich allgemeine Publikationen zum Thema ‚Digitalisierung‘, Publikationen
zur Umsetzung der Digitalisierung im Biologieunterricht und den anderen
naturwissenschaftlichen Fächern sowie Schriften, die sich mit Hardware wie dem
Smartboard oder dem Tablet im schulischen Kontext auseinandersetzen. Seit dem Jahr 2014
wurden unzählige Abhandlungen zum Thema ‚Digitalisierung‘ herausgegeben, neueste
Publikationen (aus dem Jahr 2020) thematisieren unter anderem folgende Themen: die
digitale Kompetenz der Lehrkräfte, die Digitalisierung in der Schule, die Digitalisierung aller
Lebensbereiche, die Bildung für die Zukunft und die Bildung des digitalen Zeitalters und das
Lernen mit Medien.
Im einführenden Kapitel wird zunächst ein Abriss über die historische Entwicklung des
Unterrichtsfaches Biologie und Umweltkunde gegeben, um ein Verständnis dafür zu
bekommen, dass sich fachliche Inhalte bzw. Schwerpunkte im Laufe der Zeit verändern und
an gesellschaftlichen, politischen und historischen Begebenheiten orientieren und an diese
anpassen. Am (vorläufigen) Ende dieser Entwicklung steht unter anderem die Digitalisierung,
die – ebenso wie botanische Inhalte – im Lehrplan verankert ist, was im zweiten Kapitel
näher ausgeführt wird. Wenn man von Digitalisierung spricht, muss zunächst der Begriff
‚Medium‘ geklärt werden, da Digitalisierung ohne die ‚neuen Medien‘ nicht möglich ist.
Neben einer Definition bedarf es auch einer kurzen Ausführung darüber, wie die Medien sich
entwickelt haben. Das vierte Kapitel thematisiert eine naturwissenschaftliche Basistechnik,
die Mikroskopie, und beschreibt ihre historische Entwicklung. Die Mikroskopie wird in einem
späteren Kapitel (5.4.2.9. Virtuelle Mikroskopie) wieder aufgegriffen und in den digitalen
Kontext in Form der Virtuellen Mikroskopie eingebettet. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet
das fünfte Kapitel, das mit dem Schlagwort ‚Digitalisierung‘ zusammengefasst werden kann.
Am Beginn des Kapitels wird die Digitalisierung mit der Schule in Verbindung gesetzt. Der
Einfluss des Coronavirus auf diese Verbindung und die Umsetzung der Digitalisierung in den
Schulen auf internationaler Ebene sind dabei wesentliche Inhalte. Es folgen Ausführungen
über die notwendige IT-Infrastruktur an der Schule und die für einen digitalen Unterricht
notwendige technische Ausstattung wie mobile Endgeräte, ein Smartboard oder digitale
Messgeräte. Anschließend werden Digitalisierungsmöglichkeiten vorgestellt und näher
beschrieben, die im Biologieunterricht eingesetzt werden können. Viele dieser
Möglichkeiten sind aber nicht nur auf den Unterricht mit botanischen Inhalten beschränkt,
9sondern können ohne große Schwierigkeiten auch für andere Unterrichtsfächer gut
adaptiert werden. Das Kapitel schließt ab mit Bemerkungen bezüglich rechtlicher Vorgaben,
die beim Einsatz digitaler Medien im Unterricht beachtet werden müssen, und kritischen
Äußerungen zur Digitalisierung im Unterricht. Die Diplomarbeit schließt mit Beispielen und
Ideen, wie die Digitalisierung in der Sekundarstufe I und II konkret und praktisch umgesetzt
werden kann und nimmt auf diese Weise inhaltlich Bezug auf Kapitel 2 (Botanische Inhalte
und Digitalisierung im Unterrichtsfach Biologie- und Umweltkunde laut Lehrplan).
101. Historische Entwicklung des Unterrichtsfaches Biologie
und Umweltkunde
Wenn im Frühling die Wälder und Wiesen wieder grün werden und es wärmer wird, begeben
sich die Menschen wieder ins Freie, pflegen ihren Garten, fahren Fahrrad oder wandern in
den Bergen. Sie erfreuen sich an der Natur und beobachten die Veränderungen, wie alles zu
wachsen und zu blühen beginnt. Ebenso beschäftigen sich Biologinnen und Biologen mit
diesen Naturerscheinungen und suchen nach wissenschaftlichen Erklärungen für diese
Phänomene. Im Biologieunterricht befassen sich die Schülerinnen und Schüler
gleichermaßen mit der belebten Natur und gehen den oben beschriebenen Erscheinungen
auf den Grund. Dabei werden sie durch unterschiedliche Medien unterstützt, die sich in den
letzten Jahrhunderten, wie die Wissenschaft selbst, stets weiterentwickelt haben.
Dieses Kapitel soll die historische Entwicklung des Unterrichtsfaches Biologie und
Umweltkunde mit speziellem Fokus auf das Teilgebiet der Botanik beleuchten. Das Fach
Biologie und Umweltkunde ist einem ständigen Wandel unterworfen. Wie die Änderung der
Bezeichnung vom ‚Naturkundeunterricht‘ zur ‚Schul-Naturgeschichte‘ bis hin zur heutigen
‚Biologie und Umweltkunde‘ ändern sich auch die Inhalte des Unterrichtsfachs. Einige
Konzepte werden beibehalten, manche werden geändert und wieder andere kommen neu
hinzu. Im Zuge dieser Entwicklung haben sich einige Wissenschaftler und
Wissenschaftlerinnen hervorgetan, die ihren Beitrag zur Entstehung dieses Faches geleistet
haben. Einer der Begründer des Naturkundeunterrichts war der Pädagoge Johann Amos
Comenius, der sich schon im 17.Jahrhundert mit der Wissensvermittlung im
Naturkundeunterricht auseinandergesetzt hat.
