avimec - Ihre Homepage bei Arcor
Werbung
AVIMEC Audiovisuelles Modul: Enzyme in der bioorganischen Chemie Wissenschaftliche Hausarbeit zur Erlangung des Ersten Staatsexamens bearbeitet durch: Cinzia Onnis Willy-Brandt-Allee 55 64347 Griesheim Matrikel-Nr.: 1122929 Ich möchte mich bei meiner Familie und meinen Freund bedanken, die immer ein offenes Ohr und Verständnis für mich haben. Außerdem möchte ich allen Lektoren für das Lesen dieser Arbeit meinen besonderen Dank aussprechen sowie den Anregungen, die sie mir entgegenbrachten. Darmstadt, den 08.08.2006 Cinzia Onnis Ich möchte mich bei meinen Korrekturlesern bedanken, die mich darauf hinwiesen, dass Gedanken manchmal zu den sprunghafteren gehören und ein wenig Erklärung bedürfen. Weiterhin gilt mein Dank der Firma Merck, in deren Bibliothek ich so manch interessanten Artikel fand. Zu guter Letzt geht mein Dank an meine Eltern und meinen Bruder, die mich mit Nahrung und guter Laune versorgten. Peter Nürnberger Abkürzungsverzeichnis III Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ............................................................................................................................... 1 2 E-tivities.................................................................................................................................. 2 2.1 Was ist E-Learning? ...................................................................................................... 3 2.2 Was ist E-Teaching? ...................................................................................................... 6 2.3 Vorraussetzungen für eLearning ............................................................................................. 8 2.3.1 Ausrüstung an Schulen ........................................................................................................ 9 2.3.2 Ausrüstung zu Hause ......................................................................................................... 10 3 4. 2.4 Lehrplan und eLearning .............................................................................................. 11 2.5 eLearning im Unterricht[] ........................................................................................... 12 2.5.1 Die Rolle des Lehrers................................................................................................... 12 2.5.2 Die Rolle des Schülers ................................................................................................. 13 2.5.3 Der Unterrichtsstoff ..................................................................................................... 14 Bedarfsanalyse zum Projekt AVIMEC ............................................................................. 16 3.1 Fragebogenauswertung der Schüler ............................................................................ 17 3.2 Fragebogenauswertung der Lehrer und Lehramts-studenten ...................................... 24 Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit ............................................ 28 4.1 Aufgabenstellung ......................................................................................................... 28 4.2 Einbindung in den Rahmenlehrplan ............................................................................ 29 4.2.1 Rahmenlehrplan in Ausbildungsberufen .......................................................................... 29 4.2.1.1 Rahmenlehrplan für Biologielaboranten[] .......................................................... 30 4.2.1.2 Rahmenlehrplan für Chemielaboranten[] ........................................................... 31 4.2.1.3 Rahmenlehrplan für Chemikanten[] .................................................................... 31 5 4.2.4 Lehrplan für Chemie an Gymnasien in Hessen[].......................................................... 32 4.2.5 Lehrplan für Biologie an Gymnasien in Hessen[] ........................................................ 33 4.3 Zusammenfassung der Ergebnisse aus der Frage-bogenauswertung .......................... 34 Bedeutung der Enzyme für die Industrie .......................................................................... 35 5.1 Geschichtlicher Abriss der Nutzung von Biokatalysatoren[]........................................ 35 5.2 Biotechnologie ............................................................................................................. 38 5.3 Bedeutung der Biokatalyse .......................................................................................... 39 5.4 Vor- und Nachteiler enzymatischer Produktions-verfahren ........................................ 40 5.5 Biokatalyse und Fermentation ..................................................................................... 46 5.6 Voraussetzungen der Stämme für die Fermentation: ........................................................... 47 5.7 Die Macht kombinierter Methoden ...................................................................................... 48 5.8 6 Enzymklassen und Verwendung ................................................................................... 50 Barrierefreies Internet ........................................................................................................ 34 6.1 Der Einsatz von CSS .................................................................................................... 34 6.2 Farben.......................................................................................................................... 36 6.3 Relative Größen ........................................................................................................... 36 Abkürzungsverzeichnis 7 IV 6.4 Audio ............................................................................................................................ 37 6.5 Bilder und Animationen ............................................................................................... 39 6.6 Video ............................................................................................................................ 40 Aufbau der interaktiven Webseite ..................................................................................... 41 7.1 Gestaltung der Webseite ............................................................................................. 41 7.2 Aufbau der Unterrichtseinheiten ................................................................................. 41 7.3 Aufbau des E-Teaching –Bereiches ............................................................................ 41 7.4 Interaktivität................................................................................................................. 41 7.5 Einsatz von Hot Potatoes ............................................................................................ 43 7.5.1 JCloze ...................................................................................................................... 43 7.5.2 JMatch..................................................................................................................... 44 7.5.3 JQuiz ....................................................................................................................... 44 7.5.4 JCross ..................................................................................................................... 45 7.5.5 JMix......................................................................................................................... 45 8 9 7.6 Einsatz von Rasmol und Chime ................................................................................... 45 7.8 Rundgang durch AVIMEC ........................................................................................... 57 Literaturverzeichnis ............................................................................................................ 46 8.1 Primärliteratur: ........................................................................................................... 46 8.2 Sekundärliteratur: ........................................................................................................ 47 8.3 Links ............................................................................................................................. 48 Anhang ................................................................................................................................. 47 9.1 Fragebögen zur Bedarfsermittlung .............................................................................. 47 9.1.1 Fragebogen für Schüler zum Thema E-Learning .................................................... 47 9.1.2 Fragebogen für Lehrer zum Thema E-Teaching ..................................................... 50 9.2 Versuchsskript zum Thema Enzyme ............................................................................. 52 9.3 DVD „AVIMEC 2006“ ................................................................................................ 52 Abkürzungsverzeichnis V Abkürzungsverzeichnis Abb. Abbildung BBU Berufsbezogener Unterricht BGG Gesetz zur Gleichstellung behinderter Menschen cbt computerbasierte Technologien CD compact disc, Speichermedium bis 800 MB CSS Cascading Style Sheets DVD digital versatile disc, Speichermedium bis 8GB GB Gigabyte GG Grundgesetz gif graphic interchange format, Graphikformat mit verlustfreier Kompression IuK Informations- und Kommunikationstechnik jpeg joint photography expert group, kompromiertes Bildformat MB Megabyte mpeg1 moving picture expert group 1, Videoformat für Video-Cds mpeg2 moving picture expert group 2, Videoformat in Fernsehqualität OHP Overhead-Projektor rm real media, Videoformat für Internet-Streaming Sek. I Sekundarstufe I, die Klassen 5-10 der Gymnasialstufe Sek. II Sekundarstufe II, die Klassen 11-13 der Gymnasialstufe SPS systemprogrammierte Steuerung VHS video home system, Kassettenform für Filme W3C World Wide Web Consortium wbt web-basierte Technologien WYSIWYG what you see is what you get Einleitung 1 1 Einleitung Das Thema der wissenschaftlichen Hausarbeit „AVIMEC - Audiovisuelles Modul: Enzyme in der bioorganischen Chemie“ besteht aus zwei Teilen. Der erste und größere Teil ist die Erstellung einer interaktiven Webseite, die sowohl einen E-Learning-Bereich für Schüler und Interessierte zum Thema Enzyme enthält als auch einen E-Teaching-Bereich, wo Lehrer vorgefertigte Arbeitsblätter, didaktische Hinweise und PowerPoint-Präsentationen vorfinden. Der zweite Teil ist die wissenschaftliche schriftliche Hausarbeit. Durch sie soll es dem Leser möglich sein, die Motivation des Themas und die Vorgehensweise nachzuvollziehen. In ihr werden im Einzelnen die folgenden Themen bearbeitet: 1. Begriffserklärung der Wörter E-tivities, E-Learning und E-Teaching 2. Die Bedarfsanalyse von Lehrern und Studenten 3. Die Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 4. Geschichtliche Entwicklung und heutige Bedeutung der enzymatischen Katalyse 5. Die Thematik „Barrierefreies Internet“ 6. Der Aufbau der interaktiven Webseite Einleitung 2 E-tivities 2 2 E-tivities In der heutigen Zeit nehmen computerbasierte Technologien einen immer höheren Stellenwert ein. Während vor 30 Jahren Rechner kaum erschwinglich waren, sind sie heutzutage kaum mehr aus einem Kinderzimmer wegzudenken. Am Arbeitsplatz, in der Universität und im Alltag wird es immer schwerer Anschluss an die heutigen Anforderungen zu finden, wenn kein Rechner vorhanden ist. Dadurch steigen auch die Anforderungen mit diesen neuen Medien umzugehen. Diesbezüglich wurde in allgemein bildenden Schulen das Unterrichtsfach „Informations- und kommunikationstechnische Grundbildung“ in Hessen im Jahre 2004 eingeführt. Ziel dieses Unterrichtsfaches, laut dem Lehrplan, ist es „die Schülerinnen und Schüler in die Grundlagen mit dem Medium Computer einzuführen. Dabei soll gewährleistet werden, dass allen Schülerinnen und Schüler unabhängig von ihrer Vorbildung und unabhängig von außerschulischen Möglichkeiten ein chancengleicher Zugang und gleiche Grunderfahrungen mit den „Neuen Medien“ eröffnet werden“.[1] Das Fach IuK Grundbildung ist für die fünfte und sechste Klasse vorgesehen und soll das Fundament für den Umgang mit dem Medium Computer legen. Diese erworbenen Kenntnisse sollten im Laufe der Schullaufbahn gefestigt und erweitert werden, so dass auch Schüler, die außerschulisch keine Möglichkeiten haben auf einen Rechner zuzugreifen, einen vertrauten Umgang behalten. Dies kann auf verschiedenste Art und Weise erfolgen wie z.B. durch die Erstellung von Referaten mit Hilfe von PowerPoint oder dem Anfertigen von kleinen Berichten oder Hausarbeiten über Word. Eine weitere Möglichkeit informationstechnologische Anwendungen im Unterricht einzusetzen, besteht in der Einführung von E-tivities. Darunter ist das Einsetzen von elektronischen Medien zu verstehen. Dies kann über den Einsatz von Internetrecherchen erfolgen, dem Verwenden von Computerprogrammen wie z.B. der Einführung von Textverarbeitungsprogrammen, Tabellenkalkulationen oder aber den Einsatz von E-Learning Einheiten. Neben dem Medium Computer werden auch Videos oder DVDs zu den elektronischen Medien gezählt. In dieser [1] http://lernarchiv.bildung.hessen.de/archiv/lehrplaene/gymnasium/ikg/IKG_H_R_Gym.pdf (20.Juli 2006), S.1 E-tivities 3 wissenschaftlichen Hausarbeit grenzen wir die Definition der E-tivities auf webbasierte Lernumgebungen ein. 2.1 Was ist E-Learning? E-Learning, das elektronische Lernen, ist ein vielschichtiger und komplexer Prozess. Aus der Psychologie ist bekannt, dass beim Lernen die Phänomene Motivation, Emotion und Kognition eng zusammenwirken.[2] Der Erfolg oder Nicht-Erfolg hat daher sehr viel mit der Disziplin und dem selbstregulierendem Verhalten des Lerners zu tun. Ähnlich wie bei den E-tivities ist auch der Begriff des E-Learning nicht mehr einheitlich. Das E-Learning unterteilt sich mittlerweile in viele Subkategorien, so dass es notwendig ist, diesen Begriff näher zu definieren. Im weiteren Verlauf sollen hier grundsätzliche Unterschiede näher betrachtet werden. Beim E-Learning in web-basierten Technologien gibt es zum einen ein synchrones Lehren und Lernen und zum anderen ein asynchrones. Das synchrone Verfahren setzt voraus, dass Lerner und Lehrender, man spricht hier von Moderatoren, sich zu einem bestimmten Zeitpunkt austauschen via Foren bzw. Chats. Dort können dann Ergebnisse diskutiert und präsentiert werden sowie Fragen gestellt und erörtert werden. Bei synchronisierten Lernumgebungen gibt es einen festen Zeitrahmen, wann ein Kurs absolviert werden muss. Beim asynchronen E-Learning erarbeiten sich die Lerner neue Inhalte, indem sie sich ihre Zeit selber einteilen. Das erfordert neben der notwendigen Disziplin Lerneinheiten zu bearbeiten auch die notwendige Motivation und das dazugehörige Durchhaltevermögen. Sie können auch hier ihre Ideen und Fragen in ein Forum stellen. Allerdings ist hier nicht gewährleistet, dass in dieser Zeit auch Andere gerade am Lernen sind und so kann es dauern, bis man eine Antwort erhält. Die Motivation der Lerner kann dadurch sehr schnell abbauen. Im Vergleich zum synchronen E-Learning, gibt es beim asynchronen E-Learning zwei Arten der Festsetzung eines Zeitrahmens. Es gibt dabei einerseits den offenen Zeitrahmen und jeder Lernende entscheidet selber, wann er welchen Kurs abschließt und andererseits den festen Zeitrahmen, wann der Kurs beendet sein muss. Es hat sich gezeigt, dass bei Ersterem die Zahl der Abbrecher besonders [2] Kompendium E-Learning (2004), S.247 E-tivities 4 hoch ist. Es empfiehlt sich daher einen Zeitrahmen festzusetzen. Verschiedene Anwendungen von synchronen und asynchronen Modellen sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Tabelle 1: Verschiedene Formen von E-Learning-Plattformen[ 3] Szenario Didaktische Besonderheiten Technische Umsetzung Kommunikative Form Unidirektionale Tele-Vorlesung Reine Übertragung von Audio -/ Wissensvermittlung Videosignale und synchron Vorlesungsfolien Bidirektionale Übertragung Tele-Seminar Wissensvermittlung, von Audio-/ Videosignalen; moderiertes aktives Application – Sharing, FTP, Lernen und Üben E-Mail; u.U. Nutzung von pädagogischen Netzwerken Moderiertes aktives Tele-Tutoring Lernen und Wissensaneignung Nicht moderiertes Open Distance Learning aktives Lernen, Aneignung von Wissen, Unterstützung des Selbststudiums FTP, E-Mail, Newsgroup, Chat, Groupware, WWW Zeit- und ortsunabhängige Ablage von digitalisierten Lehrinhalten (Lecture on demand) mittels asynchron Wissensdatenbanken, CBT, WBT Die vorgestellten Modelle beziehen sich auf reine Webanwendungen, ohne dass Lernende und Lehrende sich real begegnen. In einer neuen Entwicklung dem sog. „Blended Learning“ werden hingegen die Präsenzlehre und die web-basierte Lernumgebung verschmolzen. So finden „virtuelle und reale Komponenten […] Verwendung, individuelles und kooperatives Lernen wechseln sich ab und es wird synchron und asynchron kommuniziert“.