Maria Knobelsdorf, Sandra Sprenger COMPUTING & CLIMATE CHANGE EDUCATION WITH GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEMS (CC-GIS) – VERMITTLUNG DIGITALER BILDUNG IM THEMATISCHEN KONTEXT VON KLIMAWANDEL MIT GEOGRAPHISCHEN INFORMATIONSSYSTEMEN Thema und Ziele Lernen im digitalen Kontext und damit einhergehende Handlungskompetenzen stellen ein zentrales Handlungsfeld im Bildungsbereich dar und werden auch aktuell im Strategiepapier der Kultusministerkonferenz als Herausforderung und Chance für Schulen und Hochschulen diskutiert (KMK, 2016). Die Vermittlung digitaler Bildung im Kontext des jeweiligen Schulfachs ist in den Hamburger Rahmenplänen ebenfalls vorgesehen. Entsprechende Bildungsangebote setzen jedoch voraus, dass Lehrkräfte zunächst selbst über entsprechende digitale Kompetenzen im Rahmen ihres Fachs verfügen, den Digitalisierungsprozess ihrer Fachwissenschaft kennen sowie die für ihren Schulunterricht relevanten digitalen Werkzeuge und Systeme als Nutzer und Fachdidaktiker beherrschen. Hierfür müssen sowohl in der Lehramtsausbildung als auch im Rahmen von Fort- und Weiterbildungsmaßnahmen entsprechende Lehr-Lern-Angebote gemacht werden (Höhnle, Schubert & Uphues, 2010). Die Geographie als medienintensives Fach ist durch den möglichen Einsatz Geographischer Informationssysteme (GIS) prädestiniert, Digitale Bildung im Kontext geographischer Unterrichtsthemen zu vermitteln. GIS ermöglichen die Modellierung und Analyse geographischer Informationen mit räumlichen Datenbanken und korrespondierenden Algorithmen. GIS spielen daher eine wichtige Rolle in der geographischen Arbeit und werden in vielen Bereichen und Industrien eingesetzt. Entsprechend sind GIS auch in den Bildungsstandards für das Schulfach Geographie gefordert und die Ausbildung mit GIS ist im regulären Geographiestudium verankert. Graphische Oberfläche von QGIS mit der Darstellung des Niederschlags in Deutschland basierend auf Daten des Deutschen Wetterdiensts (DWD). Im Bachelor Lehramtsstudiengang Geographie an der Universität Hamburg ist das Fachmodul „Raumbezogene Datenanalyse“ verpflichtend zu absolvieren. Es sieht eine Anwenderschulung mit ArcGIS Desktop, einem kommerziellen für Industriezwecke konzipierten GIS, vor. Das Konzept der Veranstaltung im Hinblick auf die Ziele und Inhalte richtet sich an die GeographieStudierenden und hat damit die fachwissenschaftliche Ausbildung mit ArcGIS Desktop im Fokus. Die Lehramtsstudierenden beklagen, dass sie ArcGIS Desktop im späteren Verlauf ihres Studiums und ihrer weiteren Laufbahn als Lehrerinnen und Lehrer voraussichtlich nicht noch einmal werden nutzen können, da die kommerzielle Software für Schulen nicht geeignet ist. Entsprechend gering ist die Motivation bei den Lehramtsstudierenden, sich auf diese Auseinandersetzung einzulassen. Zusätzlich wird deutlich, dass der reine Fokus auf die Anwenderschulung von ArcGIS Desktop den Lehramtsstudierenden keine Möglichkeit eröffnet, sich in andere GIS einzuarbeiten, die für den Schulunterricht relevant sein könnten. So konnten wir insgesamt immer wieder beobachten, dass spätestens im Master die Lehramtsstudierenden kaum noch Bezüge zu GIS haben und sich in der Mehrzahl nicht mit diesem für ihr Schulfach relevanten digitalen Lehr-Lern-Werkzeug auseinandersetzen. Damit haben Lehramtsabsolventen der Geographie im Hinblick auf Digitale Bildungsmöglichkeiten ihres Schulfachs Defizite, die es zunächst auf fachwissenschaftlicher und dann im weiteren Schritt auf fachdidaktischer Ebene zu schließen gilt. Das Ziel dieses Projekts war es daher, GIS im Lehramtsstudiengang Geographie erneut aufzugreifen und den Studierenden hier einen neuen und für sie gewinnbringenden Zugang zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wurde eine neue Veranstaltung für Lehramtsstudierende des 2 Faches Geographie konzipiert und im Sommersemester 2016 im Wahlpflichtbereich des Geographie Masterlehramtsstudiums erprobt. Die Veranstaltung hatte zum Ziel, geographische Arbeit mit GIS allgemein aber sinnhaft zu