„Der Pfarrer und Lehrer der böhmischen Brüderunität in Prerov und Fulnek, Johann Amos
Comenius (1592-1670), gilt als herausragender Wegbereiter des Naturkundeunterrichts in
den Schulen. In seinem Werk ‚Didactica magna‘ (1632 in tschechischer, 1657 in lateinischer
Sprache) fordert er u.a. die Aufnahme eines ‚Realienunterrichts‘ in den Lehrplan der Schulen.
Sprach- und Sachunterricht sind aufeinander zu beziehen. Das Wissen über die Natur soll
nach Comenius nicht durch bloßes Erzählen oder Zitieren von Texten und Autoritäten,
sondern durch Vorführung, direkte Beobachtung und Schlussfolgerung gelehrt werden“
(Wild & Schmitt, 2012, S.1).
11Aufgrund der Entwicklungen im 17.Jahrhundert mit den Folgen des Dreißigjährigen Krieges
und wegen der Folgen des Siebenjährigen Krieges begann die Vermittlung von
„gemeinnützigen Kenntnissen“ eine zentrale Rolle zu spielen. Diese sollten zum einen der
Verbesserung der Lebensverhältnisse der Menschen und zum anderen der Bekämpfung von
Vorurteilen gegenüber der medizinischen Behandlung dienen. Zahlreiche Themen wie
Ernährung, Hygiene oder Abfallbeseitigung sind auch heute wichtige Bereiche im
Biologieunterricht (vgl. Bayrhuber, 2017, S.32).
Wild & Schmitt (2012, S.2-4) beschreiben die Entwicklungen an der Wende zum
19.Jahrhundert folgendermaßen:
„Bis zur Wende vom 18. zum 19.Jahrhundert waren Botanik und Zoologie als Teile der
Naturgeschichte mit der Erforschung anderer Naturbereiche eng verbunden. […] Eine
eigenständige Wissenschaft der Lebewesen konnte erst entstehen, als die Gemeinsamkeiten
von Pflanzen und Tieren (einschließlich auch des Menschen) als Lebewesen gegenüber der
nichtlebenden Natur stärker in den Blick kam. […] Im Verlauf des 19.Jahrhunderts etablierte
sich die Biologie als die umfassende ‚Wissenschaft von den Lebewesen‘ inhaltlich und
institutionell als autonome Disziplin.“
Zu Beginn des 19.Jahrhunderts führte Gottfried Reinhold Treviranus den Begriff ‚Biologie‘
ein, wobei das Unterrichtsfach selbst noch als „naturgeschichtlicher Unterricht“ bezeichnet
wurde, und fasste dabei alle Disziplinen zusammen, die sowohl die überlieferten Kenntnisse
über die Tier- und Pflanzenzucht als auch die Kenntnisse neuerer Teilgebiete wie der
Pflanzenphysiologie einschlossen (vgl. Bayrhuber, 2017, S.31).
Nach dem Nützlichen sowie der Systematik um Linné kam im 19.Jahrhundert mit dem
dichterischen Einfluss das „Erleben von Natur“ auf. Lebendige Darstellungen von Tieren und
Pflanzen sollten in den Vordergrund rücken. Friedrich Junge stellte am Ende des
19.Jahrhunderts ökologische Betrachtungen in den Mittelpunkt. Diese wurden aber vorerst
wenig beachtet (vgl. Wild & Schmitt, 2012, S.3). Durch die zahlreichen wissenschaftlichen
Errungenschaften von Matthias Schleiden und Theodor Schwann zur Zelltheorie, Georges
Cuvier zur Paläontologie und funktionellen Anatomie, Charles Darwin zur Evolutionstheorie,
Gregor Mendel zur Genetik und Karl August Möbius zur Ökologie kam es zur Reform des
Unterrichts. Diese Themen nehmen im heutigen Biologieunterricht nach wie vor eine sehr
wichtige Rolle ein (vgl. Bayrhuber, 2017, S.33-34).
12Im Naturkundeunterricht vollzog sich deshalb zu Beginn des 20.Jahrhunderts sowohl
inhaltlich als auch methodisch ein Wandel, wobei er sich von der beschreibenden „Schul-
Naturgeschichte“ hin zu einem erklärenden „Biologieunterricht“ entwickelte (vgl. Wild &
Schmitt, 2012, S.3).
Im Jahr 1928 wurden die Ökologie, der Umwelt- und Naturschutz offiziell im Lehrplan
verankert. Sieben Jahre später wurde ein neuer Lehrplan durchgesetzt, in dem die
Vernetzung des Gegenstandes mit anderen Fächern empfohlen wurde. So sollten im Bereich
der Gesundheitslehre zwischen Naturgeschichte und Turnen Querverbindungen geschaffen
werden (vgl. Burghard, 2015, S.28-29). Während des Zweiten Weltkrieges wurden im
Biologieunterricht die Inhalte an die politischen Absichten des Nationalsozialismus
angepasst, indem die Lehre der Erbgesundheit, der Eugenik und der Rassenlehre in den
Mittelpunkt gestellt wurden (vgl. Wild & Schmitt, 2012, S.4). Nach dem Ende des Zweiten
Weltkrieges wurden die Lehrziele aus den Jahren 1928 und 1935 wieder eingeführt und bis
in die 1960er Jahre kaum verändert. 1964 wurden die Unterrichtsfächer laut Lehrplan in
folgende Bereiche eingeteilt: Bildungs- und Lehraufgabe, Didaktische Grundsätze und
Lehrstoff. Zusätzlich wurde zum ersten Mal das Thema der sexuellen Aufklärung erwähnt.