[4] Bei dieser Integration von an und für sich gegensätzlichen [3] [4] aus Kompendium E-Learning (2004), S. 253 Kompendium E-Learning (2004), S.247 E-tivities 5 Polen, kann nach dem Design des Blended Learning erst das vorhandene Potenzial vollkommen genutzt werden. Die Lernenden haben beim Blended Learning die Möglichkeit, den Erwerb von Informationen ihrem Lerntempo anzupassen, aber auch über soziale Kontakte Problemlösungen zu entwickeln. Das stärkt die sozialen Fähigkeiten, die unter dem Begriff Teamarbeit immer öfter von Firmen gefordert werden, aber auch die Kompetenz, einen Arbeitsauftrag ohne Anweisungen selbstständig zu lösen. Ein großer Nachteil in Schulen ist die große Gruppengröße der Klassen. Obwohl es viele Studien gibt, in denen belegt wird, dass das Lernen in Gruppen von maximal 10 Personen am Besten ist, da hier auch auf die einzelnen Schüler eingegangen werden kann, lässt es sich aus wirtschaftlichen und sozialen Aspekten nicht immer umsetzen. Da beim Blended Learning neben der synchronen Kommunikation, die bei der Präsenzlehre aus den verschiedenen Unterrichtsstunden besteht und bei den Webanwendungen durch 1:1 Chatprogrammen, auch die asynchrone Kommunikation möglich ist, durch Beiträge in Foren, Nutzung von e-Mail u.ä. kann leichter auf die Bedürfnisse der einzelnen Schüler eingegangen werden. Die E-Learning-Anwendung, die hier konzipiert wurde, ist am ehesten dem Modell des Blended Learning zuzuordnen. Es ist vorgesehen, dass diese in den Unterrichtsstunden abgearbeitet werden können oder von Schülern als Vor- oder Nachbereitung der Unterrichtsstunden von zu Hause genutzt werden. Die Unterrichtseinheiten können dabei unterschiedlich eingesetzt werden. Da das Material dazu auch offline zur Verfügung stehen wird, können einzelne Stunden als klassischer Unterricht, in Gruppenarbeit oder vernetzt am Rechner vorgetragen werden. E-tivities 2.2 6 Was ist E-Teaching? Mit E-Teaching bezeichnet man in der Regel die Rolle des Lehrers beim ELearning. Diese sieht in web-basierten Anwendungen die Funktion eines Moderators vor. Dabei unterscheidet sich die Verhaltensweise eines Moderators erheblich mit der eines Lehrers. Nach Josef W. Seifert ist ein Moderator ein Helfer der Gruppe. Er sagt der Gruppe somit nicht, „was (aus seiner Sicht) richtig oder falsch zu tun oder zu unterlassen ist, sondern hilft der Gruppe, eigenverantwortlich zu arbeiten, d.h. die Lösungen für ihre Fragen oder Probleme selbst zu finden und gegebenenfalls geeignete Maßnahmen zur Problemlösung zu beschließen“.[5] In E-Learning-Plattformen kann die Kommunikation wie oben schon beschrieben, über Foren oder Chats erfolgen. Dabei ist es wichtig, dass eine möglichst synchrone Kommunikation erfolgen kann oder dass sich zumindest ein großer Bereich der Lerngruppe zu bestimmten Zeiten mit dem Moderator im Netz einfindet. Der Moderationszyklus enthält sechs Teilschritte. Die sechs Teilschritte nach Josef W. Seifert sind der nachfolgenden Abbildung zu entnehmen. Abb. 1: Moderationszyklus nach Josef W. Seifert.[6] Nach Seifert sollte zu Anfang eines Moderationszyklus ein Einstieg erfolgen. Dieser ist besonders bei E-Learning-Modulen wichtig, da der visuelle Kontakt nicht stattfindet. Dabei sollte sich die Gruppe vorstellen und als Team verstehen. Aber nicht nur das Kennenlernen der Teilnehmer, sondern auch das vertraut werden mit der Lernumgebung ist hier wichtig. Als nächstes müssen verschiedene Eckdaten vom Moderator mitgeteilt werden, wie die gegebene Zeit, die den [5] [6] Visualisieren Präsentieren Moderieren (2001), S. 88 Visualisieren Präsentieren Moderieren (2001) , S.98 E-tivities 7 einzelnen Teilnehmern zur Verfügung steht um eine Aufgabe zu absolvieren und in welchem Umfang diese erwartet werden. Der zweite Schritt der Moderation ist das Themen sammeln. Wenn verschiedene Themen schon zur Verfügung stehen, kann in diesem Teilschritt konkret benannt werden, welche Unterrichtseinheiten zu erfüllen sind, in welcher Reihenfolge und unter Umständen auch im Hinblick über das Hinzuziehen von anderer Literatur unter der Betrachtung anderer Aspekte. Der dritte und vierte Teilschritt lässt sich zusammenfassen in Thema wählen bzw. gewichten und bearbeiten. Die Aufgabe des Moderators hierbei ist, den Teilnehmern verschiedene Methoden anzubieten, mit denen die gewählten Themen bearbeitet werden können. Er steht den Teilnehmern bei wenn Probleme auftauchen und führt sie immer wieder zum Thema hin, wenn sie von diesen abschweifen sollten. Im Teilschritt fünf des Moderationszyklus wird vom Plenum genau eingeteilt, welche konkrete Aktivitäten von den verschiedenen Teilnehmern zu einem festgelegten Termin vorzuweisen sind. Das Thema dieses Teilschrittes ist „Maßnahmen planen“. Hierunter können auch andere als die oben erwähnten fallen. Im letzten Teilschritt „dem Abschluss“ werden die Ergebnisse präsentiert und diskutiert. Hier hat jeder Teilnehmer sowie der Moderator die Möglichkeit sich darüber zu äußern, wie die verbrachte Zeit empfunden worden ist, wo es Probleme gab und was man in Zukunft verbessern könnte. Dabei ist, wie auch in allen anderen Teilschritten wichtig, dass der Moderator darauf achtet, dass auch eher „Stille“ in die Diskussionen miteinbezogen werden. Nachdem jetzt das allgemeine Verständnis von E-Teaching vorgestellt wurde, wird im Folgenden wiedergegeben, was E-Teaching in der hier angefertigten Arbeit zu verstehen ist. Bei der Planung der Webseite dem Entwickeln des Fragebogens, bestand eine andere Sichtweise auf das Modewort „E-Teaching“. Unter E-Teaching ist, bei der Webseite AVIMEC, eine Lernumgebung für Lehrer zu verstehen. Es ist meistens nicht ganz einfach, wenn man sich als lehrende Person in ein neues Thema einfinden möchte. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Themen in gebräuchlichen Schul- und Lehrbüchern nicht erwähnt werden. Die Recherche im E-tivities 8 Internet ist da auch nicht immer nützlich, fehlen doch meistens Hintergrundinformationen oder die Themen sind nur sehr kurz dargestellt. Die Lehrenden sollen im E-Teaching-Bereich von Avimec die Möglichkeit haben, Unterrichtsmaterial und didaktische sowie methodische Erläuterungen vorzufinden. Dort soll ihnen der Einstieg in das Thema erleichtert werden, ohne dass das Gefühl erwirkt wird, dass die vorgestellten Konzepte die einzig richtigen sind. Weiterhin bekommen sie Hinweise, wie die einzelnen Themen in die Rahmenlehrpläne eingebunden werden können. Durch den Wechsel zwischenTheorie und Praxis, der sich über AVIMEC bietet, können interaktive Schulstunden auch dadurch entstehen, dass Schüler selbstständig Versuche ausführen und die Ergebnisse sichern. Bei gefährlichen Versuchen hingegen, die in Schulen nicht durchgeführt werden sollen und können, bietet sich das Medium Video an. Für die Planung in Bezug auf das praktische Arbeiten in einer Unterrichtsstunde, steht ein Versuchsskript im E-Teaching-Bereich den Lehrenden zur Verfügung. In diesem Versuchsskript sind die unterschiedlichsten Versuche zu den entsprechenden Unterrichtseinheiten gesammelt worden. Dabei konnten nicht alle Versuche optimiert und als Video aufgenommen werden. Die Lehrer haben jedoch die Möglichkeit auf diese zuzugreifen, was einen erheblichen Zeitaufwand spart, da sich die Recherche zu den einzelnen Versuchen sich als sehr schwierig und umständlich erwiesen hat. Zusammengefasst kann man sagen, dass in dieser wissenschaftlichen Hausarbeit E-Teaching gleichzusetzen ist mit E-Learning für Lehrer unter anderen Schwerpunkten. 2.3 Vorraussetzungen für eLearning Nachdem nun definiert wurde, was unter eLearning zu verstehen ist, stellt sich die Frage, welche Voraussetzungen gegeben sein müssen, um die mittlerweile zahlreichen Angebote im Bereich eLearning nutzen zu können. Zur Nutzung von eLearning Angeboten ist eine Plattform nötig, auf der die Einheiten aufgerufen werden können. Daher ist ein Computer notwendig, um die Programme installieren/auszuführen, bzw. die Internetseiten aufzurufen. Im zweiten Fall ist eine Internetverbindung essentiell. Von Bedeutung ist auch, wie das Angebot genutzt werden soll. Handelt es sich um privates Interesse, kann derjenige für sich an einem einzigen Rechner lernen. E-tivities 9 Soll ein Themenkomplex im Rahmen des Unterrichts per eLearning behandelt werden, gibt es hierfür zwei Möglichkeiten. Die erste Möglichkeit beinhaltet das exemplarische Vortragen an einem einzigen Rechner, während die Schüler auf den Bildschirm, oder besser auf das Bild eines Beamers schauen. Falls die Schüler im Rahmen des Unterrichts sich selbst interaktiv beteiligen sollen, ist die Verwendung eines Klassensatzes an Rechnern, vorzugsweise vernetzt, eher geeignet. 2.3.1 Ausrüstung an Schulen Immer mehr Schulen erkennen die Notwendigkeit, dem Vormarsch moderner Medien Tribut zu zollen und wollen den Schülern den richtigen Umgang von Computern, hierzu zählt auch die frühzeitige Heranführung an dieses Medium, schon von Grund auf beibringen. In einigen Grundschulen, beispielsweise in der Grundschule Lützelbach[7] stehen den Schülern ab der ersten Klasse in jedem Saal ausreichend Rechner für die gesamte Klasse zur Verfügung. Zum Einsatz kommen die an Grundschulen schon weit verbreiteten Programme wie das Budenberg-Programm[8], auch das Programm von Traeger[9], welche beide viele Übungsmöglichkeiten für den Grundschulunterricht bereitstellen. Das Leselernprogramm Antolin hat sich nach Aussagen der Lehrkräfte als sehr nützlich erwiesen und läuft bereits über Internet. Neben diesen, von allen genutzten Programmen, kommen klassenspezifisch weitere Lernprogramme zum Einsatz. In gesonderten Unterrichtsstunden werden die Kinder im Umgang mit dem PC geschult, lernen die Handhabung von Schreib- und Grafikprogrammen und die Nutzung des Internets im entsprechenden Rahmen. Die erlernten Grundfähigkeiten werden auf den weiterführenden Schulen noch gefestigt und vertieft. In diesem Zusammenhang möchte ich auch das RicardaHuch–Gymnasium[10] in Dietzenbach erwähnen, welches in seinem Schulprogramm damit wirbt, dass den Schülern ständig über 40 Computer in [7] Schulprogramm zu finden auf http://www.grundschule-luetzelbach.de/ (Stand 26.07.2006) Programmhomepage: http://www.budenberg.de (Stand 26.07.2006) Budenberg bietet mit seinem Programm viele interaktive, teilweise spielerische Möglichkeiten zur Abfrage der Kenntnisse in Mathematik und Deutsch. [9] Programmhomepage: http://www.eugentraeger.de (Stand 26.07.2006) Das Progamm von Traeger bietet die Möglichkeiten die Deutsch- und Wortkenntnisse abzufragen und zu trainieren. [10] Schulprogramm zu finden auf http://www.ricardahuchgym.de/ (Stand 26.07.2006) [8] E-tivities 10 Computerräumen und so genannten Selbstlernzentren zur Verfügung stehen. Weiterhin geben sie an, dass immer mehr moderne Medien wie Rechner und Beamer eingesetzt werden, und sie, um die sinnvolle Integration in den Unterricht sowie die richtige Pflege der Geräte zu vermitteln einen „Computerführerschein“ eingeführt haben. Für andere Schulen hingegen ist der Umgang mit Computer schon zu einer Selbstverständlichkeit geworden, die nicht einmal mehr extra im Schulprogramm oder der Ausstattung erwähnt werden, wie auf den offiziellen Homepages ersichtlich ist. Recht treffend belegt das die Internetseite des Graf-StauffenbergGymnasiums[11] in Flörsheim am Main. Ein Bild zeigt einen sehr gut ausgestatteten Computerraum, der im Text jedoch nicht erwähnt wird. Mit Hilfe der Eltern-/Fördervereine oder von Einrichtungen wie Telekom, die den Schulen einen kostenlosen Zugang zum Netz ermöglicht, sind die Schulen seit den letzten, wenigen Jahren auf dem besten Weg eLearning-Angebote weitgehend nutzen zu können. Der Trend an Schulen geht in Richtung technischer Aufrüstung, um für die Zukunft gewappnet zu sein. Den Schülern wird von Anfang an der Umgang mit Computern und den entsprechenden Programmen näher gebracht, so dass sie für Arbeiten in der Schule, zu Hause und auch später für den Beruf schon einige solide Grundkenntnisse vorweisen können. 2.3.2 Ausrüstung zu Hause So erfreulich die Entwicklung im Bezug auf neue Medien in den Schulen verläuft, im Privatbereich ergibt sich ein eher gegenteiliges Bild. Nicht alle Schüler verfügen über einen PC. Mitunter schon wegen des mangelnden Stellplatzes oder fehlender finanzieller Mittel der Eltern. Darüber hinaus, so hat sich gezeigt, beim so genannten Odenwald-Dialog vom 23.05.2006 in Michelstadt zum Thema „Breitbandtechnologie im ländlichen Raum“, dass die Versorgung des hinteren Odenwaldes mit Internetanschlüssen in schnellere Netze (DSL) mehr als mangelhaft ist – und man kann durchaus auf andere ländliche Gebiete schließen. Hier [11] ließ sich der Landrat des Schulprogramm zu finden auf http://www.graf-stauffenberg-gymnasium.de (Stand 26.07.2006) E-tivities 11 Odenwaldkreises, H. Schnur, von den Vertretern der Technischen Universität Darmstadt Prof. Dr.-Ing. Ralf Steinmetz und Prof. Dr.-Ing. Johann – D. Wörner die technischen Gegebenheiten und Möglichkeiten des Breitbandnetzes erläutern. Jedoch die Vertreter der Deutschen-Telekom AG (Herr Klaus-Peter Raacke) und der HEAG MediaNet (Friedebert Helfrich) wiesen auf die Kosten eines weiteren Netzausbaus hin. Es mag der Umstand interessant sein, dass die Jugendlichen, sofern sie Zugang zum Internet haben, mit ihren Computerspielen das bestehende Netz weitgehend finanzieren. Der Einsatz von Lernsoftware bei ihnen konnte nicht ermittelt werden. Schüler im ländlichen Bereich besitzen jedoch meist keinen nennenswerten Zugang zum Internet und es ist nicht anzunehmen, dass sich dieser Zustand kurzfristig ändert. Dieses Problem kann etwa im Rahmen einer Öffnung der Schule für die Kinder am Nachmittag, in Zusammenarbeit mit Lehrern, Eltern oder beispielsweise Vertretern der Volkshochschule, die die Kinder bei der Computerarbeit unterstützen und betreuen, entschärft werden. Eine andere Möglichkeit ist die, dass die Schule, ein Eltern- oder Förderverein, eigene Computer betreiben – gebrauchte Computer sind günstig zu bekommen. Gegebenenfalls können sie auch Lizenzen für Lernsoftware erwerben und sie den Schülern in geeigneter Weise zur Verfügung stellen. 2.4 Lehrplan und eLearning Grundsätzlich sind wohl alle kognitiven Unterrichtsinhalte bei entsprechender Aufbereitung und Anwendung für eLearning geeignet. eLearning hat dort seinen Platz, wo es um das reine Vermitteln von Fakten geht. Wie dies zum Beispiel in naturwissenschaftlichen im Fächern wie Mathematik, Biologie, Physik oder Chemie der Fall ist. In Religion, Ethik, Sport, im sprachlichen Bereich bei Textinterpretationen oder ähnlichen Gebieten kann eLearning nur sporadisch eingesetzt werden. Da es sich hierbei um Körpertraining, Verhaltensänderung oder Aufbau sozialer Kompetenzen handelt. Hier kann man mit Unterstützung des Computers jedoch auch Ergebnisse dokumentieren und für die Auswertung anschaulich umsetzen. Weiterhin bietet E-tivities 12 sich die Möglichkeit reine Wissensinhalte wie Vokabeln zu trainieren und mit abfragen zu lassen. Da es sich bei dem Themenkomplex um einen Komplex aus der Biologie handelt, in der primär vorhandenes Wissen vermittelt werden soll, eignet er sich besonders für die Umsetzung als eLearning-Seite. Fakten sollen interessant und anschaulich aufbereitet und dargeboten werden, wofür sich der Computer als Medium anbietet. Das Thema „Enzyme“ ist im Lehrplan für das Fach Biologie des Landes Hessen in der 11. Jahrgangsstufe im Themenkomplex „Die Zelle als offenes System – Katalyse“ vorgesehen. Das Projekt AVIMEC zeigt exemplarisch die Möglichkeit des Einsatzes von eLearning für diesen Unterricht. 2.5 eLearning im Unterricht[12] 2.5.1 Die Rolle des Lehrers Der Lehrer ist beim Einsatz von eLearning-Software weitgehend von der direkten Wissensvermittlung entlastet. Sein Aufgabengebiet ändert sich grundsätzlich, wobei seine Arbeit durchaus nicht weniger wird. 1. Er muss aus der Fülle der Angebote das Nützliche vom Überflüssigen trennen. 2. Er muss die Lernsequenzen in einen sinnvollen Gesamtzusammenhang einbetten. 3. Er muss den Schülern den Umgang mit der Software vermitteln und überprüfen. 4. Er muss größtmögliche Differenzierung zulassen. 5. Als Tutor muss er jeden Schüler individuell im Lernstoff voran bringen und ihn eventuell auf Ziele mit unterschiedlichem Niveau hinführen. Das heißt, er muss in jedem Moment ihren Leistungsstand kennen und das Optimum, welches der Schüler erreichen kann, einschätzen können um ihn bestmöglich zu fördern. [12] D. Euler, S. Seufert, K. Wilbers: http://www.scil.ch/publications/docs/2004-euler-seufertwilbers-elearning-berufsbildung.pdf (Stand 26.07.2006) E-tivities 13 6. Der Lehrer muss gewisse Grundkenntnisse im Umgang mit Computern haben und selbstverständlich das Programm beherrschen. Damit sind die wichtigsten Punkte im Hinblick auf die Anwendung der AVIMECSeite aufgeführt. Die Seite soll keinen universellen Ersatz bieten – dies ist auch nicht möglich. Sie soll ergänzen und unterstützen, wobei die Wahl des im Unterricht verwendeten Inhaltes und des Zeitpunktes beim Lehrer liegen. Der Lehrer muss begreifen, welche Möglichkeiten im eLearning liegen. Nicht mehr frontal, nicht für alle im gleichen Rhythmus unterrichten, wobei er ständig darauf achten muss, dass seine Schüler nicht abgelenkt sind, oder gar abschalten. Allein schon die Bedienung des Geräts weckt Funktionslust. Das eigenständige Durchgehen durch das Programm fordert vom Schüler Aktivität und regt Denkprozesse an. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass der Lehrende nicht nur die angebotenen, vorgefertigten Programme nutzt, sondern sich den Stoff nach den jeweiligen Bedürfnissen selbst zusammenstellt, da zwei Schulstunden nie identisch verlaufen. Dazu ergibt sich, gerade bei eLearning, die Möglichkeit, dass er Versuche zeigen kann, die er im Unterricht nicht anbieten darf oder kann, wegen einer möglichen Gefährdung der Schüler oder einem zu großen technischen Aufwand. Neben all diesen Aufgaben bleibt der Lehrer selbstverständlich Bezugs- und Kontaktpersonseiner Schüler und ist nicht durch ein Programm ersetzbar. 2.5.2 Die Rolle des Schülers Der Schüler wird aus seiner oft nur passiv-rezeptiven Rolle heraus genommen und in eine aktive Rolle versetzt, da er nun selbst das Programm bedienen und sich mit dem Stoff auseinander setzen muss. Er kann sein Lerntempo und im geringeren Umfang auch sein Pensum selbst bestimmen und unabhängig von den anderen lernen. Die Struktur des Programms soll zudem verhindern, dass der Schüler sich den Stoff rein rezeptiv und mechanisch aneignet. Anliegen der Reformpädagogik[13] [13] Enzyklopädie der Psychologie, Bd.2, Psychologie des Lernens und der Instruktion (1996) E-tivities 14 wie Selbsttätigkeit, eine gewisse Beeinflussung der Lernstoffabfolge oder auch nur freie zeitliche Einteilung hat es zu berücksichtigen. Ist der zu vermittelnde Stoff entsprechend operationalisiert und curricular aufgebaut, so kann der Schüler sich über Internet oder CD/DVD den Stoff im häuslichen Bereich aneignen und vertiefen. Diese Methode wird im Internet für Fernstudien und teilweise experimentell zum Beispiel von Herrn Prof. Dr. Werner Sesink für seine Vorlesungen an der Technischen Universität Darmstadt angeboten[14]. Die Universität startet immer wieder verschiedene Pilotprojekte, um diese Methoden weiter zu fördern und den angehenden Pädagogen den richtigen Umgang mit ihnen zu vermitteln. 2.5.3 Der Unterrichtsstoff Die Gliederung des Stoffes für eLearning unterscheidet sich nicht grundsätzlich von seiner Operationalisierung (siehe unten) für eine normale Schulstunde. Allerdings deckt eLearning nicht alle Formalstufen des Unterrichts ab oder ist nicht für alle gleich gut geeignet. Beziehe ich mich auf Johann Friedrich Herbart[15], so muss ich mir im ersten Schritt Klarheit über das Vorwissen der Schüler schaffen. Das Lernprogramm greift aber erst in der zweiten Phase „Assoziation = Aufnahme neuer Wissenselemente“. Der Lehrer muss im Voraus den Kenntnisstand der Schüler im mündlichen Unterricht ermitteln, oder ein entsprechendes Computerprogramm entwickeln und gegebenenfalls störende Lücken schließen. Nach der Erarbeitung der neuen Wissenselemente fordert Herbart in der „Phase der Besinnung“ den Einbau der neuen Wissenselemente in das System des vorhandenen Wissens und ganz wichtig, eine Übungsphase. Der Unterrichtende sollte sich dabei sehr wohl überlegen, welche Unterrichtsphasen er an das Lernprogramm delegiert. Um den Stoff vermitteln zu können, wird er operationalisiert, das heißt in sinnvolle, kleinere Einheiten zerlegt. Diese werden vermittelt, gesichert, angewendet und abgefragt. Auch das Generalisieren von Erkenntniselementen, [14] http://www.abpaed.tu-darmstadt.de/arbeitsbereiche/bt/www/start/index.html [15] Enzyklopädie der Psychologie, Bd.2, Psychologie des Lernens und der Instruktion, (1996) E-tivities 15 welche in solchen Einheiten gewonnen werden, trägt zum besseren Verständnis, vor allem vom Bedeutungsumfang des Gelernten bei. Das Vorgehen ist curricular, das bedeutet, dass nach der Aufnahme des neuen Wissens eine Abfrage geschaltet wird, welche das Verständnis überprüft. Das Ergebnis dieser Abfrage entscheidet über das weitere Voranschreiten im Lehrgang. Das folgende Flussdiagramm soll den möglichen Verlauf der Aneignungsphase veranschaulichen. Es wird vorausgesetzt, dass die verschiedenen Untereinheiten aufeinander aufbauen und daher ihre Aneignung nicht in beliebiger Reihenfolge geboten werden kann. 1. Einheit falsch Abfrage richtig 2. Einheit Anwendung/ Generalisierung falsch Abfrage richtig 3. Einheit Anwendung/ Generalisierung falsch Abfrage richtig Abb. 2: Verlaufsschema klassischen Unterrichts Anwendung/ Generalisierung Bedarfsanalyse 3 16 Bedarfsanalyse zum Projekt AVIMEC Das Thema E-Learning ist in Schulen, im Gegensatz zu Universitäten, noch nicht weit verbreitet. Zum einen liegt es daran, dass Lehrer eine Scheu gegenüber den Neuen Medien haben, und zum anderen, dass sie befürchten durch interaktive Lernprogramme bald überflüssig zu werden. Letzteres ist unbegründet, denn ohne einen persönlichen Kontakt zur Lehrperson mit deren pädagogischen Ausbildung bringt die beste Software keinen Erfolg. Schüler sollen durch den Besuch der Schule nach dem Rahmenlehrplan für Auszubildende nicht nur Fachkompetenz, sondern auch Personalkompetenz und Sozialkompetenz erwerben. Dabei ist unter Kompetenz „der Lernerfolg in Bezug auf den einzelnen Lernenden und seine Befähigung zu eigenverantwortlichen Handeln in beruflichen, gesellschaftlichen und privaten Situationen“ [16] zu verstehen. Dies kann und vermag kein noch so gutes Programm zu leisten. Das Projekt „AVIMEC“ ist daher nicht als Ersatz, sondern lediglich als Ergänzung zum Unterricht und als Unterstützung der Lehrenden und Lernenden zu verstehen. Die Schwächen von vielen gebräuchlichen multimedialer Lernsysteme sind darauf zurückzuführen, dass bei der Planung keine Bedarfsanalyse durchgeführt worden ist. Der „Bedarf ist gekennzeichnet durch eine Differenz zwischen dem, was gegeben bzw. vorfindbar ist, und dem, was erwartet wird“[17]. Um zu erfahren, wie die interaktive Webseite gestaltet werden soll, damit zum einen die Scheu gegenüber der Neuen Medien abgebaut werden kann und zum anderen Lehrpersonen und Schüler Gefallen daran finden, ist eine Erhebung in Form von Fragebögen entwickelt und ausgeteilt worden. Dabei gibt es zwei verschiedene Fragebögen[18], einen für Schüler (Auszubildende) über das Thema E-Learning und einen für Lehrer und Lehramtsstudierende über das Thema E-Teaching. Die Fragebögen unterteilen sich dabei jeweils in drei Bereiche: Persönliche Daten, Erfahrungsbereich und Erwartungsbereich. Ausgeteilt wurden diese in der Zweigstelle der Peter-Behrens-Schule in der Martin-Buber-Straße und an der TU Darmstadt. [16] S.4 , http://www.kmk.org/beruf/rlpl/rlpchlab.pdf (20.Juli 2006) Kompendium E-Learning (2004), S. 53 [18] Die Fragebögen für Schüler, sowie für Lehrer und Lehramtsstudenten befinden sich im Anhang. [17] Bedarfsanalyse 3.1 17 Fragebogenauswertung der Schüler Der Fragebogen wurde von insgesamt 84 Schülern ausgefüllt. Sie besuchen zurzeit die Chemielaboranten -, Chemikanten- und die Ausbildungsklassen zur Produktionsfachkraft Chemie. Die genaue Aufteilung ist der Abbildung 3 zu entnehmen. Schülerbefragung: 17% 32% 51% Chemikanten: Chemielaboranten: Produktionsfachkraft: Abb. 3: Schülerbefragung an der Peter-Behrens-Schule. Da die Berufsschüler sich im Dualen System befinden, sind sie in der Regel nur ein bis zwei Tage an der Berufsschule anzutreffen. Die übrige Zeit verbringen sie in ihren Ausbildungsstätten wie z.B. bei Merck oder Röhm. Da nicht an allen Schultagen die Fragebögen ausgeteilt wurden, konnten die FOS-Schüler sowie die Auszubildenden der Biologielaborantenklassen leider nicht befragt werden. Die befragten Schüler waren zu 93% zwischen 15-23 Jahre alt. Nur 7% der Schüler gab an, älter als 23 Jahre alt zu sein. Von den 84 Schülern waren 68% männlich und lediglich 32% weiblich. Das kommt vermutlich daher, dass der Beruf des Chemikanten nur selten von jungen, heranwachsenden Frauen gewählt wird. Da in den Aufgabenbereich des Chemikanten auch körperliche Aktivitäten fallen, wie z.B. das Tragen von schweren Säcken, entscheiden sich viele Mädchen gegen diesen Beruf. Bedarfsanalyse 18 Im zweiten Teil des Fragebogens, dem Erfahrungsbereich, gaben die Schüler an, wie sie sich für Prüfungen vorbereiten und ob sie schon mal mit E-LearningSoftware gearbeitet haben. Abb. 4: Ergebnisse aus dem Erfahrungsbereich zur Prüfungsvorbereitung. Wie zu erwarten ist, lernen viele Schüler mit Schulbüchern oder Unterrichtsunterlagen. Interessant jedoch ist, dass 33% versuchen, sich durch Gespräche mit Mitschülern oder älteren Schülern den Lernstoff anzueignen bzw. zu festigen. Immerhin 24% der Befragten benutzen die Neuen Medien, genauer genommen das Internet, um prüfungsrelevante Stoffgebiete zu recherchieren. Unter der Auswahl „Andere Medien“ wurden Karteikarten genannt und zusätzliche Arbeitsblätter (die nicht im Unterricht ausgeteilt wurden). Weiterhin wurde erwähnt, dass eine besondere Vorbereitung mit anderen Medien nicht notwendig sei, da der Inhalt des Unterrichtes sofort verstanden und behalten werden kann. Die nächste Frage zielt daraufhin zu ermitteln, in welchem Umfang, bzw. wie das Internet für Prüfungsvorbereitungen genutzt wird. Als Auswahl standen Suchmaschinen, Internetlexika, kleine interaktive Lernprogramme sowie vorgefertigte Arbeitsblätter, Versuchsvorschriften und Powerpoint-Präsentationen. Bedarfsanalyse 19 Abb. 5: Ergebnisse zur Nutzung des Internets von Schülern. Wie der Abbildung 5 zu entnehmen ist, nutzen 85% der Schüler Suchmaschinen wie z.B. Google sehr oft. In einer mündlichen Befragung zu der Nutzung von Suchmaschinen gaben die Schüler an, dass obwohl sie sehr gerne Suchmaschinen benutzen, ein Großteil nur selten die Funktionen und Möglichkeiten von diesen kennen. Daher benötigten viele einen sehr großen Zeitaufwand um verwertbare Materialien zu finden. Weitere 45% informieren sich über Themen bei Internetlexika wie z.B. Wikipedia. Auch wenn Wikipedia in der letzten Zeit ziemlich negative Kritik bekommt, da jeder einen Artikel in das Lexikon schreiben darf und es nicht immer gesicherte Erkenntnisse sind, bemühen sich die Betreiber sowie die Benutzer darum, das falsche Artikel sofort entnommen oder korrigiert werden. Man sollte jedoch darauf achten, dass Schüler darauf hingewiesen werden, kritisch mit den ihnen im Netz angebotenen Informationen umzugehen und nicht alles unbedacht zu übernehmen. Weiterhin ergibt die Auswertung, dass Arbeitsblätter und Tests, die auf Webseiten zu finden sind, fünfmal mehr verwendet werden als Lernprogramme in Form von Applets oder Flashanimationen. Präsentationen und Folien werden nur zu 4% genutzt. Das kann mitunter daran liegen, dass PowerPoint-Präsentationen nur selten in Schülerniveau angeboten werden, sondern meistens sehr speziell von verschiedenen Arbeitskreisen in Universitäten eingestellt werden. Bedarfsanalyse 20 Im zweiten Teil des Fragebogens ist nach der Erfahrung der Schüler mit ELearning-Software gefragt worden. Von der Gesamtzahl der Schüler gaben nur 1/3 (32%) an schon früher mal mit E-Learning-Software gearbeitet zu haben. Die meisten Befragten haben diese E-Learning-Software in ihrer betrieblichen Ausbildung bei Merck kennen gelernt. Die nachfolgenden Angaben beziehen sich daher auch nur auf die 32% der Gesamtschüler, um die Umfrage-Ergebnisse nicht zu verfälschen. Als E-Learning-Programme sind Platon, die Webseite www.chemiemaster.de, Langenscheidt Learning Japain und das Chemielexikon Römpp genannt worden. Wie man den Antworten entnehmen kann, ist vielen Schülern die Bezeichnung ELearning nur sehr vage bekannt. Während Römpp und die Webseite www.chemiemaster.de eher als Nachschlagewerke dienen, sind der Vokabeltrainer und Platon[19] richtige E-Learning-Programme darstellen. Erfahrungen m it E-Learning - Softw are 4% 8% 4% 30% 23% 31% sehr positiv positiv eher positiv eher negativ negativ sehr negativ Abb. 6: Ergebnisse zur Erfahrung von E-Learning- Software. Eine Auswertung der Zufriedenheit der Schüler mit der verwendeten Software zeigt, dass ein nur sehr kleiner Teil der Befragten sehr mit dieser Software zufrieden gewesen sind. Dabei spielte weniger der Aufbau der Software eine Rolle, sondern die Funktionsfähigkeit im laufenden Betrieb. Nach einer mündlichen Befragung, teilten die Schüler mit, dass sie nicht gerne mit dem Programm gearbeitet haben, weil dieses teilweise nicht funktioniert und mitunter [19] Unter dem Begriff Platon, genauer Platon-das Merck-Lern-Center, sind Trainingsmodule, sog. Web Based Trainings, in verschiedenen Themenbereichen zu verstehen. Bedarfsanalyse 21 falsche Ergebnisse liefert. Insgesamt betrachtet sind trotzdem 65% der Schüler davon überzeugt, dass die Programme positiv auf sie gewirkt haben und bei lediglich 35% überwiegt eine negative Erfahrung zum E-Learning-Programm. Bei der Frage, ob die Schüler (auch) in Zukunft mit E-Learning-Programmen arbeiten würden gaben 68% eine positive Rückmeldung. Im dritten Bereich unseres Fragebogens ist die Erwartungshaltung an eine solche Software ermittelt worden, um die positive Einstellung zu diesen Medium zu unterstützen. Dabei konnten bei Aufgabe 10 maximal 3 Optionen angekreuzt werden, aus der Vielzahl der vorgegebenen Antworten, die von interaktiven Lerneinheiten über Videos bis auf den wirtschaftlichen Aspekt reichen und ob die Software etwas kosten sollte. Erw artungen an E-Learning-Softw are 1% 22% 30% 16% 7% 7% 4% 13% leichte Bedienbarkeit Arbeitsblätter Interaktive Lerneinheit. Forum Videos offline verfügbar kostenlos Andere Abb. 7: Ergebnisse zu den Erwartungen an E-Learning- Software. Wenn man in Betracht zieht, dass jeder Schüler maximal drei Kreuze setzen darf, so ist das Wichtigste für die Schüler, dass die E-Learning-Software leicht zu bedienen, kostenlos und offline verfügbar sein sollte. Erst an Platz vier sind interaktive Lerneinheiten für sie interessant. In den unteren Bereichen (unter 20%) findet man in der Reihenfolge Videos, ein Forum zum Gedankenaustausch und der Punkt Andere wieder. Hier wurde von den Schülern der Wunsch geäußert, dass die Software nicht nur für Windows sondern auch auf anderen Betriebssystemen wie z.B. Mac OS X laufen sollte. Die Fragen 11-16 richten sich nach der Wichtigkeit der einzeln oben abgefragten Kriterien, damit nicht wichtige Aspekte für die E-Learning-Software unberück- Bedarfsanalyse 22 sichtigt bleiben. Um zu gewährleisten, dass nicht immer die ersten Kästchen angekreuzt werden, wurde Frage 16 anders als erwartet gestellt. Es wurde hier nicht danach gefragt, ob die Software kostenlos sein sollte, sondern danach, ob es den Schülern wichtig sei, für diese möglichst viel zu zahlen. Ein anderer Grund, die Frage so zu stellen liegt darin begründet, dass allgemein das Vorurteil herrscht, dass das was nichts kostet auch nichts wert sei. Dabei spiegeln interessanterweise die einzelnen Fragen tendenziell dasselbe Ergebnis wie vorhergehende Frage mit der Einschränkung von maximal drei Optionen. So ist den Schülern zu 52% eine leichte Bedienbarkeit sehr wichtig und 90% kreuzten eines der ersten drei Kästchen an. Über die Option, ob die Software kostenlos und offline zur Verfügung stehen sollte, sind ähnliche Ergebnisse vorzufinden. Es wird daher verzichtet auf diese noch einmal explizit einzugehen. Die einzige Option, die als wichtiger betrachtet wird, als es die Frage 11 widerspiegelt, ist das Vorhandensein von interaktiven Lerneinheiten. Hier sind 85% der ersten drei Kästchen ausgefüllt worden. Lediglich 15% der Befragten sind interaktive Lerneinheiten eher unwichtig, unwichtig bzw. sehr unwichtig. Der Aspekt, der Schüler nahezu unwichtig erscheint, ist der Zugriff auf ein Forum. Obwohl gerade ein Forum im klassischen Sinne, den Zugang zum ELearning vereinfacht und einleitet, möchten die befragten Schüler, die die „zukünftigen Kunden“ darstellen, diese Option nicht. Lediglich 8% befanden ein Forum für sehr wichtig, während 47% es als eher unwichtig bis sehr unwichtig ansahen. Die letzten beiden Fragen sind offene Fragen. Dementsprechend können diese nicht wie die oberen über prozentuale Ergebnisse wiedergegeben werden. Um den Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit nicht zu sprengen, werden die Antworten zusammengefasst und hier präsentiert. Auszugsweise finden sich jedoch Zitate der erfolgten Antworten wieder, die besonders gekennzeichnet werden. In der vorletzten Frage ist es darum gegangen, in welchen Bereich sich die Schüler vorstellen können E-Learning-Software zu verwenden. Da sich die Schüler in einer chemischen Ausbildung befinden, ist fast von allen ein Themenbereich aus der Chemie genannt worden. Es ist für die Analytische Bedarfsanalyse 23 Chemie (näher die HPLC und Chromatographie), die Organische Chemie, der Arbeitssicherheit in der Chemie sowie für die Anorganische Chemie Interesse bekundet worden. Neben den Chemiefächern, scheint es einen Bedarf an Lernplattformen für das Fach Politik/Wirtschaft, Englisch und Mathematik aber auch für den Freizeitbedarf zu geben. Im Freizeitbereich ist vor allem die Astronomie häufiger vorgeschlagen worden. Interessant ist, dass E-Learning im Hinblick auf Letzteres nicht rein als schulisches Lernen angesehen wird, sondern dass Schüler durchaus bereit sind, sich außerschulisch weiterbilden zu wollen. Als letzten Punkt unserer Bedarfsanalyse durften die Schüler noch das mitteilen, was ihrer Meinung nach besonders wichtig ist und mit den vorherigen Fragen nicht abgedeckt wurde. Dabei sind neben Leerphrasen auch durchaus kritische Überlegungen eingegangen. Ein Schüler ist der Meinung: „e-learning eignet sich zur Wiederholung. Nicht um sich neuen Stoff anzueignen. Dazu braucht man Lehrer“. Dass ein Programm nicht einen Lehrer ersetzen kann, ist von schon im Kapitel 3 diskutiert worden, dass diese Erkenntnis jedoch von einem Schüler kommt, ist bemerkenswert. Über diesen Kommentar lässt sich ableiten, dass es für diesen Schüler nicht nur auf das Thema ankommt, ob er dieses versteht, sondern besonders wie es vom Lehrer erklärt wird. Dieser wird auch in E-LearningProjekten eine besondere Stellung an der Schule behalten. So ist es die Entscheidung des Lehrers wann und vor allem wie er solche Unterrichtseinheiten einsetzt, aber auch in welchem Umfang er Hilfestellung und Erklärungen gibt. Ein anderer Schüler hat einen weiteren durchaus berechtigten Einwand hervorgebracht. Er ist der Meinung, dass es selten stattfindet, das Jugendliche solche Software benutzen. Allerdings äußerte er dazu „wenn ja: Warum nicht?