vermitteln und dabei sowohl in die geographische Arbeit mit einem konkreten System selbst einzuführen als auch informatikspezifische Aspekte der Digitalisierung von Daten (Modellierung, Speicherung sowie algorithmische Verarbeitung) in diesem Kontext aufzuzeigen, so dass die grundlegende Funktionalität eines GIS kennen gelernt werden kann. Letzteres stellt eine notwendige Voraussetzung dar, sich auch in beliebige andere GIS eigenständig einzuarbeiten, deren Anwendung und Nutzungskontext nicht bekannt sind, denn alle GIS bauen technisch gesehen auf den gleichen informatischen Konzepten und Technologien auf (Breier, 2010). Durch die Auswahl eines geographischen Kontexts wurde der Lebensweltbezug der Studierenden aufgegriffen und durch lokale und regionale Beispiele mit Bildungsplanbezug umgesetzt. Die fächerübergreifenden Ziele dieser Veranstaltung lagen dabei in der informatikbezogenen Medien- und Methodenkompetenz von GIS und der geographischen Fachkompetenz als Kontextgeber. Die durchgeführte Veranstaltung ging hierbei weit über gängige Anwendungsund Produktschulungen von IT-Systemen hinaus und stellte vielmehr ein interdisziplinäres Bildungsangebot zwischen der Geographie und der Informatik dar. Das Veranstaltungskonzept konnte dabei über die Dauer des Lehrlabor-Projekts hinaus verstetigt und in die reguläre GISAusbildung im Lehramtsbachelor im Sommersemester 2017 integriert werden. Veranstaltungskonzept Die Lehrveranstaltung wurde unter dem Namen „Geographische Informationssysteme zur Vermittlung Digitaler Bildung im Kontext der Geographie“ im Rahmen der Masterstudiengänge Lehramt Gymnasium und Primar- und Sekundarstufe mit dem Unterrichtsfach Geographie mit einem Umfang von 2 SWS im Sommersemester 2016 angeboten und war als Wahlpflichtveranstaltung im Pflichtmodul „Spezielle, regionale und angewandte Geographie“ angesiedelt. Die Veranstaltung stellte einen Mix aus Vorlesung und Praktikum dar. Relevante neue Themen wurden in kurzen Vorträgen vorgestellt, Übungsaufgaben und ein Abschlussprojekt jeweils direkt am Computer gaben den Studierenden die Möglichkeit zur praktischen Erprobung. Aus informatischer Sicht besteht ein GIS aus einer Datenbank und einem interaktiven Userinterface, mit dem raumbezogene, digitalisierte Informationen eingegeben, bearbeitet und visualisiert werden können. Durch mehrschichtige Repräsentation raumbezogener Prozesse bieten GIS weit mehr als eine reine Digitalisierung von Kartenmaterial an. Die mittels Raster- und Vektorgraphik visualisierten Daten erlauben die Nutzung verschiedener Datenformate und Auswertungen durch spezielle Algorithmen. Basierend auf SQL, einer Programmiersprache für Datenbanken, können raumbezogene digitale Daten in GIS direkt eingegeben und manipuliert werden. Der Forschungsbereich spatial computing bietet 3 verschiedene, ins System eingebaute Algorithmen an, und viele GIS erlauben auch das Erstellen eigener Algorithmen mit textuellen Programmiersprachen (de Lange, 2007). Damit haben GIS nicht nur eine Nutzungsdimension für geographische Probleme oder Aufgaben, sondern auch stets eine informatische, die die Nutzungsdimension prägt und mitbestimmt (Koubek et al., 2009). Für das grundlegende Verständnis geographischer Arbeit mit GIS ist es daher unerlässlich, auch die informatische Dimension zu kennen. Wir haben dies im Kurskonzept berücksichtigt durch die Integration entsprechender Informatikthemen. In einer Lehrveranstaltung, die ein Werkzeug wie GIS zum Gegenstand hat, ist es jedoch auch unerlässlich, exemplarisch an einem konkreten GIS die thematisierten Fragestellungen und Themen kennen zu lernen und zu erproben (Hubwieser, 2007). In der Veranstaltung wurde daher beides thematisiert; sowohl der Aufbau und die Funktionsweise Geographischer Informationssysteme, Datenmodelle, Dimensionen, Lagebeziehungen und Einsatzbereiche von GIS als auch die konkrete Erprobung an einem konkreten System. Hierfür haben wir das Open Source Desktop System QGIS für Stand-PCs ausgewählt. QGIS ist kostenlos erhältlich, bietet