Das Jahr 1976 war für das Unterrichtsfach ein ganz entscheidendes, da die Umbenennung
von der ‚Naturgeschichte‘ in ‚Biologie und Umweltkunde‘ erfolgte, die bis heute noch
Gültigkeit hat. Mit der Umbenennung wurden auch die Lehrinhalte überdacht, wobei speziell
auf die Umweltfrage großen Wert gelegt wurde. Ab den 1980er Jahren sollte im Rahmen des
Biologieunterrichts auf die begrenzten Ressourcen der Natur und auf einen
verantwortungsvollen Umgang mit der Umwelt hingewiesen werden (vgl. Burghard, 2015,
S.33-47).
Seit 2005 werden in Österreich naturwissenschaftliche Bildungsstandards erarbeitet, die
Auskunft darüber geben, welche Kompetenzen Schülerinnen und Schüler in ihrer Schulzeit
erwerben sollen. Die Kompetenzmodelle, die im Unterricht berücksichtigt werden müssen,
setzen sich zusammen aus der fachwissenschaftlichen Kompetenz, den Kompetenzen zur
Erlangung der Erkenntnisgewinnung, den Bewertungskompetenzen und den
Handlungskompetenzen (vgl. Schiffl & Weiglhofer, 2019, S.30-33). Zu den Aufgaben zählen
die Evaluations- und Überprüfungsfunktion für eine objektive Bewertung, die
Orientierungsfunktion für einen zielgerichteten und ergebnisorientierten Unterricht, die
Förderfunktion zur Förderung einzelner Schülerinnen und Schülern sowie die
13Entwicklungsfunktion als Grundlage eines kompetenz- und schülerorientierten Unterrichts
(vgl. Bifie, 2017).
Mit den Entwicklungen in den verschiedenen Teildisziplinen der Biologie im 20.Jahrhundert
wuchs das Wissen in allen Bereichen stark an, wodurch die zunehmende Stoffmenge bei der
begrenzt zur Verfügung stehenden Zeit zu einem wesentlichen Problem wurde und wird (vgl.
Wild & Schmitt, 2012, S.4).
Im folgenden Kapitel wird der aktuelle Lehrplan der allgemeinbildenden höheren Schulen für
das Unterrichtsfach Biologie und Umweltkunde auf botanische Inhalte und digitale Ansätze
hin untersucht.
142. Botanische Inhalte und Digitalisierung im Unterrichtsfach
Biologie- und Umweltkunde laut Lehrplan
Wie bereits aus dem Titel hervorgeht, spielen die zwei Begriffe ‚Botanik‘ und ‚Digitalisierung‘
in dieser Arbeit eine zentrale Rolle. Zur naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung von
botanischen Inhalten können Versuche, Experimente, Beobachtungen und Betrachtungen
beitragen. Da meist das Interesse für Tiere größer ist als für Pflanzen, empfiehlt es sich, einige
Überlegungen anzustellen, um botanische oder ökologische Themen für die Lernenden
interessant zu machen (vgl. Scheicher, 2019, S.269).
In diesem Kapitel soll die Rolle der zwei Schwerpunkte ‚Botanik‘ und ‚Digitalisierung‘ laut
Lehrplan erarbeitet werden, wobei sowohl die allgemeinen Bildungsziele, die allgemeinen
didaktischen Grundsätze als auch die Lehrpläne des Unterrichtsgegenstandes Biologie und
Umweltkunde für die Sekundarstufe I und II der allgemeinbildendenden höheren Schulen
berücksichtigt wurden. Relevante Beiträge zu botanischen Inhalten und der Thematik der
Digitalisierung wurden für die folgenden Unterkapitel der Fassung des Lehrplans für die
allgemeinbildenden höheren Schulen vom 29.06.2020 entnommen (vgl. RIS, 2020).
2.1. Allgemeines Bildungsziel – Leitvorstellungen
Im ersten Teil des Lehrplans der allgemeinbildenden höheren Schulen werden unter dem
allgemeinen Bildungsziel im Rahmen der Leitvorstellungen innovative Technologien der
Information und Kommunikation sowie die Massenmedien genannt, die immer stärker in alle
Lebensbereiche vordringen. Besonders Multimedia und Telekommunikation sind zu den
Bestimmungsfaktoren für die sich fortentwickelnde Informationsgesellschaft geworden.
Digitale Kompetenzen sollen im Rahmen des Unterrichts gefördert werden. Dabei soll das
didaktische Potenzial der Informationstechnologien in kritischer Auseinandersetzung mit
den Wirkungsmechanismen von Wirtschaft und Gesellschaft nutzbar gemacht werden.
Eigenständiges Arbeiten soll mit Mitteln der Informationstechnologie angeregt werden. Den
Lernenden sollen relevante Erfahrungsräume eröffnet werden und geeignete Methoden für
die gezielte Auswahl aus computergestützten Informations- und Wissensquellen zur
Verfügung gestellt werden.