“. E-Learning-Einheiten werden wie er schon richtig erkannt hat selten benutzt, sei es privat oder schulisch, da diese neben vielen Vorteilen auch Nachteile bergen. So sind zum einen die notwendigen Ausstattungen bei vielen nicht gegeben oder es ist ihnen fremd, dass solche technische Möglichkeiten überhaupt existieren. So ist es nötig gewesen vor Ausgabe der Fragebögen den Begriff des E-Learnings in kurzen Sätzen zu erläutern, weil sonst viele nicht in der Lage gewesen wären diesen Fragebogen auszufüllen. Zum anderen ist es nicht immer einfach sich etwas autonom beizubringen. Da Computer im Gegensatz zu Lehrenden nicht immer dann einspringen, wenn etwas Bedarfsanalyse 24 nicht verstanden wird, kann es vorkommen, dass sich schnell Frust statt Lust beim Lerner einstellt. Neben den eben genannten Einwänden ist von mehreren Schülern der Wunsch geäußert worden, dass sie sehr gerne eine kostenlose Probe des zu entwickelnden Lernprogramms zu Testzwecken erhalten möchten. Diesem Wunsch werden wir nachkommen, sobald die Lernumgebung erstellt ist. Das vorgebrachte Interesse freut und motiviert uns bei unserer Arbeit. Gerne würden wir auch eine Testphase und anschließende Evaluation durchführen, diese wird jedoch, sofern es sich einrichten lässt, außerhalb des Zeitrahmens der wissenschaftlichen Hausarbeit erfolgen müssen. 3.2 Fragebogenauswertung der Lehrer und Lehramtsstudenten Der Fragebogen für den Bereich E-Teaching ist von insgesamt 35 Lehrer und Lehramtsstundenten ausgefüllt worden. Dabei konnten an der TU Darmstadt nur sehr wenige Studenten des gewerblichen Lehramts befragt werden, da in den naturwissenschaftlichen Fächern, besondern im Fachbereich Chemie, sehr wenige diesen Studienweg einschlagen. Erfreulicherweise studieren umso mehr Studenten das höhere Lehramt, die für die Befragung zur Verfügung standen. Die Fragebögen sind von 51% der Berufsschullehrer und von 49% der Studenten ausgefüllt worden. Eine genaue Gliederung der Unterrichtsfächer ist der Abbildung 8 zu entnehmen. Bedarfsanalyse 25 Unterrichtsfächer der Lehrer und Lehram tsstudierenden 15% 34% 10% 1% 7% 7% 1% 13% 6% 6% Chemie Biologie Physik Mathematik Geschichte Deutsch Englisch Religion/Ethik Sport Andere Abb. 8: Prozentuale Aufteilung der Unterrichtsfächer von Lehrern und Lehramtsstudenten. Die meisten, der von uns befragten Personen unterrichten oder studieren zu 34% das Fach Chemie. Im Vergleich dazu gaben 15% der Befragten an, andere als die zur Auswahl stehenden Fächer (hier wurden u.a. die Körperpflege und BBU[20] genannt) zu unterrichten. Im Fach Biologie sind sogar nur 13% der Lehrenden vorzufinden. Alle anderen genannten Fächer gehören den Naturwissenschaften an mit Ausnahme der Fächer Religion, Deutsch, Englisch, Sport und Geschichte, welche insgesamt 26% der von uns Befragten angehören. Bei der Frage nach dem Alter werden vier Generationen abgedeckt. Fast die Hälfte der befragten Lehrenden (49%) geben dabei an zwischen 18 und 30 Jahren alt zu sein. Da insgesamt auch 49% Studierende befragt haben, ist anzunehmen, dass das die jüngere Generation erklärt. Ein Viertel hingegen liegt im mittleren Bereich zwischen 31 und 50 Jahren, und ein weiteres Viertel zwischen 51 und 65 Jahren. Das entspricht insgesamt 51% der befragten Lehrer. Diese sehr heterogene Altersstruktur wird interessante Aspekte aus vielen Blickwinkeln ermöglichen und verschiedene Wünsche für den E-TeachingBereich bereitstellen. Eine prozentuale Darstellung zur Altersangabe ist der Abbildung 8 zu entnehmen. [20] Berufsbezogener Unterricht Bedarfsanalyse 26 Altersangabe der Befragten: 26% 49% 11% 14% 18-30 31-40 41-50 51-65 Abb. 9: Prozentuale Altersangabe der Befragten. Betrachtet man die Geschlechterverteilung der befragten Lehrer und Lehramtsstudenten so ist diese sehr ausgewogen. Es sind 46% der Befragten männlich und 54% weiblich. Die nachfolgenden Fragen aus dem Erfahrungsbereich der Lehrer sind sehr nahe an denen der Schülerbefragung gehalten. Der einzige aber wesentliche Unterschied besteht darin, dass hier nach E-Teaching-Software und nicht nach ELearning-Software gefragt worden ist. Als erste Frage aus dem Erfahrungsbereich, der Unterrichtsvorbereitung, ist nach den verwendeten Medien gefragt worden. Dabei gab es hier eine ähnliche Auflistung wie bei der Schülerbefragung. Der nachfolgenden Graphik (Abb.10) ist zu entnehmen, dass Lehrer und Studierende sich überwiegend über Fachliteratur (83%), Schulbücher (74%) und dem Internet (71%) auf ihren Unterricht vorbereiten. Interessant ist der letzte Punkt, da man davon ausgehen kann, dass nicht nur Studierende sondern auch ältere Lehrer mit dem Medium Internet sehr vertraut sind. Sie nutzen dieses so selbstverständlich wie Schulbücher. Die Studienunterlagen, so fern diese noch vorhanden sind, kommen lediglich mit 20% zum Einsatz. Das liegt zum einen daran, dass die behandelten Themen aus der Zeit des Studiums meist sehr speziell sind und zum anderen sich selten auf die Lernfelder bzw. den Rahmenlehrplan beziehen und sie finden daher nur wenig Anwendung. Neben den vorgegebenen Auswahlmöglichkeiten gaben einige Lehrer an, dass sie auch Zeitungen bzw. dass sie keine Medien für die Bedarfsanalyse 27 Unterrichtsvorbereitung verwenden. Letzteres ist vielleicht damit zu erklären, dass im Laufe der Schullaufbahn Unterrichtsunterlagen konzipiert worden sind, die seitdem jährlich ausgeteilt werden, ohne dass es notwendig erscheint, diese zu überarbeiten. Diese Meinung teilen wir definitiv nicht, da zu einem guten Lehrer auch Selbstreflexion sowie die Reflexion des Unterrichts gehört. Nach jeder Unterrichtsstunde sollte daher eine Reflexion erfolgen. Dabei ist u.a. durch bedingten Schülerwechsel eine unterschiedliche gute oder schlechte Bewertung der Unterrichtsmaterialien zu erwarten. Begründet kann das an neuen Entwicklungen sein, einer anderen Perspektive auf das Thema, was den Schülern das Lernen erleichtert sowie der Wahl eines anderen pädagogischen Ansatzes. Allein der Wechsel von Frontalunterricht auf Gruppenarbeit erfordert eine andere Unterrichtsvorbereitung bzw. Unterrichtsunterlagen. Auch wenn sich Inhalte nur sehr selten grundlegend ändern, so sollte man seine Unterrichtsvorbereitung und die dazugehörigen -unterlagen reflektieren und überarbeiten, sofern Bedarf besteht. Eine andere Erklärung, dass keine Medien verwendet werden, könnte sein, dass ein Teil der befragten Studierenden noch keinen Unterricht konzipiert haben. Abb.10: Verwendete Medien zur Unterrichtsvorbereitung. Es gaben 71% Lehrer und Studierende an, das Internet zu nutzen. Im Vergleich zum Schülerfragebogen nutzen 41% mehr Lehrende das Internet als die Schüler. Auch hier interessiert uns, auf welche Weise das Medium genutzt wird und Bedarfsanalyse 28 welche Plattformen regelmäßig besucht werden. Diesbezüglich sind im Fragebogen verschiedene Wahlmöglichkeiten angegeben worden. Außerdem hatten die Befragten die Möglichkeiten unter dem Punkt „andere Medien“ eine nicht genannte Verwendung zu notieren. Abb. 11: Nutzung des Internets von Lehrer und Lehramtsstudenten. Ähnlich wie bei der Schülerbefragung gibt ein Großteil der Lehrer an, dass die Nutzung des Internets sich überwiegend auf Suchmaschinen (80%) und Internetlexika (51%) bezieht. Im Vergleich zu den befragten Schülern benutzen Lehrer und Lehramtsstudierende Arbeitsblätter und Versuchsvorschriften, sowie Präsentationen und Folien zu fast einen Drittel mehr. Dies liegt daran, dass Lehrer die Arbeitsblätter und Versuchsvorschriften (34%), die sie im Internet abrufen können, wesentlich besser zur Unterrichtsvorbereitung nutzen können als Schüler zur Prüfungsvorbereitung. Relevante Arbeitsblätter und Versuchsvorschriften werden daher im Unterricht ausgeteilt, die Schüler wiederum in ihren Unterrichtsunterlagen wieder finden. Weiterhin können Lehrer auch mit Präsentationen (26%) höheren Niveaus arbeiten und diese sinnvoll auf eine schülergerechte Sprache umschreiben und abstrahieren. Die Nutzung von Applets sowie der Besuch von Firmen-Webseiten ist gleichermaßen mit 9% angegeben worden. In diesem Bereich ist der Nutzen zur Vorbereitung auf den Unterricht nicht sehr ertragsreich. Das liegt zu Einem an der fehlenden Kooperation von vielen Firmen (Ausnahmen bestätigen die Regel) und Bedarfsanalyse 29 zum Anderen veranschaulichen zwar Applets (oder kleine Flashprogramme) ein Thema, lassen sich aber meistens nicht als solche speichern, sodass man sich immer wieder die Webseite merken muss und diese im Laufe der Zeit vielleicht nicht mehr existiert. Dies kann auch bei web-basierten E-Learning- und E-Teaching-Lernumgebungen passieren, wenn man diese nicht regelmäßig pflegt. Daher ist als Nächstes gefragt worden, ob es E-Teaching-Software gibt, die schon einmal Anwendung gefunden hat. Dazu gaben lediglich 9% der Befragten an, schon einmal eine solche Anwendung benutzt zu haben. Erfahrungen m it E-Teaching - Softw are 0% 33% 67% sehr positiv positiv negativ sehr negativ eher positiv eher negativ Abb. 12: Erfahrungen mit E-Teaching-Software. Die Befragten, die Erfahrung mit E-Teaching-Software gemacht haben, gaben an, dass diese zu 67% positiv bzw. zu 33% eher positiv ausgefallen ist. Als E-Teaching-Software ist die Webseite www.seilnacht.com genannt worden, die neben der Möglichkeit Arbeitsblätter, Versuchsvorschriften und kleinere Berechnungsprogramme für die Chemie auch mehrere E-Learning-Plattformen enthält. Die Texte sind didaktisch aufbereitet und für die Sek. I vorgesehen. Als weitere E-Teaching-Module sind „Hot Potatoes“, ein Autorenprogramm zur Erstellung von Multiple Choice Aufgaben, Rätsel und ähnliche Quizvarianten benutzt worden. Mit Hilfe von Hot Potatoes[21] lassen sich neben den Aufgaben [21] Hot Potatoes ist kostenlos über http://hotpot.uvic.ca/index.htm#downloads (29.07.06) beziehbar. Bedarfsanalyse 30 auch Rückmeldungen zu den gegebenen Lösungen implementieren. So ist es möglich wenn ein Schüler eine Aufgabe nicht richtig gelöst hat, ihm eine Hilfestellung zu geben, ihn darauf hinzuweisen, wo er die gesuchten Informationen finden kann oder welche Unterrichtseinheit er noch einmal bearbeitet sollte. Seit der Browser Version 6 ist es über eine Gebühr auch möglich, die Ergebnisse bei einen Server abzulegen, der eine statistische Berechnung anstellt, welche Aufgaben gut und welche schlecht gelöst worden sind. Wegen den Vorzügen, die diese Software bietet, findet sie auch in diesem Projekt Anwendung. Als weitere E-Teaching-Plattformen sind „Crocodile Clip“ und „Rasmol“ genannt worden, die aber eher in den Bereich der Simulationen einzuordnen sind. Sie können zwar als didaktische Mittel eingesetzt werden, zählen aber laut der Definition der E-Teaching-Module im engeren Sinne nicht zu diesen Anwendungen. Im Anschluss sind die Lehrer und Studenten befragt worden, ob sie allgemein bereit wären, prinzipiell mit E-Teaching-Software zu arbeiten. Dabei ist die Bereitschaft in Zukunft E-Teaching-Software zu benutzen ist sehr groß. Zudem gaben 89% der Befragten an, dass sie aufgeschlossen sind, diese, sofern ihnen eine solche angeboten wird, auch zu nutzen. Lediglich 11% sind von dem Einsatz von E-Teaching-Software nicht überzeugt. Im dritten Teilbereich des Fragebogens ist nach dem Erwartungen an E-TeachingSoftware gefragt worden. Durch das große Interesse, das in der vorigen Frage bekundet worden ist, ist besonders auf die Wünsche und Vorstellungen an eine solche entsprechende Anwendung zu achten. Bedarfsanalyse 31 Abb. 13: Erwartungen an E-Teaching-Software. Die Frage nach den Erwartungen an E-Teaching-Module ist so gestellt, dass man maximal drei Optionen auswählen darf. Aus der obigen Abbildung kann man entnehmen, dass die Befragten besonderen Wert auf eine leichte Bedienbarkeit (91%) legen. Ferner sollte auch hier die Software kostenlos (57%) verfügbar sein und didaktische sowie methodische Hinweise (49%) sollten nicht fehlen. Anders als bei den Schülern ist es nur 31% der Lehrer wichtig, dass das Modul auch offline verfügbar sein sollte. Eine individuelle Erstellung von Unterrichtsmaterial ist den Befragten doppelt so wichtig wie das Vorfinden von vorgefertigten Arbeitsblättern. In den nächsten acht Fragen werden die verschiedenen Punkte noch mal einzeln aufgeführt, um zu vermeiden das wichtige Aspekte unberücksichtigt bleiben. Betrachtet man die drei Hauptpunkte, die für E-Teaching-Software ausgewählt worden sind, so gibt es hier interessante Entwicklungen. Die leichte Bedienung ist wie erwartet zu einen hohen Prozentsatz (69%) mit sehr wichtig befunden worden, 29% ist es wichtig und lediglich 2% befinden es als unwichtig. Bei den didaktischen und methodischen Hinweisen hingegen, gehen die Meinungen weit auseinander. Bedarfsanalyse 32 Abb. 14: Wichtigkeit didaktischer und methodischer Hinweise. Während 34% der Befragten die didaktischen und methodischen Hinweise als sehr wichtig einstuften und die allgemeine Tendenz wenigstens eines der ersten drei Kästchen wählten (83%), sind fast ein Fünftel der Lehrer und Studenten (17%) der Meinung, dass es für sie unwichtig ist. Zu deuten ist dieses Ergebnis vermutlich damit, dass sich dieses Fünftel der Lehrer für eine bestimmte Form der Pädagogik entschieden hat und diese präferiert, so dass solche Hinweise möglicherweise als störend betrachtet werden. Eine andere Möglichkeit kann sein, dass die Lehrer, von denen diese Antworten meiner Meinung nach erfolgt ist, Studenten (die dieses Modul erstellen) die ausreichende Kompetenz absprechen, diese zu geben. Die Assoziation zu einer allgemeinen Befragung über solche Systeme und den Zusammenhang, dass dieser Fragebogen zur Bedarfsanalyse zur Programmierung einer neuen Lernumgebung erstellt worden ist, lässt sich leider nicht ausschließen. So sind die Ergebnisse, obwohl die Fragen so objektiv wie möglich gehalten sind, zum Teil auch durch subjektive Einstellungen bezüglich der befragenden Person ausgefüllt worden. Der dritte wichtige Punkt, der erwähnt worden ist, ist der wirtschaftliche Aspekt der Software. Auch hier ist die Frage danach umgestellt worden, wie wichtig es ist, viel für diese Software zu zahlen. Dabei zeigte sich ein unterschiedlicher Trend. Während 51% angaben, dass es für sie nicht so wichtig sei, viel für die Software zu zahlen, gaben die restlichen 49%, dass es für sie wichtig sei, dass diese viel kostet. Das würde aber dem oberen Ergebnis zu der Frage 11 Bedarfsanalyse 33 widersprechen. Denn dort erscheint die Tatsache, dass die Software kostenlos ist, an der zweit wichtigsten Stelle mit 57%. Zu erklären ist dieser Sachverhalt, dass die Frage unter falschen Annahmen überflogen oder vielleicht aus Zeitmangel beantwortet wurde, da der Fragebogen innerhalb einer Unterrichtspause ausgeteilt worden ist. Dadurch ist möglicherweise lediglich auf die Schlüsselworte sehr wichtig/unwichtig geachtet worden. Im Vergleich zum Schülerfragebogen, sind diese Aussagen mit Vorsicht zu genießen. Die Option, dass die E-Teaching-Software offline zur Verfügung stehen sollte, sowie Arbeitsblätter vorzufinden entspricht der obigen Befragung. Bei Frage 14 und 15 ging es um die individuelle Erstellung von Folien und Präsentationen. Dabei sind mit Folien Overhead-Folien für den Projektor gemeint. Dabei ist zu erkennen, dass es wichtiger ist, Overheadfolien (97%)[22] selber zu stellen als Powerpoint-Präsentationen (86%). Dieses Ergebnis ist vielleicht damit zu erklären, dass die technische Ausrüstung für Laptops und Beamer wesentlich schlechter ist als die der Overhead-Projektoren (OHP). In der Regel ist in jedem Klassenraum ein OHP vorzufinden, während für das gesamte Kollegium der Außenstelle nur drei Laptops und Beamer zur Verfügung stehen. Daher ist der Einsatz von Overheadfolien öfter zu erwarten, als der von PowerPointPräsentationen. Die letzten beiden Fragen sind vergleichbar zum Schülerfragebogen offen gehalten worden. Somit ist auch hier eine prozentuale Auswertung nicht möglich, sondern nur eine Zusammenfassung der gesamten Antworten. Auch hier werden wichtige Aspekte als Zitate wiedergegeben. Nicht jeder äußerte sich zu der nächsten Frage, im welchen Bereich er sich ETeaching-Software vorstellen kann. Das liegt wahrscheinlich u.a. an der Tatsache, dass nicht jeder bereit ist E-Teaching-Software zu nutzen. Die Befragten, die sich darüber äußerten, legten einen Schwerpunkt in den Naturwissenschaften, vor allem in der Chemie, BBU und der Biologie. Ein kleinerer Teil kann sich den Einsatz auch in Fächern wie Deutsch, Religion und Ethik vorstellen. Allgemein korrelieren die vorgeschlagenen Themen mit den Unterrichtsfächern der Lehrer. Im Gegensatz zu den Schülern äußerte sich kein Lehrer und Student dazu, dass er [22] Diese Prozentzahlen, beziehen sich auf die Auswahl der ersten drei Kästchen. Bedarfsanalyse 34 sich den Einsatz für den Freizeitbereich vorstellen könnte oder als Weiterbildung orientierte Maßnahme. In der letzten Frage hatten die Lehrer und Studierende die Möglichkeit noch das mitzuteilen, was ihnen besonders wichtig ist und nicht über die Multiple-Choice Fragen abgedeckt wurde. Eine sehr interessante Aussage lautete von einem Lehrer, der anschließend noch um ein persönliches Gespräch bat: „Viele dieser Fragen sollten im Team bei einem Erfahrungsaustausch geklärt werden. Ein allgemeines vor sich hinwursteln bringt wenig.