die für die Schule benötigten Funktionen an und wird bereits in vielen Schulen deutschlandweit eingesetzt. Die Teilnehmenden bekamen für QGIS eine kurze Einführung und haben relevante Aufgaben am Computer mit QGIS durchgeführt. Aus dem Informatikunterricht ist bekannt, dass die reine Auseinandersetzung mit der Nutzung spezifischer Informationssysteme im Hinblick auf die Motivation und das Interesse der Lernenden einen eher negativen Einfluss hat. Lernende hinterfragen, wofür sie das zu erlernende Informationssystem einsetzen können und welchen Sinn das für sie hat. Die Antwort darauf ist eher theoretischer Natur, wenn das System selbst Gegenstand des Unterrichts ist und nicht dessen konkrete Anwendung. Dieses Kernproblem findet sich auch in der regulären Veranstaltung zu ArcGIS Desktop wieder. Die Studierenden erlernen die Nutzung und Funktionalität einer bestimmten GIS-Software, während die konkrete Anwendung und Nutzung erst in späteren Folgeveranstaltungen für Geographie-Studierende thematisiert wird, welche von den Lehramtsstudierenden jedoch gar nicht besucht werden. Um dieser Problematik zu begegnen, haben wir daher die Nutzung von QGIS und die damit einhergehende informatische Dimension in einen für die Studierenden relevanten Themenkontext eingebettet, der sich wie eine rote Schnur durch die gesamte Veranstaltung zieht und auf den sich sämtliche Beispiele, Materialien und Aufgaben, die die Studierenden mit GIS bearbeiten, beziehen (Forte & Guzdial, 2004; Koubek, 2009). Als lebensweltlichen Kontext für den Einsatz von GIS haben wir den Klimawandel gewählt, und zwar aus zwei Gründen: 1. Die Auseinandersetzung und Modellierung des Klimas und der Folgen des Klimawandels für Mensch und Natur wird in der Forschung durch den intensiven Gebrauch von Informationstechnologie bewerkstelligt. Der Sinn und Nutzen eines GIS Werkzeugs kann daran sehr gut demonstriert und so sinnvoll vermittelt werden (Knobelsdorf, Tenenberg, 2013). 4 2. Die Vermittlung von Klimawandel im Unterricht stellt komplexe Anforderungen an Lehrkräfte, was zum einen an der Schnelllebigkeit der Forschungsergebnisse, aber auch an deren Komplexität liegt. Plutzer et al. (2016) konnten zeigen, dass Lehrkräfte nicht immer über ausreichendes Wissen hierfür verfügen. Dies strahlt auf die SchülerInnen aus, die vielfach im Bereich des Klimawandels Fehlkonzepte haben und nicht über adäquates Wissen verfügen (Dawson & Carson, 2013; Dijkstra & Goedhart, 2012; Shepardson, Niyogi, Choi, & Charusombat, 2009; Shepardson, Niyogi, Roychoudhury, & Hirsch, 2012). Diese Aspekte konnten in der Auseinandersetzung mit GIS in der Lehrveranstaltung besonders berücksichtigt werden. Mit GIS lassen sich Klimadaten auf ihren Zusammenhang mit Landnutzungsmustern oder der Verbreitung von Vegetationstypen analysieren. Besondere Relevanz besteht in der Klimafolgenforschung, wo Auswirkungen des Klimawandels nicht nur bezogen auf den Naturraum, sondern auch mit Bezug auf den Menschen untersucht werden, und das auf globalem, regionalem wie lokalem Maßstab. Z.B.: Welche landwirtschaftlichen Nutzpflanzen lassen sich bei sinkenden Niederschlägen und steigenden Verdunstungsraten anbauen? Wo bahnen sich Konflikte um die Ressource Wasser an? Damit wird den Studierenden die Bedeutung und Relevanz von GIS in der Klimaforschung aufgezeigt und so die Sinnhaftigkeit dieses Werkzeugs in der geographischen Forschung insgesamt betont. Durchführung Zur Veranstaltung hatten sich 18 Personen angemeldet und nach den ersten Wochen lag die Teilnehmerzahl kontinuierlich bei ebenfalls 18 Studierenden. Alle Teilnehmenden studierten Geographie Lehramt im Master, davon 12 Lehramt auf Gymnasium und 6 Lehramt an Primarund Sekundarstufe I. Im ersten Teil der Veranstaltung wurde in das Thema Klima eingeführt und dabei ein besonderer Schwerpunkt auf die Visualisierung der Klimaelemente Temperatur und Niederschlag gelegt. Zur Unterstützung dieser Visualisierung wurden in die Graphikformate Raster und Vektor eingeführt und es wurden Möglichkeiten aufgezeigt, wie