152.2. Allgemeines Bildungsziel – Bildungsbereiche
Die Bildungsbereiche enthalten Zielsetzungen, die durch verschiedene Unterrichtsprinzipien
repräsentiert werden. Im Zuge dieser Arbeit können in diesem Zusammenhang
beispielsweise Medienerziehung, Umwelterziehung und Erziehung zur Anwendung neuer
Technologien genannt werden. Im Rahmen der Bildungsbereiche können folgende Begriffe
in Zusammenhang mit dem Thema dieser Arbeit stehen: „Sprache und Kommunikation“ für
einen kritischen Umgang und eine sensible Nutzung von Medien, „Mensch und Gesellschaft“
im Zuge einer eigenverantwortlichen und reflektierten Nutzung von Informations- und
Kommunikationstechnologien sowie der Förderung digitaler Kompetenzen und "Natur und
Technik“, wobei die Natur als Grundlage menschlichen Lebens in vielfältiger, auch technisch
veränderter Gestalt in Erscheinung tritt. Die Zusammenhänge der Natur sind als
Voraussetzung für den bewussten Umgang und die Nutzung mit Hilfe moderner Technik
darzustellen.
2.3. Allgemeine didaktische Grundsätze - Herstellen von Bezügen zur
Lebenswelt
Mithilfe exemplarischen Lernens sollen zeit- und lebensnahe Themen gewählt werden,
aufgrund deren Kenntnisse, Fertigkeiten, Fähigkeiten und Methoden erlangt werden. Die im
Unterricht eingesetzten Materialien und Medien sollen aktuell und anschaulich sein, damit
Schülerinnen und Schüler zur aktiven Mitarbeit angeregt und eigenständiges Arbeiten mit
neuen Technologien gefördert werden. Dazu zählen die Durchführung und Auswertung von
Experimenten, die Gestaltung von und durch Medien, die dokumentierte Kommunikation
und Kooperation (auch in einer Fremdsprache), die Dokumentation und Präsentation von
Projektarbeiten sowie die Modellierung und Simulation von Sachverhalten.
162.4. Schul- und Unterrichtsplanung
Eine wesentliche Qualität des Unterrichts sind standortspezifische Faktoren wie die
speziellen Fähigkeiten von Lehrenden aber auch der Lernenden, regionale Voraussetzungen
und Bedürfnisse oder besondere Formen der Ausstattung.
2.5. Lehrpläne des Unterrichtsgegenstands Biologie und Umweltkunde
der Sekundarstufe I
Im Rahmen der Bildungs- und Lehraufgabe hat das Fach Biologie und Umweltkunde von der
1. bis zur 4. Klasse die Auseinandersetzung mit den Themenbereichen ‚Mensch und
Gesundheit‘, Tiere und Pflanzen‘ sowie ‚Ökologie und Umwelt‘ als Schwerpunkt. Im Zuge der
Didaktischen Grundsätze werden die Lernenden zum selbstständigen Arbeiten und zur
Problemlösefähigkeit unter Anwendung verschiedener Arbeitstechniken angeregt. Dazu
zählen das Beobachten und Vergleichen mit geeigneten Hilfsmitteln (z.B. Lupe, Mikroskop,
Computer, Fachliteratur) aber auch das Suchen, Verarbeiten und Darstellen von
Informationen sowie das Identifizieren und Lösen von Problemen und Durchführen einfacher
Experimente und Messverfahren.
„Bei der Beschäftigung mit dem Themenbereich ‚Tiere und Pflanzen‘ ist heimischen Arten
bzw. jenen Arten, die typisch für die jeweils zu bearbeitenden Ökosysteme sind […], der
Vorzug zu geben. […] Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Einblick in die Vielfalt der
Organismen erhalten und deren wesentliche Charakteristika kennenlernen. Durch den
Hinweis auf verwandtschaftliche Beziehungen zwischen den Lebewesen sollen die
Schülerinnen und Schüler Verständnis für die Einordnung der Organismen in ein System
entwickeln. Beim Themenkreis ‚Ökologie und Umwelt‘ sind das Kennenlernen von
Organismen und ihr Zusammenwirken, Einsicht in die Zusammenhänge zwischen belebter
und unbelebter Natur sowie Umweltprobleme und Schutzmaßnahmen im Mittelpunkt. Ziel
ist eine solide Basis für umweltfreundliches Handeln und Verhalten, die sich aus
Umweltwissen, Umweltbewusstsein und ökologischer Handlungskompetenz
zusammensetzt“ (RIS, 2020).
172.6. Botanische Inhalte des Lehrstoffs aus dem Kernbereich der
Sekundarstufe I
In allen vier Schulstufen sollen im Kontext ‚Tiere und Pflanzen‘ ausgewählte Vertreter aus
dem Tier- und Pflanzenreich bzgl. der Zusammenhänge zwischen Bau, Funktion, Lebensweise
und Umwelt erarbeitet werden. Im Zuge von ‚Ökologie und Umwelt‘ sollen anhand der
Ökosysteme ‚Wald‘ und ‚heimischer Gewässer‘ ökologische Grundbegriffe erarbeitet und
vertieft werden.
1.Klasse: Bei der Auswahl der Blütenpflanzen sollen jene Organismen im Vordergrund
stehen, die für das Ökosystem ‚Wald‘ von Bedeutung sind oder den Erlebnisbereich der
Schülerin oder des Schülers betreffen.
2.Klasse: Aus botanischer Sicht bilden ausgewählte Blütenpflanzen, Sporenpflanzen, Pilze
und Mikroorganismen die Schwerpunkte. Auch in der 2. Klasse sollen Organismen der
Ökosysteme ‚Wald‘ und ‚heimische Gewässer‘ im Vordergrund stehen. Außerdem soll die
Zelle als Grundbaustein aller Lebewesen behandelt werden.
3.Klasse: Die Schwerpunkte bilden diejenigen Organismen, die für die menschliche
Ernährung eine besondere Rolle spielen. Auf die Bedeutung der Nutzpflanzen für die Existenz
des Lebens auf der Erde ist einzugehen.