“ Dieser Aussage kann man nur zustimmen, wenn es sich um die Erstellung einer E-Teaching-Software für einen bestimmten Unterrichtsbereich handelt, der in der Schule von allen Kollegen genutzt werden soll. Dabei sollten sich Expertengruppen zusammenfinden und einen Plan erstellen, der Prioritäten in den verschiedenen Bereichen festlegt. Da in unserem Fall jedoch lediglich der allgemeine Bedarf und die Erfahrung mit diesen Systemen ermittelt werden sollte und das Thema „Enzyme“ schon durch die Thematik dieser wissenschaftlicher Hausarbeit feststand, war die Bedarfsanalyse anderen Aspekten unterzuordnen. Das nachträgliche mündliche Feedback der Lehrer nach dem Ausfüllen des Fragebogens war sehr umfangreich. Die Vorschläge und Ideen, die dabei mitgeteilt worden sind, werden in den Aufbau der Unterrichtseinheiten und dem Angebot im E-Teaching-Bereich miteinfließen. Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 4. 28 Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit Die Abdeckung der wissenschaftlichen Hausarbeit richtet sich zum großen Teil an der Aufgabenstellung, den Wünschen der Schüler und der Lehrer sowie den Lehramtsstudenten sowie den Maßgaben der Rahmenlehrpläne für den beruflichen und gymnasialen Bereich. Die Möglichkeiten alle genannten Optionen zu erfüllen werden durch den zeitlichen Rahmen und die verfügbare Ausstattung begrenzt. 4.1 Aufgabenstellung Die Aufgabenstellung, die Herr Prof. Dr. Schmidt erteilt hat, lautet: „Konzeption und Realisierung von „AVIMEC: Audiovisuelles Modul: Enzyme in der bioorganischen Chemie“. Die Verknüpfung der Enzymwirkungsweise mit Animationen und Videoaufzeichnungen von Experimenten; den notwendigen Durchführungsvorschriften und erläuternden, interaktiven Seiten unter Berücksichtigung didaktischer Konzepte dient folgenden Zielen: Wissenschaftliche Darstellung des Themas als interdisziplinäres Arbeitsgebiet aus Biologie, Biochemie, Physikalischer Chemie und Organischer Synthese. Dies soll in Kombination mit eigenen Laborarbeiten durchgeführt werden.“[23] Um die Aufgabenstellung umzusetzen wurden Versuchsvorschriften aus dem Themenkomplex „Enzyme“ recherchiert, durchgeführt und optimiert. Die Optimierung ist erfolgt, da die recherchierten Versuche nur selten das gewünschte Ergebnis lieferten. So sind im Verhältnis zu den recherchierten Versuchen nur ein kleiner Teil wirklich durchgeführt, optimiert und aufgenommen worden. Um den Lehrenden aber die restlichen Versuche nicht vorzuenthalten, können diese unter der Rubrik „Nicht optimierte Versuche“ im Versuchsskript nachgelesen werden. Die Versuche sind so gewählt worden, dass sie sich gut in die verschiedenen Unterrichtseinheiten implementieren lassen. Eine Vorsortierung ist durch das Inhaltsverzeichnis vorgenommen worden. [23] vgl. mit der eingereichten Aufgabenstellung dieser wissenschaftlichen Hausarbeit. Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 29 Die Animationen beschränken sich bei AVIMEC auf die Strukturdarstellung mit Hilfe des Plug-Ins Chime zu den verschiedenen Enzymen. Diese Seiten sind in die eigentlichen Unterrichtseinheiten nicht implementiert, sondern befinden sich unter einen entsprechenden Unterpunkt wieder. Zur näheren Erläuterung des Plug-Ins Chime vgl. Kapitel 7.6 „Der Einsatz von Rasmol und Chime“. Um Interaktivität zu gewährleisten ist zum Abschluss zu jeder Unterrichtseinheit eine Erfolgskontrolle vorgesehen. Diese Erfolgskontrollen werden über Hot Potatoes realisiert. Die Art der Abfragemöglichkeiten und die weiteren Funktionen werden im Kapitel 7.5 „Einsatz von Hot Potatoes“ vorgestellt. 4.2 Einbindung in den Rahmenlehrplan Um eine Internet-Plattform bieten zu können, die auch Anklang in Schulen findet, bedarf es einer Analyse der Rahmenlehrpläne. Das Thema Enzyme wird in den Rahmenlehrplänen meistens nur als Randthema erwähnt, aber es lässt sich durchaus auch in vielen anderen Bereichen einsetzen. Wie diese Einbindung erfolgen kann, ist in den folgenden Abschnitten erläutert. 4.2.1 Rahmenlehrplan in Ausbildungsberufen Der Rahmenlehrplan in Ausbildungsberufen ist in verschiedene Lernfelder unterteilt. Diese Lernfelder sind mit einem Zeitrichtwert versehen sowie mit der Angabe in welchem Ausbildungsjahr das Lernfeld zu behandeln ist. In den Lernfeldern zu den einzelnen Ausbildungsberufen sind die Unterrichtsinhalte sehr offen formuliert. Dabei gibt es einen einleitenden Text und anschließend eine Liste mit Stichpunkten, die das jeweilige Lernfeld zu erfüllen hat. Die Methodenwahl die die lehrende Person ausübt, um den Inhalt zu vermittelt ist ihr freigestellt. So kann man in der Vorbemerkung des Rahmenlehrplans für Biologielaboranten nachlesen: „Der Rahmenlehrplan enthält keine methodischen Festlegungen für den Unterricht. Selbstständiges und verantwortungsbewusstes Denken und Handeln als übergreifendes Ziel wird vorzugsweise in solchen Unterrichtsformen vermittelt, in denen es Teil des methodischen Gesamtkonzeptes ist. Dabei kann grundsätzlich jedes methodische Vorgehen zur Erreichung des Zieles beitragen: Methoden, welche die Handlungs- Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 30 kompetenz unmittelbar fördern, sind besonders geeignet und sollten deshalb in der Unterrichtsgestaltung angemessen berücksichtigt werden.“[24] Daher können sich E-Learning-Plattformen als Methodenwahl eignen, sofern sie auf eigenständige Bearbeitung der Aufgaben beruhen und die Inhalte von den Schülern genügend reflektiert werden. 4.2.1.1 Rahmenlehrplan für Biologielaboranten[25] Im Rahmenlehrplan für Biologielaboranten ist zu erwarten dass sich das Thema „Enzyme“ in den verschiedenen Lernfeldern wieder findet. So ist es doch ein wesentlicher Bestandteil, wenn man die Funktionen im menschlichen Körper nachvollziehen möchte. Exemplarisch sollen hier zwei Lernfelder vorgestellt werden, die sich besonders gut für AVIMEC eignen. Dies ist zunächst das Lernfeld 5: „Mikrobiologische und zellkulturtechnische Arbeiten durchführen“ und das Lernfeld 6: „Biochemische und molekularbiologische Arbeiten durchführen“. Im Lernfeld 5 ist ein Stichpunkt „Biotechnologische Verfahren“. Unter diesem Stichpunkt kann man darauf eingehen, dass in den neuesten Entwicklungen Enzyme immer mehr an Bedeutung finden. So gab es 1995 schon 20 Enzyme die industriell und kommerziell Anwendung gefunden haben. Die -Amylase und die Pectinase werden beispielsweise für die Alkoholproduktion eingesetzt, während die Glucoseoxidase und die Katalase als Antioxidans in Konservendosen Verwendung finden.[26] Die Tendenz in der Industrie vermehrt einzusetzen ist steigend. Im Lernfeld 6 hingegen wird explizit auf das Thema Enzyme eingegangen. Dort lassen sich die Stichpunkte „Enzyme“, „Katalyse“, „enzymatische Analysen“ sowie „Vitamine“ vorfinden. Viele Vitamine zählen zu den Coenzymen und können deshalb dem Thema Enzyme zugeordnet werden. Die erstellten Unterrichtseinheiten decken diesen Bereich ab. Da die Unterrichtseinheiten so konzipiert sind, dass sie auch als einzelne Module Anwendung finden können, lassen sie sich gezielt in den oben genannten Bereichen einsetzen. vgl. z.B. S.2 im Rahmenlehrplan „Biologielaboranten“ Der Rahmenlehrplan ist unter http://www.kmk.org/beruf/rlpl/rlpbilab.pdf (29.07.06) abrufbar. [26] Mehr über den Einsatz von Enzymen in der Industrie ist auf S.154/155 Molekulare Biotechnologie (1995) zu entnehmen. [24] [25] Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 4.2.1.2 31 Rahmenlehrplan für Chemielaboranten[27] Im Rahmenlehrplan für Chemielaboranten wird ein besonderer Schwerpunkt in der Analytik gesetzt. Aber auch hier finden sich verschiedene Lernfelder, die sich durchaus direkt oder indirekt mit dem Thema Enzyme befassen. So ist im Lernfeld 11 „Synthesetechniken anwenden“ der Begriff der Katalyse vorzufinden, im Lernfeld 14 „Mikroorganismen identifizieren und nutzen“ die alkoholische Gärung und im Lernfeld 17 „Immunologische und diagnostische Arbeiten durchführen“ die Stichpunkte Enzyme, die Bestimmung von Enzymaktivitäten und die Substratkonzentrationen. Bei Chemielaboranten bietet es sich an, sofern die Klassengröße es zulässt, auch praktische Arbeiten durchzuführen. So können im Lernfeld 17 bei der Bestimmung von Enzymaktivitäten, Versuche im Bereich der optimalen Bedingungen von Enzymen durchgeführt werden. Man kann mit Hilfe von einfachen Versuchsapparaturen, das pH-Optimum, die optimale Temperatur als auch Katalysatorgifte in Form von Schwermetallsalzen eindrucksvoll darstellen. Ferner können, sofern die notwendigen Apparaturen in Form von Photometern vorhanden sind, enzymkinetische Untersuchungen durchgeführt werden. Im Anschluss kann dann auf die Michaelis-Menten-Gleichung eingegangen werden. 4.2.1.3 Rahmenlehrplan für Chemikanten[28] Der Rahmenlehrplan für Chemikanten ist auf eher technische Anwendungen und Ausführungen ausgerichtet, unterscheidet sich dieser Lehrberuf doch ganz entscheidend von dem eines Chemielaboranten. Während der Chemielaborant im Labor arbeitet und Reaktionen im Mikromaßstab testet und auswertet, ist der Chemikant mit den umgesetzten Versuchen in Produktionsprozessen im Makromaßstab eingesetzt. Daher ist der Schwerpunkt im Rahmenlehrplan des Chemikanten die Bedienung von Anlagen und deren internen Programmierung (SPS[29]) gesetzt. [27] Der Rahmenlehrplan ist unter http://www.kmk.org/beruf/rlpl/rlpchlab.pdf (29.07.06) abrufbar. Der Rahmenlehrplan ist unter http://www.kmk.org/beruf/rlpl/rlpchemikant.pdf (29.07.06) abrufbar. [29] Systemprogrammierte Steuerung [28] Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 32 Um jedoch auch nachvollziehen zu können, welche Probleme in verschiedenen Produktionsprozessen auftreten können, muss ein Fundament aus der Chemie und ihrer Reaktionstechnik erfolgen. Dies ist u.a. im Lernfeld 10 „Produkte großtechnisch herstellen“ realisiert. Im Lernfeld 10 sollen neben den gängigen Produktionsprozessen wie der Herstellung anorganischer, organischer und polymerer Produkte die Schüler auch „die Reaktions- und Operationsbedingungen“[30] begründen können. Unter diesem Thema finden sich die Stichpunkte „Reaktionsenthalpie, Katalysatoren und Nebenreaktionen“ wieder. Hier kann man einsetzen, in dem man den Begriff des Katalysators näher erläutert (siehe UE 1) und erklärt, dass Enzyme im Gegensatz zu chemischen Katalysatoren keine Nebenreaktionen herbeiführen. Sie haben eine hohe Spezifität zum Substrat und werden heutzutage auch schon industriell verwendet. Im Wahlpflichtbereich des Lernfeldes 8 „Produkte mit biotechnischen Methoden gewinnen“ kann man näher auf verschiedene Verfahren eingehen. Zum Start eignet sich immer ein Thema zu wählen, was Schüler besonders interessiert wie z.B. die Herstellung von Bier, die Joghurt-Herstellung oder ähnliches. Sind die Grundlagen gesetzt, können auch andere Produktionsprozesse erläutert werden und die Auseinandersetzung mit dem eigentlichen Thema kann erfolgen. 4.2.4 Lehrplan für Chemie an Gymnasien in Hessen[31] Im Lehrplan für das Fach Chemie des Landes Hessens ist das Thema „Kohlenstoffchemie II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen“ mit 36 Unterrichtsstunden vorgesehen. Dieses setzt sich zusammen aus: 1. Naturstoffe a) Fette b) Kohlenhydrate c) Aminosäuren, Peptide, Polypeptide 2. Synthetische Makromoleküle 3. Identifizierung von Kohlenstoffverbindungen [30] [31] vgl. S.19 Rahmenlehrplan für Chemikant/Chemikantin http://lernarchiv.bildung.hessen.de/archiv/lehrplaene/gymnasium/chemie Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 33 Enzyme können unter Punkt 1.c behandelt werden, das Thema ist jedoch nicht als Pflichtprogramm, sondern nur als fakultativer Unterrichtsinhalt vorgesehen. Bei gleichmäßiger Aufteilung der verfügbaren Unterrichtsstunden, bleiben für Naturstoffe 12 Stunden, und für das Thema Aminosäuren, Peptide und Polypeptide insgesamt nur 4 Stunden, wobei in diesem Themenkomplex erst Struktur und Eigenschaften natürlicher Aminosäuren, Peptidbindungen, Strukturen und Strukturaufklärung von Eiweißen, Vorkommen und Bedeutung, Nachweisreaktionen für Aminosäuren und Eiweiße und Hydrolyse von Peptiden behandelt werden muss, bevor die restliche Zeit auf das Thema Enzyme verwandt werden darf. Obwohl Enzymreaktion eine zunehmend wichtige Rolle in der modernen Chemie spielen, sind sie weiterhin ein freiwilliges Randthema und werden nur behandelt, wenn der Lehrer diesen Stoff für seine Schüler als wichtig erachtet und sich die Zeit entsprechend einteilt. 4.2.5 Lehrplan für Biologie an Gymnasien in Hessen[32] Beim Lehrplan für Biologie spielen Enzyme eine gewichtigere Rolle. Ab der 11. Klassenstufe werden Enzyme mehrfach erwähnt und behandelt. I) Auf Seite 33 des Lehrplans: „Die Zelle als offenes System“. Vorgesehen sind 20 Unterrichtsstunden. Eine recht ausführliche Behandlung von allen Zellkompartimenten und allen Funktionen der Zelle beinhaltet auch die Enzyme in ihrer Funktion als Katalysatoren und ihre Substratspezifität. Rein statistisch nehmen sie 1/9 der verfügbaren Zeit ein. Hierbei sollen II) Auf Seite 38 ist für Leistungskurse der Jahrgangsstufe 12 die Behandlung des „Operon-Modells“ vorgesehen, wobei hier auf die Enzyminduktion bei der Synthese von Polypeptiden von Bakterien eingegangen werden soll. III) Auf Seite 44 ist unter dem Punkt „Zellatmung“ sowohl für Grundkurse, als auch Leistungskurse der Jahrgangsstufe 12 die katalytische Wirkung der Enzyme bei der aeroben und anaeroben Energiegewinnung als zu behandelndes Thema vermerkt. [32] http://lernarchiv.bildung.hessen.de/archiv/lehrplaene/gymnasium/biologie Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 34 Wie man sieht, werden Enzyme im Bereich Biologie recht ausführlich besprochen, allerdings immer nur im Rahmen ihres natürlichen Vorkommens. Der Bezug zur den modernen industriellen Verfahren und der dortigen Nutzung der Enzyme bleibt jedoch aus. 4.3 Zusammenfassung der Ergebnisse aus der Fragebogenauswertung Die drei Hauptpunkte, die Schüler bzw. Auszubildende am wichtigsten finden bei web-basierten Lernumgebungen, sind die leichte Bedienbarkeit, dass die Software kostenlos und offline zur Verfügung steht. Da es sich um eine Webseite handelt, lässt diese sich ohne Probleme auch auf ein beschreibbares Medium fixieren in Form einer DVD. Somit kann gewährleistet werden, dass die Lernumgebung auch ohne eine Internetverbindung nutzbar ist. Die Software wird solange eine Evaluation nicht stattgefunden hat, kostenlos bleiben. Da das Projekt AVIMEC eine wissenschaftliche Hausarbeit ist, liegt die Entscheidung darüber ob und in welchem Maße diese kommerziell genutzt wird in den Händen des TUPräsidenten. Das somit AVIMEC auch in Zukunft kostenlos bleiben wird, fällt daher außerhalb unserer Zuständigkeit. Die leichte Bedienung, die von 79% aller Schüler erwartet wird, ist durch eine klare und übersichtliche Strukturierung versucht worden zu realisieren. Über den genauen Aufbau der Webseite und den Beweggründen, ist im Kapitel 7 „Aufbau der interaktiven Website“ nachzulesen. Bei den Erwartungen der Lehrer sind als wichtigste Punkte die leichte Bedienbarkeit, die kostenlose Bereitstellung und die didaktischen bzw. methodischen Hinweise gewählt worden. Auf die leichte Bedienbarkeit und die kostenlose Bereitstellung ist im Einzelnen oben eingegangen worden. Daher wird hier lediglich über die didaktischen und methodischen Hinweise eingegangen. Sie werden zu jeder Unterrichtseinheit separat vorgestellt. Dadurch dass die Themeninhalte vom Aufbau und Inhalt verschiedenen sind, variieren auch die Vorschläge zur Durchführung und der Unterrichtsgestaltung. Im E-TeachingBereich werden die verschiedenen Unterrichtseinheiten näher erläutert und bieten ein fundierteres Hintergrundwissen an, als für die Schüler bereitgehalten wird. So können bei der Unterrichtsgestaltung verschiedene Aspekte beleuchtet werden. Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 35 Ein Beispiel wäre hier z.B. die Unterrichtseinheit „Enzyme im Alltag“. Es werden verschiedene Versuche gezeigt, die mit handelsüblichen Waschmitteln durchgeführt werden. Obwohl die meisten Enzyme wie auch anderes biologisches Material bei einer Temperatur von etwa 50-90°C denaturieren und somit irreversibel geschädigt werden, ist auf den Verpackungen von vielen Waschmitteln nachzulesen, dass der Einsatz bei 90° C gewährleistet wird. Wie diese Enzyme beschaffen sein müssen, um bei diesen hohen Temperaturen katalytisch aktiv zu bleiben, ist im Bereich E-Teaching nachzulesen. 5 Bedeutung der Enzyme für die Industrie Das folgende Kapitel soll einen Überblick über die Entdeckung, die Entwicklung bei den Methoden der Anwendung und die heutige Bedeutung bieten. Der Stellenwert der enzymatischen Methoden soll beleuchten, warum es wichtig ist das Thema Enzyme im Schulunterricht ausführlich zu behandeln und in den Gesamtzusammenhang mit der Umwelt zu setzen. 5.1 Geschichtlicher Abriss der Nutzung von Biokatalysatoren[33] Seit über 8000 Jahren verwendet der Mensch schon Mikroorganismen und folglich auch Enzyme, wenn auch zu Beginn unwissentlich, für seine Zwecke. Am Anfang hauptsächlich zur Herstellung von Brot, Bier, Wein und Milchprodukten verwendet, hat sich dies in neuerer Zeit drastisch geändert. Berzelius prägte 1835 erstmals den Begriff Katalyse und entwickelte eine entsprechende Theorie zu seiner Funktion. Im Laufe des 19. Jahrhunderts wurden weitere Enzymwirkungen entdeckt und die hohe Spezifität erkannt. E. Fischer formulierte daraufhin 1894 das SchlüsselSchloss-Prinzip, welches eine Analogie zwischen dem einzig passenden Schlüssel zu einem Schloss und dem einzigen Substrat, passend zu einem Enzym, darstellt. Trotz vieler neuen Erkenntnisse zur damaligen Zeit und der Entdeckung der Enzyme wurden lebhafte Diskussionen geführt, ob komplizierte Reaktionen nur [33] Biokatalysatoren und Enzymtechnologie (1997) Bioorganikum – Praktikum der Biokatalyse (2005) Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 36 von Lebewesen (wie Beispielsweise die Gärung durch die Hefe) durchgeführt werden konnte aufgrund ihrer vis vitalis (Lebenskraft), oder ob die chemischen Stoffe genügen würden. Abbildung 15: Schlüssel-Schloss-Prinzip. 1893 wurde diese Debatte von E. Buchner endgültig beendet, indem er zeigte, dass eine Zellfreie Lösung, die er aus zerriebenen Hefezellen hergestellt hatte, den Gärungsvorgang katalysierte. 1926 schließlich gelang es Sumner erstmals, ein Enzym zu kristallisieren. Dieser Erfolg wurde jedoch in der Öffentlichkeit wenig gewürdigt, bis Northrop zwischen 1930 und 1936 weitere Enzyme kristallisieren konnte. Der Beweis, dass es sich bei Enzymen um chemische Substanzen handelte, war somit erbracht. Seit den 60er Jahren wird versucht, Enzymanaloge synthetisch (Synzyme) herzustellen, um somit gezielt Katalysatoren für die Industrie zu gewinnen. Benutzt werden hierbei Methoden der Gentechnik und Grundlagen der Enyzmkatalyse. Seit den 80ern ist es nun auch möglich Enzyme gentechnisch so weit zu verändern, dass ihre katalytischen Eigenschaften modifiziert werden. Inzwischen wird auch Computermodelling eingesetzt, um sich an einer räumlichen Struktur der Enzyme entsprechende Änderungen zu überlegen. Die neueren genetischen Methoden ermöglichen eine Klonierung und Expression der Enzyme mit extrem hohen Ausbeuten und ohne Nebenaktivitäten. E.coli wird als Beispiel mit einer Ausbeute von 40%, bezogen auf das Gesamtprotein, genannt, wobei es gleichzeitig Invertasefrei ist. Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 37 Ein großer Teil der technisch genutzten Enzyme wird mittlerweile gentechnisch hergestellt. Aufgrund der Erkenntnis, dass Enzyme auch isoliert wirken, wurden schon zu Beginn des 19. Jahrhunderts technisch hergestellte, isolierte Enzyme in der Industrie verwandt. Einer der ersten Nutzer dieser Methoden war der Chemiker Otto Röhm. Röhm hatte damals die Idee, dass sich Unrat und Fleischreste bei den Fellen in der Gerberei auch durch Enzyme aus dem Verdauungstrakt beseitigen lassen müssten. Er entwickelte daraufhin ein Verfahren, was mit Extrakten aus Bauchspeicheldrüsen (Pankreas) arbeitete. Die Erarbeitung einer technischen Ausführung dieses Verfahrens führte letztendlich zur Gründung der Firma Röhm GmbH im Jahr 1907. Die Firma expandierte schnell. In den 20er Jahren jedoch, sorgte eine Verknappung an Pankreasdrüsen für eine wichtige Entdeckung in der Enzymgewinnung. Forschungsarbeiten hatten ergeben, dass bestimmte Pilzkulturen Beizwirkung zeigten, und so wurde die Gewinnung von Enzymen aus Pilzkulturen vorangetrieben. Der Erfolg, den Röhm mit seinem Beizverfahren erzielte, sorgte für weitere Entwicklungen im Bereich Enzymgewinnung und der Enzymanwendung. Beispielsweise wurden Pankreasenzyme bei Verdauungsstörungen eingesetzt, eiweißspaltende Enzyme fanden ihren Einzug in die Waschmittelindustrie und in moderne Wundsalben. Etwa 30 Jahre nach dieser raschen Entwicklung kam es zu einem weiteren Sprung in der Entwicklung der Enzymverfahren. Eine Neuentwicklung, die Enzymimmobilisierung, und die USA mit ihrer Süßwarenindustrie mit ihrem enormen Verbrauch an Zuckersirup sorgten dafür. In den 50ern war das Enzym Glucoseisomerase entdeckt worden, welches Glucose in Fructose umwandeln kann und sich zur Herstellung von Invertzucker aus Stärke eignet. Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 38 Enzyme wurden in den Anfängen immer in wasserlöslicher Form gewonnen und in Lösung eingesetzt. Eine Rückgewinnung aus dem Produkt war viel zu kostenaufwendig und die Enzyme waren somit nach einmaligem Gebrauch verloren. Ende der 40er Jahre jedoch kamen Forscher erstmals auf die Idee, Enzyme auf einem Feststoff zu binden und mit heterogener Katalyse zu arbeiten. Das Trägermaterial muss nach Ablauf der Reaktion nur abgefiltert werden, um die Enzyme zurück gewinnen zu können. 5.2 Biotechnologie Unter Biotechnologie wird die Umsetzung von Erkenntnissen aus der Biologie und der Biochemie in technische oder technisch nutzbare Elemente verstanden. Die Biotechnologie gehört, wie auch zum Beispiel die nano-Technologie, zu den key enabling technologies. Dies bedeutet, dass die hier zu gewinnenden Produkte viele Bereiche und Branchen betreffen. Abb. 16: Gliederung der Biotechnologie.[34] Während sich die "grüne" Biotechnologie (landwirtschaftliche Anwendung) auf Pflanzen einschließlich ihrer genetischen Modifizierung bezieht, die "rote" Biotechnologie (medizinisch-pharmazeutisch) sich mit der Herstellung von [34] http://www.zukuenftigetechnologien.de/57.pdf (Stand 27.06.2006) Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 39 Medikamenten und Diagnostika befasst und die "blaue" Biotechnologie sich mit der Herstellung von Nahrungsmittelzusätzen aus dem Meer beschäftigt, versteht man unter "weißer" Biotechnologie Produkte und Industrie-Prozesse beispielsweise in der Chemie-, Textil-, oder Lebensmittelindustrie, welche unter der Anwendung von biotechnologischen Prozessen entstanden sind, und unter der "grauen" Biotechnologie biotechnologische Prozesse im Bereich der Abfallwirtschaft (Kläranlagen, Dekontamination von Böden und ähnliches). Diese Einteilung gibt zwar ein grobes Schema vor, welches in Abb. XX grafisch dargestellt ist, jedoch wird nicht berücksichtigt, dass sich diese Gebiete teilweise überschneiden. Angrenzende Bereiche sind unter anderem: Antikörpertechnologie, Bioelektronik, Bioinformatik, Gentherapie, Klontechnologien, Fingerabdrücke, Nanobiotechnologie, Nutrigenomik, Analyse genetischer Protein-Engineering, Stammzelltherapie, Xenotransplantation und andere. Die Anwendung der Biotechnologie hat sich auf viele Bereiche ausgebreitet und ist in weiteren auf dem Vormarsch. Durch immer neue Entdeckungen und Anwendungsmöglichkeiten steigt die Relevanz in Produktionverfahren und Analytik jedes Jahr weiter an. 5.3 Bedeutung der Biokatalyse Die moderne Industrie nutzt schon seit geraumer Zeit Mengen an Katalysatoren für mittlerweile bald jeden Bereich der Industrie. In den modernen Fertigungsanlagen finden Katalysatoren Anwendung bei der Herstellung von nahezu allen bekannten und weniger bekannten Produkten. In der Kleidungsindustrie sind Katalysatoren genau so zu finden, wie bei der Lebensmittelherstellung, der Pharmazie oder der restlichen Industrie. Ein entscheidender Nachteil ist jedoch meistens, dass Katalysatoren meist mit der Zeit angegriffen werden, durch Katalysatorgifte blockiert werden, die Aufbereitung der Produkte mit umweltschädlichen Chemikalien nötig ist, oder ähnliches. Zurück bleiben oft giftige oder umweltschädliche Substanzen in großer Menge. Im Zuge der Nachhaltigkeit hat sich die Industrie nach Alternativen umgesehen, und die Biokatalysatoren entdeckt. Durch immer modernere Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 40 Methoden können Enzyme nun auch zweckentfremdet oder ganz neu modelliert werden. Durch diese Möglichkeiten haben Enzyme als Biokatalysatoren schon vielerorts die alten, „normalen“ Katalysatoren ersetzt. 5.4 Vor- und Nachteiler enzymatischer Produktions- verfahren Folgende Gegenüberstellung der enzymatischen und chemischen Hydrolyse von Penicillin G (Benzylpenicillin) zu 6-Aminopenicillansäure, dem Ausgangsstoff für verschiedene, andere Penicilline, soll die Vorteile der Biokatalyse verdeutlichen[35]: [35] Biokatalysatoren und Enyzmtechnologie (1997) Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 41 O H2 C C S H N CH3 N CH3 O COOH Benzylpe nicil li n chem ische Hydr olyse enzym at ische Hydrol yse Dim ethyl c hl orsi lan N,N´ -Di met hylani li n Phosphor pentachl ori d Amm oniak i mmobi li sier tes Enzym Amm oniak - 40°C 30- 40°C S H2N N CH3 CH3 O COOH 6- Ami nopenici ll ansäure , 6-APA Abb. 17: Chemische und enzymatische Hydrolyse von Benzylpenicillin Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 42 Hierbei entsteht an Materialverbrauch bei der Herstellung von 500t 6-APA: Tabelle 2: Kostengegenüberstellung beider katalytischer Methoden chemisch 1000 t enzymatisch Penicillin G 300 t Dimethylchlorsilan 800 t N,N´-Dimethylanilin 1000 t Penicillin G 45 Ammoniak t ca. 1 t Immobilisiertes Enzym 600 t Phosphorpentachlorid 10000 m³ 160 t Ammoniak 4200 m³ Dichlormethan 4200 m³ n-Butanol Wasser Für die Aufarbeitung Salzsäure Aceton Butylacetat Ammoniumbicarbonat Aceton Hierbei entstehen an Kosten für die chemische Reaktion (ohne Aufarbeitung):[36] Dimethyldichlorsilan = 46,061 Mio Dollar N,N´-Dimethylanilin = 38,118 Mio Dollar Phosphorpentachlorid = 22,876 Mio Dollar Ammoniak = 1,456 Mio Dollar Dichlormethan = 69,300 Mio Dollar n-Butanol = 86,100 Mio Dollar _________________________________________ Gesamtkosten: [36] = 263,911 Mio Dollar Online-Chemikalienvertrieb Sciencelab: http://www.sciencelab.com (Stand 28.07.2006) Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 43 Zum Vergleich entstehen bei enzymatischer Hydrolyse an Kosten: Ammoniak = 410000 Dollar Wasser (angenommen = 14300 Dollar 1,43 Dollar/m³) Enzym = Preis wurde nicht gefunden _________________________________________ Gesamtkosten = 424300 Dollar Solange die Kosten für die Beschaffung des Enzyms 263,486 Mio Dollar nicht übersteigen, ist das enzymatische Verfahren rentabler. Zu bedenken ist auch, dass das Enzym als Katalysator wirkt und erneut verwendet werden kann. Außerdem wird die Ausbeute durch Anwendung der Enzymkatalyse auf ca. 98% angehoben. Dieses Beispiel hat einige Vorteile enzymatischer Produktionverfahren beleuchtet. Die Vorteile im Ganzen sind: - stereoselektiv - niedrige Reaktionstemperaturen (0-110°C) - aktiv bei pH 2-12 - wenige Nebenprodukte - nicht toxisch bei sachgemäßer Handhabung - biologisch leicht abbaubar - wieder verwendbar (bei Immobilisierung) - Herstellung in fast unbegrenzten Mengen möglich Die Bedeutung hiervon ist offensichtlich. Durch eine gute Stereoselektivität können spezifisch Substrate zu Produkten umgesetzt werden, ohne dass eine Aufwendige Trennung und Reinigung eines racemischen Gemisches von Nöten wäre. Durch den lebensnahen Temperaturbereich ist nur ein leichtes Erhitzen oder Kühlen nötig. Hohe Energiekosten entfallen. Dadurch, dass Enzyme grundsätzlich nicht toxisch wirken, können sie auch in den Bereichen der Lebensmittelindustrie und der Pharmazie eingesetzt werden, ohne dass man befürchten muss, dass gravierende Nebenwirkungen durch eventuelle Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 44 Rückstände auftreten. Enzyme eigenen sich somit vor allem für Produktbereiche, bei denen es sich um die Anwendung an oder in Lebewesen handelt. Da Enzyme, bzw. die Zellen, die die Enzyme enthalten, mehr oder weniger natürliche Produkte sind, sind sie auch auf natürlichem Weg abbaubar und werden innerhalb kürzester Zeit ohne Nebenwirkungen zersetzt. Dieser Punkt hebt nicht nur die Umweltfreundlichkeit der Biokatalyse hervor, sondern auch die Kostenersparnis, die mit dem Einsatz biologisch abbaubarer Katalysatoren einhergeht. Hierzu kommt noch, dass Enzyme katalytisch wirken, und ein Katalysator per Definition an der Reaktion zwar beteiligt ist, doch unverbraucht aus ihr hervor geht. So lange die Enzyme immobilisiert werden, können sie viele Male hintereinander eingesetzt werden. Grundsätzlich existiert jedoch kaum ein Verfahren, welches nicht auch irgendwelche Nachteile besitzt. Und Biokatalyse bildet hier keine Ausnahme. Da es sich bei Enzymen und Zellen um biologische Produkte handelt, reagieren sie auch auf einige Dinge empfindlich. Nachteile umfassen die Empfindlichkeit gegenüber: - hohen Temperaturen - extremen pH-Werten - aggressiven Chemikalien - Metallionen - hydrolytischen Enzymen Da Enzyme aus lebenden Organismen extrahiert werden, sind sie in ihrer Funktionalität auch auf die Lebensbedingungen des entsprechenden Organismus eingestellt. Hohe Temperaturen sorgen für ein Absterben des Organismus und einer Zerstörung der Enzyme. pH-Bereiche, die für manche Reaktionen unabdingbar sind, greifen die Enzyme an und zersetzen sie, da sie nicht dafür gerüstet sind. Weiter ist noch zu erwähnen, dass einige Enzyme nach wie vor sehr teuer bei der Herstellung sind, oder teure Cofaktoren benötigen. Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit Neben Umweltfaktoren und Verfahrensoptimierung 45 spielen auch noch wirtschaftliche Interessen eine Rolle, ob auf enzymkatalytische Verfahren zurückgegriffen wird, oder nicht. Erst die bessere Realisierbarkeit eines oder mehrerer Punkte durch Enzymkatalyse entscheiden darüber, ob biokatalytische oder alternative Verfahren angewandt werden. Nach Uhlig[37] werden folgende wirtschaftliche Gesichtspunkte berücksichtig: Tabelle 3: Wirtschaftliche Gesichtspunkte für die Einführung enzymatischer Methoden Ziele Mittel Produkte/Prozesse Kostenreduktion Erhöhung der Ausbeute Glucose, Glucose-Fructose-Sirup, Verbesserung der Früchteverarbeitung, Frucht- und Rohstoffnutzung Gemüsesäfte, Fleischverwertung, Glucose- und Fructose-Sirup, Verminderung der Entschlichtung von Textilien, Prozesskosten Penicilinspaltung Bier, Wein, Fruchtsäfte, Sterilfiltration von Qualitätsverbesserung Filtrationskosten Pflanzenextrakten Verbesserung der Konservierung Fruchtsaftkonzentrate, Silage, Limonadenstabilisierung, Veränderung der technischen Proteinmodifikation, Eigenschaften Mehl, Backwaren, Umesterung von Fetten, Dieselkraftstoff aus Rapsöl, Geschmacksverbesserung Milchprodukte, Käse, Aromakonzentrate, Verbesserung der Wasch- und Spülmittel, Reinigungswirkung Kontrollierte Prozessführung Leder Verwertung der Molke Getränke, Aufschluss von Stärke Backhilfsmittel, Zellulose und Proteine Ethanol, Tierfutter Verminderung der Abfallvermeidung, Penicillinspaltung, Umweltbelastung Rezyklierung von Rückständen Lederherstellung, Nutzung von Rohstoffen Molkeverwertung, Papierherstellung [37] Enzyme arbeiten für uns (1991) Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 46 Weiterhin ist aus der Tabelle gut zu entnehmen, in welchen Gebieten Enzyme Anwendung finden, und wie vielfältig diese Nutzung ausfällt. 