cc-gis - Zentrum für Lehrerbildung Hamburg

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
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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
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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).
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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
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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.
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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.
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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
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