4.Klasse: Die Schwerpunkte bilden jene Pflanzen, die für den Themenbereich ‚Stadtökologie‘
und das gewählte Ökosystem einer anderen Region von Bedeutung sind. Außerdem sind
Grundlagen der Vererbung zu erarbeiten und deren Anwendungsmöglichleiten (z. B:
Gentechnik) auch im Hinblick auf gesellschaftliche und ethische Fragen zu behandeln und zu
diskutieren.
2.7. Botanische Inhalte des Lehrplans der Sekundarstufe II
Im Zusammenhang mit der Bildungs- und Lehraufgabe soll das Ziel des Fachs Biologie und
Umweltkunde sein, naturwissenschaftliche Phänomene erfahrbar zu machen. Zudem sollen
Erkenntnisse biologischer Forschung gewonnen und verstanden werden. Der Biologie-
unterricht führt zu naturwissenschaftlichem Verständnis auf evolutionärer Basis und soll zu
einem gesundheitsbewussten und umweltverträglichen Handeln beitragen.
18Im Rahmen der Beiträge aus den Bildungsbereichen können hier ‚Mensch und Gesellschaft‘
sowie ‚Natur und Technik‘ angeführt werden. Dabei soll der Mensch als beeinflussender
Faktor von Ökosystemen betrachtet werden. Außerdem soll das Phänomen ‚Natur‘ als
Vernetzung belebter Systeme gesehen und die Auswirkung menschlicher Aktivitäten auf
Ökosysteme thematisiert werden. Zudem sollen naturwissenschaftliche Denk- und
Arbeitsweisen angeregt werden. Im Zuge der ‚Kreativität und Gestaltung‘ sollen die
Entwicklung von Forschungsdesigns, Modellbildung, Wissenskommunikation durch Einsatz
unterschiedlicher Medien und Medienerziehung in den Fokus gelangen.
Bei den Didaktischen Grundsätzen für die 5. bis 8. Klasse werden für das Fach Biologie und
Umweltkunde verschiedene Kompetenzbereiche unterschieden, die anschließend angeführt
werden. Das Unterrichtsfach ist so zu gestalten, dass Kompetenzen aus allen drei genannten
Bereichen auf Basis der Lerninhalte jedes Semesters erworben und gefördert werden.
Fachwissen aneignen und kommunizieren:
„Biologische Vorgänge und Phänomene beschreiben und benennen.
Aus unterschiedlichen Medien und Quellen fachspezifische Informationen entnehmen.
Vorgänge und Phänomene in verschiedenen Formen (Grafik, Tabelle, Bild, Diagramm, …)
darstellen, erläutern und adressatengerecht kommunizieren.
Vorgänge und Phänomene mittels Fachwissens unter Heranziehung von Gesetzmäßigkeiten
(Modelle, Regeln, Gesetze, Funktionszusammenhänge) erklären.
Biologische Vorgänge und Phänomene im Kontext ihres evolutionären Zusammenhangs
erläutern“ (RIS, 2020).
Erkenntnisse gewinnen:
„Biologische Vorgänge und Phänomene beobachten, messen und beschreiben.
Biologische Vorgänge und Phänomene hinsichtlich evolutionsbiologischer Kriterien
analysieren und Beziehungen herausarbeiten.
Zu biologischen Vorgängen und Phänomenen Fragen stellen und Hypothesen formulieren.
Untersuchungen oder Experimente zu naturwissenschaftlichen Fragestellungen planen,
durchführen und protokollieren.
19Daten und Ergebnisse von Untersuchungen analysieren (z.B. ordnen, vergleichen,
Abhängigkeiten feststellen) und interpretieren“ (RIS, 2020).
Standpunkte begründen und reflektiert handeln:
Fachlich korrekt und folgerichtig argumentieren und naturwissenschaftliche von
nichtnaturwissenschaftlichen Argumentationen unterscheiden.
Sachverhalte und Probleme unter Einbeziehung kontroverser Gesichtspunkte reflektiert
erörtern und begründet bewerten.
Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse für
das Individuum und für die Gesellschaft erkennen, um verantwortungsbewusst zu handeln.
Menschliche Erlebens- und Verhaltensmuster aus evolutionsbiologischer Sicht reflektieren.
Handlungsempfehlungen erstellen und gestalten (z.B. Naturschutzstrategien,
Gesundheitskonzepte, Ernährungspläne, …)“ (RIS, 2020).
Basiskonzepte helfen grundlegende Muster in der Biologie zu erkennen. Sie leiten sich von
den elementaren Konzepten der Biologie ab und unterstützen Lernende und Lehrende, die
schwer überschaubaren und permanent wachsenden Themenbereiche der biologischen
Disziplinen zu ordnen und zu verknüpfen. Die botanischen Inhalte des Lehrplans können aus
dem Blickwinkel aller sieben Basiskonzepte gesehen werden: „Struktur und Funktion“,
„Reproduktion“, „Kompartimentierung“, „Steuerung und Regelung“, Stoff und
Energieumwandlung“, „Information und Kommunikation“ und „Variabilität,
Verwandtschaft, Geschichte und Evolution“.
2.8. Botanische Lerninhalte der Sekundarstufe II
5. Klasse (1. und 2. Semester):
„Die Zelle als Grundbaustein der Organismen: Zusammenhänge zwischen Lebensvorgängen
und Zellstrukturen.
Die Mitose und ihre Bedeutung für Wachstum, Zelldifferenzierung und Entstehung
vielzelliger Organismen.
20Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten; Bedeutung von Mikroorganismen und Pilzen
für ökologische Kreisläufe.
Biotechnische Verfahren bei der Nahrungsmittelproduktion.
Bau, Fortpflanzung und Lebensweise pflanzlicher Organismen.