5.5 Biokatalyse und Fermentation Es könnte der Eindruck entstehen, dass es sich bei Biokatalyse und Fermentation um zwei verschiedene Begriffe für dieselbe Methode handelt. Dem ist jedoch nicht so. Zwischen beiden Begriffen gibt es einen entscheidenden Unterschied. Um Biokatalyse handelt es sich immer dann, wenn ein extrahiertes Enzym für die Reaktionen verwandt wird. Um Fermentation hingegen handelt es sich immer dann, wenn es sich dabei um einen aeroben oder anaeroben Stoffwechsel von Mikroorganismen (Bakterien, Pilzen, Hefen), mit mikrobiellen Enzymen, aber auch mit pflanzlichen oder tierischen Zellkulturen handelt, bei dem definierte Produkte entstehen.[38] Dies bedeutet, dass bei der Fermentation ein komplexes System mehrerer Enzyme handelt und das Produkt meist das Ergebnis eines Stoffwechsels ist. Hierbei ist zu beachten, dass die Begriffe „Ferment“ und „Enzym“ aber identisch sind. Fermentationsprozesse werden meist eingesetzt, wenn das Produkt nicht durch eine einfache Katalyse zu gewinnen ist, sondern eine ganze Reihe von katalytischen und anderen Vorgängen erforderlich sind. Die ersten fermentativen Verfahren wurden bei der Herstellung von Milchprodukten, Sauerkraut, Wein und Essig benutzt. Aber auch Kakao, Tee, Kaffe und Tabak gewinnen erst durch die Fermentation ihre Aromastoffe und werden somit genießbar. Zu den wichtigsten Stoffen, die durch Fermentation gewonnen werden zählen: Ethanol 100*106 Liter (1986 BRD), 350000 Tonnen Citronensäure (1982 weltweit), Aminosäuren (370000 Tonnen Na-Glutamat 1985), Vitamine, Antibiotika, und noch viele mehr. Im Regelfall verwendet man heutzutage aerobe Fermentation und nur in Ausnahmefällen anaerobe. Zu den Einsatzgebieten, der anaeroben Fermentation zählen Faultürme und die Buttersäure-Gärung mit Hilfe der Clostridien. Zum Auffinden neuer Metabolite ist ein Screening erforderlich, d.h. mehrere Wildstämme oder modifizierte Metabolite werden in einem Testsystem unter [38] Römpp Chemielexikon auf CD – Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995 Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 47 gleichen Bedingungen durchgetestet, welches die Auswahl der gewünschten Stoffwechselprodukte erlaubt. Durch dieses Verfahren werden zum Beispiel thermisch- oder pH-stabile Stämme herausgesucht, welche unter anderem Verwendung in der Waschmittelindustrie finden. Ein Großteil der Forschung über Screeningverfahren wird heutzutage in der Lebensmittelindustrie betrieben. Andere Industriezweige nutzen nur selten Wildstämme, die mittels screening gestestet werden. Durch Stammesentwicklung schließlich werden die Stämme in Bezug auf Ausbeute und Fermentationseigenschaften den gewünschten Produktionsverfahren angepasst. 5.6 Voraussetzungen der Stämme für die Fermentation: Bei weitem nicht jeder Stamm, der via Screening entdeckt wurde eignet sich letztlich auch dazu, in Fermentationsprozessen eingesetzt zu werden. Hiermit fällt einer der wichtigsten Punkte, wenn nicht der wichtigste Punkt überhaupt, einer Fermentation gleich auf den Start des Prozesses: die Auswahl des richtigen Stammes. D. Perlman und M. Kikuchi geben in ihrem Artikel[39] folgende Punkte an, auf die bei einer Auswahl der Stämme zu achten ist: - Der Stamm muss genetisch stabil sein - Der Stamm muss längere Zeit lagerbar sein - Der Stamm sollte schnell viele vegetative Zellen, Sporen oder andere reproduktive Einheiten Produzieren - Der Stamm sollte sich nach der Beimpfung im Fermentationsprozess schnell und kräftig vermehren - Der Stamm sollte eine Reinkultur und ohne andere Mikroorganismen einschließlich Bacteriophagen sein - Der Stamm sollte sich selbst gegen Kontamination schützen (sofern möglich) [39] Annual Reports of Fermentation Processes Volume 1 (1977) Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 48 5.7 Die Macht kombinierter Methoden D. Perlman und M. Kikuchi zeigen Anhand eines Modellvorschlags[40] mit Cellulose, was mit einer Kombination an Methoden heutzutage erreicht werden kann. Durch geschickten Einsatz von aerober, als auch anaerober Fermentation, enzymatischer und saurer Katalyse, lassen sich mehrere wichtige Grundstoffe wie Methanol, Aceton und Glucose produzieren. Teilweise über mehrere miteinander verbundene Schritte gleicher oder unterschiedlicher Methoden ist es möglich recht einfach an bedeutende Stoffe wie zum Beispiel SCP (Single Cell Proteine) zu kommen. SCP wird von einigen Wissenschaftlern und Gesellschaftsforschern als die Nahrungsquelle der Zukunft gesehen. Ihre Annahmen stützen sich hierbei auf eine einfache Rechnung: Ein 250 kg schwerer Mastbulle erzeugt pro Tag etwa 120g Eiweiß, 250kg Sojapflanzen bilden in der gleichen Zeit 18kg. Hefen jedoch übertreffen dies noch einmal um Längen. 250kg vermehren sich innerhalb von 15 Stunden auf 2000kg, die 225kg Protein enthalten. Die Produktion ist im industriellen Maßstab möglich und unabhängig von Klima oder Vegetationsperiode. Hierbei ist noch von Vorteil, dass die Einzeller mit Rohstoffen wie Erdöl, Methanol und Molke, mit Abfällen aus Landwirtschaft und Industrie, Algen, sogar mit Kohlendioxid "gefüttert" werden können.[41] [40] [41] Annual Reports of Fermentation Processes Volume 1 (1977) EU.L.E.N-SPIEGEL: http://www.das-eule.de/schwerp899.html (Stand 28.07.2006) Abb. 18: Methoden zur Celluloseverwertung SCP Methanol Methan aerob einstufig SCP Hefe anaerob mikrobielle Fermentation mehrstufig Aceton chemische Ausgangsstoffe IndustrieAlkohol Fermentation Invertzucker Butanol Glucose komplette enzymatische oder saure Katalyse Cellulose Isopropanol Vorgeschlagene Methoden zur Verwendung von Cellulose verschiedene Fermentationsprodukte verbessertes Tierfutter teilweise mikrobielle und enzymatische Verdauung Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 49 Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 5.8 50 Enzymklassen und Verwendung Die besonderen Stärken enzymatischer Umsetzungen liegen, wie schon erwähnt, in der hohen Spezifit und der stereoselektiven Synthese, wobei stereoisomerenreine Verbindungen produziert werden sollen. Hierbei ist die Biokatalyse durchaus nicht nur als Ersatz für andere Reaktionen zu verstehen, sondern wird auch gerne als Ergänzung oder Weiterentwicklung für umständliche Methoden oder Arbeitsweisen mit unzulänglichen Ergebnissen genutzt. Haupteinsatzgebiete sind Racematspaltung, selektive Umwandlung funktioneller Gruppen, Einführung chiraler Zentren und Funktionalisierung ausgewählter Zentren innerhalb des Substratmoleküls. Das folgende Schaubild liefert einen guten Überblick über die hierbei verwendeten Enzymklassen und die Häufigkeit deren Verwendung[42]. Lyasen 5% Isomerasen 1% Ligasen 0% Oxidoreduktasen 25% Transferasen 4% Hydrolasen 65% Abb. 19: Anwendung der verschiedenen Enzymklassen in der bioorganischen Synthese. [42] Bioorganikum – Praktikum der Biokatalyse (2005) Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 51 Hydrolasen: Hydrolasen haben in der bioorganischen Chemie größte Bedeutung. Von großem Interesse sind Esterasen, Lipasen und Poteasen (Peptidasen). Ein großer Vorteil dieser Enzymklasse ist die sehr gute Verfügbarkeit und der damit verbundene, niedrige Preis. So hat sich diese Klasse nicht nur in der bioorganischen Chemie etabliert, sondern sich auch als Waschmittelzusatz oder in der Lebensmittelindustrie Fuß gefasst. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie keine Cofaktoren benötigen und sehr robust sind. Eine Steuerung der Reaktion ist durch einfache Mittel, wie einstellen eines pH-Wertes, möglich. (Der pH-Wert wird mit Hilfe einer Lauge auf einen optimalen Wert für die gewünschte Reaktion eingestellt. Da der Ester zu einem Alkohol und anschließend zu einer Säure umgewandelt wird, kommt es zum Verbrauch von Lauge. Um den pH-Wert konstant zu halten, muss sie permanent dem System zugeführt werden. Ist die Reaktion beendet, sinkt der Verbrauch an Lauge, was eine einfache Erkennung möglich macht.) Oxidoreduktasen: Oxidoreduktasen katalysieren die Oxidation, bzw. die Reduktion eines Substratmoleküls. Das Anwendungsfeld ist sehr breit und so nehmen die Oxidoreduktasen die zweitwichtigste Rolle an Enzymen in der bioorganischen Synthese ein. Die wichtigsten Enzyme sind hierbei diejenigen, NAD(P)H/H+ beziehungsweise FADH2 umsetzen, meist handelt es sich um hämabhängige Monooxygenasen, Dioxygenasen und Peroxidasen. Lyasen: Die Klasse der Lyasen umfasst Enzyme, welche die Spaltung von C-C, C-N oder C-O und ähnlicher Verbindungen auf einem anderen Weg als Oxidation oder Hydrolyse katalysieren. Die besondere Bedeutung der Lyasen beruht darauf, dass unter entsprechenden Bedingungen die bindungsspaltende Katalyse in eine bindungsknüpfende Katalyse umgekehrt werden kann. Da bei Lyase-katalysierten Reaktionen meist ein Stereozentrum entsteht, liegt der Hauptanwendungsbereich im Gebiet der asymmetrischen Synthese. Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit 52 Transferasen: Transferasen katalysieren die Übertragung von einer Verbindung auf eine Andere (der Empfänger ist das Substrat). Biokatalytisch relevant sind hier vor allem Transaminasen und Transketolasen. Da es sich hierbei um komplexe Systeme handelt ist der Anwendungsbereich beschränkt und muss bei einer Einrichtung erst einmal etabliert werden. Steht ein System jedoch erst einmal, ist es ausgesprochen effizient. Isomerasen: Isomerasen katalysieren die Umwandlung von Konstitutionsisomeren, Stereoisomeren oder Tautomeren. Die Anwendung in der Industrie beschränkt sich jedoch hauptsächlich auf die Kohlenhydratchemie. In der Industrie dominiert immer noch die Anwendung gelöster Enzyme. Grundvoraussetzung ist hier nach wie vor ein geringer Preis für das Enzym oder der Einsatz wirklich geringer Mengen, da der Einsatz auf eine einmalige Anwendung beschränkt bleibt. Jedoch haben sich auch die immobilisierten Enzyme ihren Anwendungsbereich geschaffen. Die folgende Tabelle[43] zeigt die verschiedenen Anwendungsbereiche flüssiger Enzyme und Enzyme auf Trägermaterialien auf. [43] Biokatalysatoren und Enzymtechnologie (1997) Abdeckung im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit Tabelle 4: Verwendungsform der Enzyme in der Industrie Enzyme Gelöste Form Trägergebundene Form Hydrolasen Proteasen Waschmittel Cellulasen Spez. Waschmittel Esterasen Käseherstellung Acylasen Aminosäureherstellung Penicillinacylase Penicillinhydrolyse Glycosidasen Amylasen Stärkehydrolyse Amyloglucosidasen Stärkehydrolyse Pektinasen Saft-, Obst-, Gemüseverarbeitung Oxidasen Glucoseoxidase Getränkeherstellung Analytik Glucoseanalysator Dextranherstellung Aminosäureherstellung Transferasen Dextransucrase Isomerasen Glucoseisomerase Glucose-Fructose-Sirup 53 Barrierefreie Internet 6 34 Barrierefreies Internet Barrierefreies Internet bedeutet, dass Inhalte von Webseiten für alle Menschen zugänglich sein sollen. Dabei soll darauf geachtet werden, das auch körperlich beeinträchtige Menschen Zugriff auf solche Webseiten haben müssen. Seit dem Jahre 2002 ist das Gesetz für behinderte Menschen (BGG) in Kraft. Es stellt eine Konkretisierung der Formulierung im Grundgesetz des Artikels 3 im Absatz 3 dar. Dort ist nachzulesen, dass „niemand [...] wegen seiner Behinderung benachteiligt werden [darf]“. Dabei ist dieser Grundsatz auch auf informationstechnische Anwendungen zu beziehen. Im Abschnitt 2 §11 des BGG sind Träger der öffentlichen Gewalt aufgefordert „ihre Internetauftritte und -angebote sowie die von ihnen zur Verfügung gestellten grafischen Programmoberflächen, die mit Mitteln der Informationstechnik dargestellt werden, nach Maßgabe der nach Satz 2 zu erlassenden Verordnung schrittweise technisch so, dass sie von behinderten Menschen grundsätzlich uneingeschränkt genutzt werden können“ zu gestalten. Ab dem Jahre 2005 sollen alle Behörden und Organisationen nur noch barrierefreie Internetseiten anbieten.[44] Barrierefrei bedeutet jedoch nicht nur, dass auch körperlich beeinträchtige Menschen Zugriff auf das Angebot im Internet haben sollten, sondern dass man Internetseiten so aufbereitet, dass sie von verschiedenen Betriebssystemen, Browsern und Anwendungen richtig interpretiert werden und somit möglichst vielen Benutzern der Zugang ermöglicht wird. Dadurch, dass jedoch nicht alle Entwickler von Software-Umgebungen sich an die gültigen Standards halten, wird eine vollkommene Barrierefreiheit nicht gewährleistet. Es ist jedoch darauf zu achten, dass trotz aller technischen Hürden das Internet-Angebot so barrierearm wie möglich gestaltet wird. 6.1 Der Einsatz von CSS Da Internet-Benutzer jeweils verschiedene Betriebssysteme und Browser benutzen, ist es ratsam, Inhalt und Design zu trennen. Textanwendungen werden von jedem Browser gleich interpretiert, da man nicht mehr als einen Texteditor benötigt, um den Inhalt sichtbar zu machen. Beim Design hingegen ist es [44] vgl. hierzu http://www.tu-darmstadt.de/hrz/www/barrierefreiheit.tud (27.07.06) Barrierefreie Internet 35 schwieriger, denn obwohl der W3C[45] Standards für die Erstellung von Webseiten festgelegt hat, halten sich nicht alle Browser auch daran. Eine elegante Lösung Inhalt und Design zu trennen bieten Cascading Style Sheets (CSS). In ihnen können alle notwendigen Textformatierungen und Abschnitte einzeln definiert und angesteuert werden. Diese können dann bei Bedarf ausgelagert werden und über einen einzelnen Link-Befehl in die jeweilige Webseite eingebunden werden. Dadurch werden Webseiten schmal gehalten, was die Ladezeiten erheblich verringert, wenn man bedenkt, dass es immer noch viele Menschen gibt, die mit einer 56k-Modem-Verbindung online gehen. Ein weiterer Vorteil ist, dass man so genannte Container definieren kann, die eine Navigationsleiste, den Titel und den Hauptteil der Seite sauber trennen und an Frame-Strukturen erinnern. Während Frame-Strukturen die Probleme nach sich ziehen, dass sie von Blinden-Browser (wie z.B. Lynx) nicht richtig interpretiert werden können, da diese aus mindestens zwei verschiedenen Einzelteilen in Form von unabhängigen Internetseiten bestehen, besteht die Definition über CSS nicht aus mehreren, sondern aus einer einzigen Webseite. So kann es bei FrameStrukturen passieren, dass zwar über das Menüverzeichnis der entsprechende Link einer Änderung der Seite im Hauptteil aufweist, jedoch das Menüverzeichnis für Lynx aktiv bleibt und so die Informationen für Blinde versperrt bleiben. Eine weitere Möglichkeit Internetseiten aufzubauen, ist über den Einsatz von unsichtbaren Tabellen. Diese bergen jedoch viele Nachteile wenn es darum geht, barrierefreie Seiten zu erstellen. Zum einen werden die Seiten sehr groß, da jeder Abschnitt über eine Tabelle definiert werden muss. Zum anderen ist „jede als Gestaltungselement eingesetzte Tabelle von oben links nach unten rechts zu lesen. Wenn die Aufteilung nur hübsch aussehen soll, geht beim Lesen oben links nach und unten rechts nämlich meist jeder Zusammenhang flöten – vor allem dann, wenn leere Spalten und Zeilen zur Gestaltung und Abstandshalter benutzt werden“.[46] Aus diesem Grund haben wir uns entschieden, CSS für den Aufbau der Lernplattform AVIMEC zu verwenden. Aber nicht nur Textformatierungen sind für die Erstellung von barrierefreien Internetseiten zu beachten. In den nächsten [45] Das W3C ist das World Wide Web Consortium, welches die Definitionen für Webseiten bei Anwendung der HTML- und CSS-Programmierung u.a. festlegt. [46] Internet Magazin 6/06 Artikel “Barrierefreie Webseiten“,]S.33 Barrierefreie Internet 36 Unterkapiteln wird auf einige weitere wichtige Regeln eingegangen, allerdings ohne den Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. 6.2 Farben Neben den technischen Vorraussetzungen, denen hier Sorge getragen werden muss, ist auch die Farbgebung von entscheidender Rolle. Während Blinde gar keine Farben erkennen können, gibt es auch viele, die nur über eine eingeschränkte Farbwahrnehmung verfügen. So gibt es u.a. die Rotblindheit, die Rot-Grün-Blindheit und die Blau-Gelb-Blindheit. Bei diesen Formen der Blindheit erkennt man zwar die einzelnen Farben, jedoch bedarf es eines Farbkontrastes. So sind Kombinationen von roten und grünen Farbbereichen zu vermeiden, da die Übergänge im Fall von Rot-Grün-Blindheit nicht zu erkennen sind, im schlimmsten Fall überlagern sich diese, und der Text als solcher kann nicht mehr erkannt werden. Bei der Wahl von Farbkontrasten empfiehlt es sich jeweils Komplementärfarben zu verwenden oder einen genügend großen Farbunterschied zu wählen. Wir haben für die Gestaltung von AVIMEC einen blauen und weißen Hintergrund gewählt. Um einen genügend großen Kontrast zu erhalten sind die Texte in schwarz, noch nicht besuchte Links in blau und besuchte Links in rot dargestellt. Über die Software der AIS-Web Accessibility Toolbar[47] ist der Farb- und der Helligkeitskontrast von AVIMEC getestet worden. Der gewählte Farbkontrast liegt dabei im sog. „grünen Bereich“ für die oben erwähnten Störungen des Sehapparates. 