man tabellarische Daten in Punktgeometrien transformieren kann. Diese Daten wurden dann von den Studierenden mittels verschiedener Klassifikationsmethoden verwaltet und visualisiert. Da Punktgeometrien diskontinuierliche Informationen darstellen, die über die Verortung der einzelnen Messstationen visualisiert werden, die Klimaelemente allerdings kontinuierliche Informationen darstellen, war der nächste Schritt die Transformation der Punkte in flächenhafte Daten mit Hilfe verschiedener Algorithmen. Dabei war das Ziel flächenhafte kartographische Darstellungen zu erzeugen, die die langjährigen Mittelwerte von Temperatur und Niederschlag für eine bestimmte Region visualisieren. Die für diese Transformation genutzten „Inverse Distance Weighted (IDW)“ und „Voronoi Polygone“ Algorithmen wurden vorgestellt und erklärt, und es wurde gezeigt, wie man diese Algorithmen in QGIS anwenden 5 kann. Im Rahmen dieses Teils der Lehrveranstaltung haben die Studierenden den Arbeitsablauf kennengelernt, wie man Daten zu Klimaelementen in einem Geographischen Informationssystem erfassen, verwalten, analysieren und präsentieren kann. Jeder dieser Schritte wurde auf unterschiedlichen geographischen Maßstabsebenen durchgeführt um aufzuzeigen, wie ähnliche Arbeitsabläufe dabei helfen können, Daten und Informationen auf einem globalen, nationalen, regionalen und lokalen Maßstab zu erfassen. Im Zuge dessen haben wir relevante informatische Konzepte im Rahmen klimatischer und GIS-bezogener Beispiele vorgestellt. Im zweiten Teil der Lehrveranstaltung wurde dann in das Thema Klimawandel eingeführt und wie man damit zusammenhängende Phänomene in GIS modellieren und analysieren kann. Dazu gehörten unter anderem die Analyse von Satellitenbildern im Kontext schmelzender Gletscher, die Erstellung von Hochwassermodellen, um Folgen des Klimawandels aufzuzeigen sowie die Visualisierung statistischer Daten auf nationaler Ebene zum Thema Klimawandel. In diesem Rahmen wurden verschiedene Klimamodelle und Datenquellen vorgestellt und verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, wie historische und aktuelle Daten miteinander verglichen werden können. Es wurde auch im Kontext des Klimawandels auf die relevanten informatischen Konzepte zurückgegriffen und diese diskutiert. Als Abschluss der Lehrveranstaltung haben sich die Studierenden eine eigene Fragestellung zum Thema Klimawandel ausgesucht und diese mit Hilfe von GIS in einer Projektarbeit bearbeitet. Dabei wurde auf die in der Veranstaltung thematisierten Konzepte zurückgegriffen, und die Studierenden haben zu ihrem Projekt Daten selbst erfasst, verwaltet, analysiert und visualisiert. Im Rahmen ihrer Projektarbeit haben sie ihre Ergebnisse und den Erarbeitungsprozess dahin vorgestellt. Die Resonanz der an der Veranstaltung teilnehmenden Studierenden war sehr positiv. Es wurde mehrfach betont, dass die Arbeit mit QGIS Spaß macht und interessant ist. Letzteres spiegelte sich auch in der Bereitschaft der Studierenden wider, die Veranstaltung regelmäßig zu besuchen und in der Intensität, mit der Aufgaben am Computer bearbeitet wurden sowie in den guten Ergebnissen. Die Studierenden gaben insbesondere an, dass sie nun viel besser verstehen, wie ein GIS aufgebaut ist und welche Möglichkeiten das Werkzeug für die Bearbeitung geographischer Probleme bietet. Die positive Resonanz spiegelte sich auch in den Evaluationsergebnissen wieder. Die Studierenden bewerteten das Konzept und die Durchführung der Veranstaltung mit sehr guten Noten. Es wurde einzig bemängelt, dass keine didaktischen Ansätze und Materialien für den Einsatz von GIS im Geographieschulunterricht thematisiert wurden. Letzteres war jedoch gar nicht Gegenstand der Veranstaltung, sodass wir dieses Feedback als einen zusätzlichen Indikator für den Erfolg der Veranstaltung interpretieren – ging es doch letztlich darum, den Lehramtsstudierenden die fachliche Auseinandersetzung mit GIS soweit zu vermitteln und zu motivieren, dass sie im nächsten Schritt das Werkzeug im Unterricht einsetzen lernen. 