Stoffwechselvorgänge: Assimilation (Fotosynthese und heterotrophe Assimilation) und
Dissimilation (Gärung und Zellatmung)“ (RIS, 2020).
6.Klasse (3. Semester – Kompetenzmodul 3):
„Bedeutung der Meiose für die geschlechtliche Fortpflanzung
Vernetzte Systeme: Ökologie, Ökonomie und Nachhaltigkeit“ (RIS, 2020).
6.Klasse (4. Semester – Kompetenzmodul 4):
„Ökosysteme (Stoff- und Energiekreisläufe, Umweltfaktoren, Sukzession, Konvergenz-
erscheinungen).
Umweltprobleme (z. B. Klimawandel) und Lösungsmöglichkeiten im Rahmen nachhaltiger
Entwicklung“ (RIS, 2020).
7.Klasse (6. Semester – Kompetenzmodul 6):
„Bewegungssysteme bei Pflanzen und Tieren.
Entstehung und Ordnung biologischer Vielfalt.
Systematik und Taxonomie“ (RIS, 2020).
8.Klasse (7. Semester – Kompetenzmodul 7):
„Zytologische und molekulare Grundlagen der Vererbung.
Biochemische Vorgänge bei der Proteinsynthese (Transkription, Regulation der Genaktivität,
Epigenetik).
Vererbungsregeln.
Evolutionsmechanismen; chemische und biologische Evolution, Evolutionstheorien“ (RIS,
2020).
218.Klasse (8. Semester):
„Biotechnologische Verfahren, deren Anwendung und mögliche Auswirkungen.
Evolution als Basis für die Vielfalt der Organismen und für den Wandel von Ökosystemen“
(RIS, 2020).
223. Medien – Definition und historische Entwicklung
Medien werden laut Rinschede & Siegmund (2020, S.297) als Träger von Informationen
bezeichnet, die mit zunehmender Digitalisierung des Alltags an Bedeutung gewonnen haben.
Spricht man im Allgemeinen von ‚Massenmedien‘ oder Massenkommunikationsmitteln, wird
der Begriff häufig auf das Buch, die Zeitung, die Zeitschrift, den Hörfunk, Filme, das Internet
u.v.a.m. bezogen. Wenn sie im Unterricht als Zeitungsartikel oder Video eingesetzt werden,
können sie als sogenannte Unterrichtsmedien bezeichnet werden. Man sieht also, der Begriff
‚Medien‘ ist sehr weit gefasst.
Toman (2006, S.11) leitet ‚Medium‘ aus dem Lateinischen für ‚Mitte‘ oder ‚Mittler‘ ab, wobei
damit heute technische Geräte und Programme bezeichnet werden, welche man auf
unterschiedlichen Datenträgern speichern kann, die dem Zweck der Erfassung, Bearbeitung
und Übermittlung der gewünschten Informationen dienen. Eine exakte Klassifikation von
Medien ist aufgrund der zunehmenden Überschneidungen schwierig, wenngleich es
zahlreiche Versuche gibt.
Auch Kerres (2013, S.120-123) erkennt den vielseitigen Gebrauch des Wortes Medium und
liefert eine recht vage Begriffsdefinition. Umgangssprachlich wird der Begriff oft für
unterschiedliche Dinge wie ein Buch, eine Kamera, einen Monitor usf. verwendet. In der
Soziologie spricht man von Erfolgsmedien, in der Wirtschaft wird Geld als Medium
bezeichnet und für andere Systeme ist es Macht, Liebe oder Moral.
Dass Medien für den Menschen seit langem eine wichtige Bedeutung haben, kann anhand
eines kurzen historischen Abrisses gezeigt werden.
Aus medienwissenschaftlicher Sicht kann die Geschichte der Medien aus verschiedenen
Blickwinkeln betrachtet werden. Grundsätzlich unterscheidet die Medientheorie in Bezug
auf die historische Entwicklung vier Typen: Primärmedien, Druckmedien, elektronische
Medien und digitale Medien.
Den Menschen als Medium findet man in allen kulturellen Epochen bspw. als Opferritual,
Priester, Hofnarr oder Ausrufer. Bezüglich der Nachrichtenübermittlung können aber bereits
Höhlenmalereien von vor ca. 30.000 Jahren oder die beschriebenen Lehmtafeln von vor etwa
5.000 Jahren als Medien gesehen werden. In der Antike sind zunächst Menschenmedien wie
Seher oder Propheten ergänzt mit Gestaltungsmedien in Form von Theater und Tanz
23dominant, bevor Tafeln, Rollen oder der Brief als Schreibmedien an Popularität gewannen.
Durch den Wandel von Menschenmedien in Richtung Schreibmedien verloren Redekünstler
wie Platon zusehends an Bedeutung (vgl. Toman, 2006, S.18-21).
In der Periode des Mittelalters wurden aus den Rhapsoden mittelalterliche Sänger und aus
dem antiken Lehrer ein universitärer Magister. Das Buch wird in Klöstern oder Universitäten
ein wichtiges Speicher- und Bildungsmedium. In der frühen Neuzeit wurde durch den
Buchdruck eine Vervielfältigung von Büchern oder Schriften möglich. Die Druckmedien, die
vor allem als Rechtsbücher, Ratgeber und Volksbücher genutzt wurden, erzeugten durch die
Verbreitung in der Öffentlichkeit eine Bedrohung des Adels und der Kirche. Die Dominanz
der Schreib- und Druckmedien konnte bis zirka 1830 ihre Hochzeit erreichen, wobei die
Zeitung und das Plakat für politische und ökonomische Zwecke verwendet wurden und der
Brief zum privaten Subjekt der bürgerlichen Gesellschaftsschicht wurde (vgl. Faulstich, 2004,
S.25-27).
Bis zum Ende des 19.Jahrhunderts konnte das Zeitungs- und Pressewesen seine
Vormachtstellung festigen, bevor sich durch die technischen Erfindungen der Rundfunk und
das Fernsehen etablieren konnten.
Nach dem Zweiten Weltkrieg entstanden öffentlich-rechtliche Rundfunkanstalten und ab
den 1970er Jahren folgten private Sendeanstalten. Durch die rasante Entwicklung der
Anwendungsbereiche und der technischen Innovationen im Zusammenhang mit dem
Computer wurde der breiten Öffentlichkeit ein neues Massenmedium verfügbar (vgl.
Toman, 2006, S.37-45). Druckmedien werden im 20. Jahrhundert durch die Speicherfunktion
des Computers und die Informationsfunktion des Internets zurückgedrängt. Bücher werden
in kleineren Auflagen gedruckt und Plakate von Videowänden abgelöst. Das neue
Informationsangebot ‚Multimedia‘, eine Verknüpfung von bisher getrennten Einzelmedien,
bietet den Nutzerinnen und Nutzern aufgrund des interaktiven Angebots eine aktive
Teilnahme an. Mit dem Wandel vom Mensch- zum Druckmedium bis hin zum elektronischen
Medium haben die Online-Netzwerke die Ebene des Sender-Empfänger-Schemas auf eine
globale Ebene gehoben und eine neue Kommunikationsbeziehung geschaffen (vgl. Faulstich,
2004, S.31-32). Rinschede & Siegmund (2020, S.372) bezeichnen ‚computerbasierte‘ Medien,
die Träger oder Mittler von ausgewählten oder gespeicherten Informationen sind, als
‚digitale‘ Medien.
24Die Bedeutung von Medien hat gezeigt, wie sie die Menschen seit tausenden von Jahren
beeinflusst und geprägt haben. In welche Richtung sich diese Entwicklung bewegen wird, ist
schwer abzuschätzen, jedoch kann festgehalten werden, dass sich die Zeit zwischen den
neuen Erfindungen rasant verkürzt hat. Haben Menschmedien oder Druckmedien noch über
Jahrhunderte die Menschen geprägt, wurden elektronische Medien von digitalen bereits
nach etwa 100 Jahren abgelöst. Mit dem Potential der Digitalisierung wurden neue
Möglichkeiten in der Nutzung und Anwendung von digitalen Medien aufgezeigt.
Ein Biologieunterricht ohne Medien ist kaum vorstellbar. Aufgrund des großen Angebots
besteht eher die Problematik der richtigen Auswahl – welche Medien für welches Thema
und welche Situation am besten geeignet sind. Beim Vergleich unterschiedlicher Medien
wird klar, es gibt nicht ‚das‘ wirkungsvolle Medium. Man kann zwar mit allen lernen, jedoch
sollen sie zur Verarbeitung anregen und nicht zu leicht „eingehen“. Damit ist gemeint, dass
ein erlebnisreicher Film von wichtigen Aussagen ablenken und eine unfertige
Schemazeichnung zur intensiven Auseinandersetzung anregen kann (vgl. Berck, 1999, S.114-
115).
Lernen mit Medien kann aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet werden. Auf der
basalen Ebene kann man sich auf das Präsentationsmedium fokussieren, durch das Lernende
Informationen vermittelt bekommen. Dabei spielt es keine Rolle, ob Schülerinnen und
Schüler einen Text auf dem Tablet oder im Schulbuch lesen. Wenn man den Medienbegriff
aus der Sicht der Technologie betrachtet, kann der Text interaktiv verändert werden,
wodurch die Möglichkeit zur Kombination von visuellen und verbalen Informationen
geboten wird. Damit kann die Lernsituation individuell an die Schülerin oder den Schüler
angepasst und das Gedächtnis kognitiv entlastet werden (vgl. Opfermann et al., 2020, S.17-
28).
Kerres (2013, S.128-129) stellt sich die Frage, was ein Medium zu einem Lern- und
Bildungsmedium macht. Ein didaktisch wertvolles Medium soll den Nachweis erbringen, dass
Prozesse angeregt werden können, die ein Bildungsanliegen zu lösen helfen. Dabei gibt es
nicht die eine Lösung, da ein Medium in einem Fall gut funktioniert, in einem anderen wieder
weniger. Ein mediales Lernangebot kann genau dann gelingen, wenn die Bedingungen der
Lernsituation stimmen. So kann jedes Medium einen Lernerfolg ermöglichen, wenn die
25Situation passt. Ein vermeintlich ‚schlechtes‘ Medium kann für einen Lerneffekt
verantwortlich sein, wenn dadurch eine Diskussion ausgelöst wird.
Der Begriff ‚Medium‘ spielt also im schulischen Kontext eine sehr wichtige Rolle. Ob und in
welcher Form Medien im Unterricht eingesetzt werden, kann sehr unterschiedlich sein.
Im folgenden Kapitel wird mit der Mikroskopie eine Basistechnik vorgestellt, die im
Biologieunterricht lange Tradition hat. Auch im Rahmen dieser Technik kann die
Digitalisierung einen Beitrag zur Modernisierung leisten. So werden mittlerweile
Abbildungen in digitaler Form dargestellt oder mittels virtueller Mikroskopie zahlreichen
Lernenden zur selben Zeit präsentiert.