6 Nachfolgeprojekte und Verstetigung Durch die positiven Ergebnisse des hier vorgestellten Lehrlaborprojekts konnte ein Nachfolgeprojekt verlasst werden, welches von 2016-2017 durch das Lehrlabor Lehrerprofessionalisierung der Fakultät für Erziehungswissenschaft der Universität Hamburg gefördert wird. Das Lehrlabor Lehrerprofessionalisierung ist ein Teilprojekt im vom BMBF (im Rahmen der „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“) geförderten Projekt „Professionelles Lehrerhandeln zur Förderung fachlichen Lernens unter sich verändernden gesellschaftlichen Bedingungen (ProfaLe)“. In Nachfolgeprojekt wird ein neues Konzept für die Lehrveranstaltung „Einführung in Geographische Informationssysteme (GIS)“ für Lehramtsstudierende der Geographie entwickelt und im Lehrbetrieb der Geographie verankert. Lernziel der neuen Veranstaltung wird es sein, den Lehramtsstudierenden GIS im Kontext von Forschungen zum Klimawandel vorzustellen und dabei sowohl in die geographische Arbeit mit dem System QGIS einzuführen als auch informatikspezifische Aspekte des Systems (Datenmodellierung, Speicherung und Verarbeitung) in diesem Kontext aufzuzeigen. Für dieses Vorhaben konnte ein Konsortium aus der Informatik, der Geographie und den beiden Fachdidaktiken sowie zwei Kooperationspartner aus der Forschung gewonnen werden, welche die geplante Innovation sicherstellen werden. Das Veranstaltungskonzept wird begleitend empirisch evaluiert und soll langfristig über die Dauer des Lehrlabors hinaus als festes Bildungsangebot im Bachelor Lehramtsstudium der Geographie etabliert werden. Eine Verankerung des Konzepts im zukünftigen Schülerforschungszentrum der Universität Hamburg ist inhaltlich möglich und stellt ebenfalls ein weiteres Ziel dieses Projekts dar. Literatur Breier, N.: Informatische Bildung und Medienbildung im Fächerkanon. In: Meyer, T.; Appelt, R.; Schwalbe, Ch.; Tan, W.-H. (Hrsg.): Medien & Bildung. Institutionelle Kontexte und kultureller Wandel. Wiesbaden: VS-Verlag 2010, S. 255-264. Dijkstra, E.; Goedhart, M.: Development and validation of the ACSI: measuring students’ science attitudes, pro-environmental behaviour, climate change attitudes and knowledge. In: Environmental Education Research, 18(6), 2012, S. 733-749. Forte, A.; Guzdial, M.: Computers for Communi-cation, Not Calculation. Media as a Motivation and Context for Learning. In: Proceedings of the 37th HICSS, IEEE, 2004. Höhnle, S.; Schubert, J. C.; Uphues, R.: The frequency of GI(S) use in the geography classroom. Results of an empirical study in German secondary schools. In: Lernen mit Geoinformation. Heidelberg Verlag 2010. Hubwieser, P.: Didaktik der Informatik. Grundlagen, Konzepte, Beispiele. Springer 2007. 7 KMK: Bildung in der digitalen Welt – Strategie der Kultusministerkonferenz, 2016. Koubek, J.; Schulte, C.; Schulze, P.; Witten, H.: Informatik im Kontext. Ein integratives Unterrichtskonzept für den Informatikunterricht. INFOS 2009. Lange, N. de.: GIS in der Geoinformatik – GIS in der Schule. In Lernen mit Geoinformation II. Heidelberg 2007. Plutzer, E.; McCaffrey, M.; Hannah, A. L.; Rosenau, J.; Berbeco, M.; Reid, A. H.: Climate confusion among US teachers. Science, 351(6274), 2016, S. 664-665. Shepardson, D. P.; Niyogi, D.; Choi, S.; Charusombat, U.: Seventh grade students' conceptions of global warming and climate change. Environmental Education Research, 15(5), 2009, S. 549570. Shepardson, D. P.; Niyogi, D.; Roychoudhury, A.; Hirsch, A.: Conceptualizing climate change in the context of a climate system: implications for climate and environmental education. Environmental Education Research, 18(3), 2012, S. 323-352. Autorinnen Prof. Dr. Maria Knobelsdorf, Computer Science Education, Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Universität Hamburg Prof. Dr. Sandra Sprenger, Geographiedidaktik, Didaktik der gesellschaftswissenschaftlichen und mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächer (EW 5), Fakultät für Erziehungswissenschaft, Universität Hamburg 8