264. Mikroskopie – Naturwissenschaftliche Basistechnik im
historischen Kontext bis zum digitalen Wandel
Als Beispiel für eine der zentralen Techniken im Biologieunterricht als auch in den
Naturwissenschaften wird die Mikroskopie an dieser Stelle genauer unter die Lupe
genommen. Mit einem Blick auf die historische Entwicklung der Mikroskopie kann gezeigt
werden, welche strukturellen und prozessualen Erkenntnisse bislang erreicht werden
konnten. Vor allem die Lichtmikroskopie kommt im Unterricht immer wieder zum Einsatz.
Eine Möglichkeit der digitalen Darstellung von Sachverhalten im Rahmen der Mikroskopie
wird in Kapitel 5.4.2.9. erläutert.
Ferne Dinge nah und kleine Dinge groß zu sehen, gehört zu den Menschheitsträumen und
nicht immer stand dabei das wissenschaftliche Interesse im Vordergrund. Laut Wegerhoff et
al. (2015, S.2-3) lässt sich der genaue Erfinder nicht mehr ermitteln, jedoch kann festgehalten
werden, dass in den Anfängen holländische Optiker einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung
geleistet haben. In der Frühphase waren Instrumente aus einfachen Materialien wie Holz
oder Pappe die limitierenden Faktoren für den Fortschritt. Mägdefrau (2013, S.90-97)
beschreibt Johannes und Zacharias Janssen, zwei holländische Brillenschleifer, als Entwickler
der ersten Mikroskope um zirka 1590. Die einfachen Instrumente, als Flohgucker bezeichnet,
bestanden aus einem Rohr an dessen Ende Linsen befestigt waren, und einer Glasscheibe
mit Objekt am anderen Ende der Konstruktion, das man gegen das Licht hielt. Im
17.Jahrhundert verbesserte Robert Hooke das Mikroskop insofern, dass er es nach dem
Prinzip ausstattete, dem heutige Geräte noch zugrunde liegen. Er untersuchte bereits den
Feinbau von botanischen Objekten wie Flaschenkorken und erkannte ihren zellenförmigen
Aufbau. Anton von Leeuwenhoek lebte Ende des 17. bis Anfang des 18.Jahrhunderts in
Holland und schliff hervorragende Linsen allerdings nicht der Wissenschaft willen, sondern
wegen der Freude an der Untersuchung von kleinen Objekten.
In einem mikroskopischen System sind einerseits die Vergrößerung und andererseits das
Auflösungsvermögen von großer Bedeutung. Die Entdeckung des Zusammenhangs zwischen
Öffnungswinkel des Objektivs sowie der Auflösung durch Joseph J. Lister um 1810 führte zu
einer Änderung des Baus von Objektiven. Außerdem wurden im 19.Jahrhundert Techniken
für die Verbesserung der Auflösung mit Öl und Wasser als Immersionsmedien entdeckt. Im
2720.Jahrhundert entwickelte sich die Lichtmikroskopie weiter bspw. mit dem konfokalen
Laserscanning-Mikroskop mit fokussiertem Laserstrahl, der Präparate abrastert.
Parallel zur Lichtmikroskopie beginnt zu Beginn des 20.Jahrhunderts die Geschichte der
Elektronenmikroskopie, deren Fortschritte eng an die optischen und physikalischen
Kenntnisse gekoppelt sind. Aufgrund der Erfahrung, dass durch beschleunigte Elektronen
eine höhere Auflösung und Vergrößerung erzielt werden kann, wurde 1928/29 von Ernst
Ruska und Max Knoll das erste Elektronenmikroskop konstruiert (vgl. Linnemann & Kühl,
2018, S.266-267). Allgemein können Elektronenmikroskope danach klassifiziert werden, ob
sie Abbildungen durch Bestrahlung wie eine ‚Lampe‘ oder durch Abtasten der Oberfläche
ähnlich einer ‚Nadel‘ oder einem ‚Finger‘ erreichen. Wichtige Varianten dieser Technik sind
das Transmissions-Elektronenmikroskop, das die ultradünne Probe mit einem
Elektronenstrahl durchdringt und elektronenmikroskopische Linsen vergrößerte Objekt-
abbildungen in digitaler Form darstellen. Bei einem Rasterelektronenmikroskop wird der
fokussierte Elektronenstrahl über die Probe gescannt, um eine Oberfläche abzubilden (vgl.
Michler, 2019, S.7-8). Die Mikroskopie hat in den letzten 400 Jahren eine enorme
Entwicklung durchgemacht und das Ende noch lange nicht erreicht. Zusehends wird die
Technik der Mikroskopie um die digitale Komponente erweitert.
Für den Unterricht spielt das Lichtmikroskop eine große Rolle bei der Darstellung von
Pflanzenmaterial. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten verschiedene Themen anhand der
Mikroskopie im Unterricht umzusetzen. Für viele Schülerinnen und Schüler wird allein das
Arbeiten mit dem Mikroskop und das Herstellen von Präparaten zu einem bleibenden
Erlebnis. Elektronenmikroskope können im Rahmen eines außerschulischen Lernorts
besucht werden, werden aber in den Biologieunterricht selten integriert. Die digitale
Komponente in Bezug auf die Lichtmikroskopie ist im schulischen Kontext von großer
Bedeutung. Man kann Bilder in digitaler Form durch Mikroskop-Kameras aufnehmen, indem
man diese anstelle des Okulars in den Tubus gibt. Dadurch kann ein Bild über einen Projektor
oder ein Smartboard übertragen werden, das somit allen Schülerinnen und Schülern
zugänglich wird. Weiters können Lernende mit dem eigenen Smartphone Bilder von den
Präparaten über das Okular herstellen, um diese zu speichern. Dies bietet sich an, wenn man
beispielsweise eine Zeichnung anfertigen möchte und der Ablauf aus Zeitgründen häufig in
einer Unterrichtseinheit nicht zu bewerkstelligen ist.
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