6.3 Relative Größen Ein einheitliches Design für möglichst viele Benutzer zu erstellen ist nur möglich, wenn man relative Größen verwendet. Die Bezeichnung relative Größen bedeutet, dass man den Seiteninhalt prozentual auf das geöffnete Fenster definiert und nicht absolut in Pixel, Zentimeter oder Inches. Die Optimierung auf eine bestimmte Bildschirmauflösung grenzt hingegen die Benutzerfreundlichkeit auf einen kleinen Kreis ein. [47] Unter http://www.webforall.info/html/deutsch/aistoolbar.php ist die AIS- Web Accessibility Toolbar zu beziehen. Barrierefreie Internet 37 Viele Browser bieten dem Benutzer über den Reiter „Einstellungen“ an, unterschiedliche Schriftgrößen für die verschiedenen Schriftarten zu wählen. Daher sollte man auch bei der Definition der Schriftart darauf achten, dass man entweder eine prozentuale Angabe macht oder verschiedene Szenarien ausprobiert. Bei der Auswahl der Schrift sollte man darauf achten, dass man Schriftarten verwendet, die bereits vorinstalliert sind. Um auch andere Betriebssysteme abzudecken, empfiehlt es sich in der CSS-Datei mehrere Schriften einzufügen wie z.B. Arial für Windows, Verdana für Unix-Systeme und Helvetica für Mac. Bei diesen Schriftarten handelt es sich um Fonts ohne Serifen. Sollten alle diese Schriftarten nicht verfügbar sein, kann man im Anschluss noch ein „sans-serif“ einbauen, um eine Schriftart anzuzeigen, die keine Serifen enthält. Ein Beispiel wie das Ganze aussehen kann ist im folgenden Quellcode gezeigt: font-family:Arial,Verdana,Helvetica,sans-serif; Wie man anhand des Quelltextes sehen kann, ist es mit CSS relativ einfach, verschiedene Betriebssysteme abzudecken. Für das Ausdrucken von Dokumenten empfiehlt es sich Schriftarten mit Serifen zu wählen. Diese lassen sich einfacher lesen als solche ohne. Für die Bildschirm-Version ist das Verwenden von serifenlosen Schriftarten geeigneter.[48] 6.4 Audio Audioelemente lassen sich in drei Kategorien unterscheiden: Die Sprache, den Soundeffekten und die Musik. Die gesprochene Sprache lässt sich zur Übermittlung von konkreten Informationen einsetzen, zum Ersetzen eines Textes und zum Lenken der Aufmerksamkeit auf einen bestimmten Bereich der Webseite. Diese kann sowohl unterstützend als auch störend wirken. So sind Erläuterungen in Videosequenzen hilfreich, wenn es darum geht, die Aufmerksamkeit gezielt auf eine Reaktion zu lenken. Dabei ist darauf zu achten, dass die gesprochene Sprache nicht der geschriebenen entspricht. Die wichtigsten Punkte sollten zusammengefasst werden, so dass die Aufmerksamkeit des Zuhörers nicht überstrapaziert wird. Bei zu langen oder komplexen Textstrukturen [48] Über weitere typographische Aspekte für den Aufbau von Websites ist auf S.174 -176 im Kompendium E-Learning (2004) hingewiesen. Barrierefreie Internet 38 muss dieser sich nämlich zu sehr auf die akustische Wahrnehmung konzentrieren, so dass wichtige visuelle Effekte verloren gehen. Auch der Einsatz von Musik kann fördernd wirken, sofern er mit den vermittelnden Themen im Einklang steht. So kann eine Unterrichtseinheit „Länder dieser Erde“ zum Thema „Australien“ über Didgeridoo-Klänge eingeleitet werden.[49] Damit werden Informationen über die unterschiedliche Musik in den verschiedenen Ländern unbewusst kennengelernt und zugeordnet. Mit Soundeffekte kann man Spannung aufbauen und das Interesse der Lerner fördern. Allgemein sollte man jedoch darauf achten, dass man die Seiten nicht überlädt nach dem Prinzip „viel hilft viel“, sondern sparsam mit Audio-Signalen umgeht. Im Sinne des barrierefreien Internet sollte man jede Audio-Anwendungen für Hörgeschädigte zugänglich machen. Dies kann erfolgen, indem man die entsprechende Audio-Ausgabe als Textanwendung hinterlegt, in Videos Gebärdensprache oder Untertitel einfügt. In diesem Projekt haben wir uns entschieden auf Sprache gänzlich zu verzichten. Dies hat mehrere Gründe: Da wir erwarten, dass unser Projekt in der normalen Schulzeit stattfindet, kann es mehr als hinderlich beim Lernen sein, wenn auf verschiedenen Rechner Audiodateien als Rauschen wahrgenommen werden. Da die Unterrichtseinheiten über den gegebenen Text erläutert werden, sollten daher auch die Videos ohne erklärende Audioausgabe verständlich sein. Ein weiterer Grund auf Sprachausgabe zu verzichten, ist die Tatsache, dass „ein schlechter Sprecher den Gesamteindruck eines Lernprogramms stark beeinträchtigen kann“.[50] Da wir weder über die professionelle Sprachausbildung noch der Ausstattung verfügen, ist der Verzicht zum Einsatz von gesprochener Sprache die logische Konsequenz. Wir sind uns bewusst, dass wir dadurch, die uns gestellte Aufgabe einschränken da das A in AVIMEC für Audio steht. Aber aus den hier genannten didaktischen und psychologischen Gründen scheint es uns folgerichtig darauf zu verzichten und dem Buchstaben A, für die Animationen der Enzyme über das Chime-Plugin zu reservieren. [49] [50] vgl. Kapitel 8 „Didaktische Gestaltung von Audio“ Kompendium E-Learning (2004) Kompendium E-Learning (2004), S. 131 Barrierefreie Internet 6.5 39 Bilder und Animationen Eine rein textbasierte Lernumgebung ist nicht sinnvoll. Durch längere Textpassagen, vor allem dann, wenn man diese am Bildschirm liest, strengen nicht nur die Augen an, sondern wirken trostlos und senken die Motivation der Schüler. Bilder können sinnvoll eingesetzt „mehr als Tausend Worte sagen“, während sie als Dekoration störend wirken. Bilder können Fotos, Diagramme oder kleine Graphiken wie z.B. Buttons sein. Dabei liegt es besonders an der Person die die Bilder erstellt, was sie dem Betrachter zeigen möchte. Bei Photographien oder bei Graphiken mit vielen Details sollte man das jpeg-Format verwenden, Abbildungen mit relativ wenigen Informationen hingegen gif-Formate. Das sind nach dem W3C die einzigen Bildformate, die zum Standard gehören. Bevor die Bilder in Webseiten eingebunden werden, sollten diese mit Bildbearbeitungsprogrammen überarbeitet und für Internetseiten optimiert werden. Meistens kann man dabei die Größe um bis zu 80% verringern, was wiederum eine kürzere Ladezeit zur Folge hat und dadurch benutzerfreundlich wird. Der Einsatz von Animationen kann, wie bei Bildern, den Lernvorgang unterstützen oder stören. Das Wort Animation leitet sich „ethymologisch vom lateinischen „anima“ ab, das so viel wie Lufthauch, Atem oder auch Seele bedeutet“.[51] Animationen können durch das Hintereinanderreihen von Bildern erzeugt werden. Sie können bei Verfahrensfließbildern aus der chemischen Technologie dazu verwandt werden, um die Produktion in einzelnen Teilschritten mitverfolgen zu können. Um den Zugang auch körperlich beeinträchtigten Menschen zu ermöglichen, sollten sowohl Bilder als auch Animationen mit Alternativtexten versehen werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Erklärungen so viele Details enthalten, dass man auch ohne das Bild zu sehen sich vorstellen kann, was abgebildet ist. [51] Kompendium E-Learning (2004), S.135 Barrierefreie Internet 6.6 40 Video Der Einsatz von Videos ist besonders in naturwissenschaftlichen Fächern sinnvoll. Anhand von Videosequenzen können Versuche eindrucksvoll gezeigt werden, was eine reine Text- oder ein Text-/Bilddarstellung nicht vermag. Neben dem eigentlichen Versuchsergebnis, kann auch die Handhabung mit Reagenzien und Versuchsapparaturen erlernt werden. „Bereits vor der Erfindung der Videotechnik hatten Filme einen festen Platz in der Mediendidaktik: Saettler (1990) datiert den ersten „Bildungsfilm“ auf 1902. Bis heute sind (Video-)Filme in der Schule nach Tafel und OH-Projektor [Overhead] das meist verwendete Medium“.[52] Daher bieten Videos, sei es als VHS-Kassette, DVD oder als Videostream im Internet eine gute Möglichkeit Neues mit Alten zu verbinden. Der Einstieg von ELearning-Einheiten wird somit erleichtert und wirkt sich auch auf die Motivation der Schüler positiv aus. Videos haben lediglich den Nachteil, dass sie meistens sehr groß sind und dadurch viel Speicherplatz benötigen. Durch die schnelle Entwicklung der Technologien gibt es jedoch die Möglichkeiten, Videos in vielen Formaten in unterschiedlichen Qualitäten abzuspeichern oder auf Internetplattformen anzubieten. So wird es auch 56k- Modem-Benutzern möglich, Filme zwar unter Qualitätseinbußen, dennoch mit den ihnen möglichen Mitteln zu betrachten, ohne dass ihr System für mehrere Stunden ausgelastet ist. In AVIMEC werden jeweils drei verschiedene Qualitäten an Videoformaten angeboten: dem mpeg2-, dem mpeg1- und dem rm-Format. Letzteres sind Dateien in der Größe von 1-3 MB, die somit auch die schlechteste Qualität aufweisen. Das mpeg1-Format hat eine Bildgröße 352 x 240 Pixel und eignet sich besonders zum Anschauen auf dem Bildschirm, da es noch genügend Platz bietet nebenbei die Webseite offen zu halten. Das mpeg2-Format hat die beste Qualität von allen drei Formaten und hat eine Bildgröße von 720 x 576. Dadurch sind diese Dateien auch relativ groß (zwischen 80-150 MB) und eignen sich zum Betrachten über einen Beamer auf der Leinwand. Bei jedem Video sollte jedoch bedacht werden, vor allem wenn es sich um Stummfilme handelt, dass ein Transkript für Blinde zur Verfügung steht. Unter einem Transkript ist die schriftliche Beschreibung des Videos zu verstehen. Blinde sollen mit Hilfe des Transkriptes in der Lage sein, den Videofilm [52] Kompendium E-Learning (2004), S.147 Barrierefreie Internet 41 nachvollziehen zu können, auch wenn sie die Bildebene aufgrund ihrer körperlichen Einschränkung nicht erfassen können. Aufbau der interaktiven Webseite 7 41 Aufbau der interaktiven Webseite Der Aufbau der von uns interaktiven Webseite richtet sich an der Aufgabenstellung, den Ergebnissen der Fragebogenauswertung und den Vorgaben an das wenn doch nicht komplett barrierefreien doch wenigstens barrierearmen Internet. 7.1 Gestaltung der Webseite Die Gestaltung der Webseite ist in fünf CSS-Containern realisiert worden. Unter einem Container ist ein Teilbereich der Webseite zu verstehen, die für den Titel, der Menüleiste oder den Hauptteil reserviert werden kann. Die nachfolgende Abbildung soll darstellen, wo sich die einzelnen Container befinden. BILD EINFÜGEN 7.2 Aufbau der Unterrichtseinheiten *noch zu bearbeiten* 7.3 Aufbau des E-Teaching –Bereiches *noch zu bearbeiten* 7.4 Interaktivität Interaktionen sind aus der sozialwissenschaftlichen Perspektive das wechselseitigen Einwirken von zwei Subjekten. Bei jeder Aktion des einen Subjektes folgt wiederum die Reaktion des Anderen. So sind in der Schule Interaktionen zwischen Schülern und Lehrern sowie zwischen Schülern und Schülern notwendig, um lernen zu können. Bei E-Learning-Anwendungen ist das zweite Subjekt meist das Lernprogramm, bzw. der Computer. Nicht selten, werden Computer von Lernern personifiziert und man arbeitet lieber mit Lernprogrammen, die einen positiv verstärken und durch Lernkontrollen helfen, das Lernende zu behalten, als mit Lernumgebungen, die gänzlich ohne Rückmeldung auskommen. Aufbau der interaktiven Webseite 42 Nachdem nun geklärt worden ist, was man unter Interaktion versteht, wollen wir uns näher mit dem Begriff der Interaktivität beschäftigen. „Interaktivität bezeichnet das Ausmaß, in dem eine Lernumgebung Interaktionen ermöglicht und fördert“.[53] Dies kann auf vielschichtige Weise geschehen. Interaktivität gliedert sich in mehrere Punkte bezogen auf Multimedia-Anwendungen: Diese können Interaktionen enthalten, die Lernprozesse regulieren, die motivationsfördernd sind, die Informationen liefern sowie das Verstehen, Behalten und den Transfer fördern (Abb. 14). Abb. 20: Mindmap „Multimediabezogenes Instruktionsdesign“.54] Wie viel Interaktivität bietet jetzt AVIMEC? AVIMEC bietet die Möglichkeit, Erfolgskontrollen durchzuführen, die das Behalten der jeweiligen Unterrichtseinheiten fördern sollen. Dabei werden hier, sofern es die technischen Vorraussetzungen zulassen, bei richtigen sowie bei falschen Antworten, motivationsfördernde Rückmeldungen an den Lernenden zurückgegeben. Über Hilfstexte, kann sich der Lernende dabei auch Hinweise geben lassen, wie er die [53] [54] Kompendium E-Learning (2004), S.109 Kompendium E-Learning (2004), S. 61 Aufbau der interaktiven Webseite 43 Aufgabe zu lösen hat bzw. wo er die Antwort finden könnte. Zum anderen bietet AVIMEC verstehen fördernde Interaktionen, indem es dem Benutzer Animationen von Enzymstrukturen anbietet. Diese Enzymstrukturen kann dieser dann aus jeder Position betrachten und sich verschiedenfarbig anzeigen lassen. So ist es zum Beispiel sehr hilfreich, wenn man sich das aktive Zentrum eines Enzyms anzeigen lässt, so dass der Benutzer sehen kann, dass die eigentliche Reaktion nur in einen sehr kleinen Teil des Makromoleküls stattfindet. Alle weiteren Interaktionen, die AVIMEC bieten kann, hängen von dem Einsatz der Lernumgebung ab. Da diese ja auch im „normalen“ Unterricht implementiert werden kann, in Form von Versuchen, Gruppenarbeiten, Demonstrationen u.ä., würde eine weitere Erklärung in Bezug zur Interaktivität von AVIMEC zu weit führen. Daher ist hier lediglich der Einsatz von Interaktivität am Rechner beschränkt worden. 7.5 Einsatz von Hot Potatoes Hot Potatoes ist wie im Kapitel 3.2 beschrieben ein Autorenprogramm zum Anfertigen von Erfolgskontrollen. Das Programm bietet dabei eine Fülle von Rätselarten. Man kann bei der Erstellung solcher Abfrage–Einheiten zwischen JCloze, JMatch, JQuiz, JCross und JMix wählen. Diese Namen beziehen sich auf verschiedene Ausführungsformen der Abfragemöglichkeiten in Form von Kreuzworträtseln über Multiple-Aufgaben und Lückentexten. Im Nachfolgenden sollen die zur Verfügung stehenden Optionen kurz erläutert werden. Für eine detaillierte Erklärung zur Verwendung von Hot Potatoes und ihrer vielfältigen Optionen kann die Hilfedatei im zip-Format oder als Printversion unter http://www.hotpotatoes.de/html/tutorial.html (30.07.06) bezogen werden. 7.5.1 JCloze JCloze hilft bei der Erstellung von Lückentexten. Dabei hat man zwei Möglichkeiten. Einerseits kann man einen vorhandenen Text in das entsprechende Fenster kopieren und die Lücken, die die Schüler ergänzen sollen, manuell eingeben. Andererseits bietet das Autorenprogramm an, selbstständig Lücken im Text zu setzen. Dabei erfolgt eine Abfrage nach der Anzahl der Lücken, die Aufbau der interaktiven Webseite 44 gesetzt werden sollen. Diese Angabe muss eine endliche Zahl sein und ist begrenzt auf eine maximale Angabe in Bezug auf die Textgröße. Die automatisch oder manuell erstellten Lücken werden dann von JCloze rot markiert und unterstrichen dargestellt. Durch das Klicken auf die einzelnen Wörter können Hilfestellungen zu den gesuchten Begriffen sowie Alternativantworten hinzufügt werden. In jeder Form von Hot Potatoes lassen sich anschließend die erstellten Übungen als Webseite oder als Druckversion exportieren. Dabei kann man ohne Kenntnisse von Html und JavaScript das Aussehen der Seite variieren, indem man die Farbwahl oder das Einfügen von Graphiken über die WYSIWYGOberfläche[55] verwendet. 7.5.2 JMatch JMatch ist eine Rätselart, indem man geordnete und ungeordnete Elemente vordefinieren kann. Dabei kann man beispielsweise die Abläufe für einen Versuch schrittweise abfragen, in dem als geordnete Elemente die Begriffe „erstens“, „zweitens“, „drittens“ bis letztendlich „zum Schluss“ gewählt werden und bei den ungeordneten eine Auswahl von Labortätigkeiten wie z.B. Durchlesen der Versuchsvorschrift, Chemikalien beschaffen, Versuchsapparatur aufbauen, Entsorgung der Chemikalien usw. vorgibt. Es gibt hier drei Ausgabeformate für Webseiten im Vergleich zu JCloze. Man kann die Standardausgabe, die Drag & Drop-Version oder die Karteikarten-Form auswählen. 7.5.3 JQuiz Mit Hilfe von JQuiz lassen sich Multiple-Choice-Fragen erstellen. Dabei ist es möglich, leichte Erfolgskontrollen mit nur einer richtigen Lösung oder schwierigere mit mehreren richtigen Lösungen anzufertigen. Hinter jeder Lösung die man angibt, kann man einen Begleittext schreiben, der bei der Auswahl und nachträglichen Überprüfung ausgegeben wird. Diese Texte können Hilfestellungen sein, wenn die Aufgabe falsch oder Bestätigungen in Form von Lob, wenn die Aufgabe richtig gelöst wurde. [55] What you see is what you get (WYSIWYG) sind Programme, die durch Drag & DropVerfahren das Erstellen von Webseiten, Programmen u.ä. erlauben. Hierbei sind keine Programmierkenntnisse vonnöten. Eine bekannte WYSIWYG-Anwendung ist Frontpage. Aufbau der interaktiven Webseite 45 7.5.4 JCross Eine altbewährte Rätselart bietet JCross an. Hier kann man in waagerechten und senkrechten Form Begriffe suchen lassen. Zu jedem Begriff den man wählt, befindet sich die Aufgabenstellung, die immer dann erscheint, wenn man das jeweilige Kästchen klickt. JCross bietet dem Benutzer erst die Möglichkeit die Kästchen auszufüllen ohne darauf zu achten, ob die Lösungen richtig oder falsch sind. Dies wird erst dann überprüft, wenn man den entsprechenden Button drückt. Es existiert weiterhin auch ein Button, der als Hilfefunktion benutzt werden kann. So kann man sich einen Buchstaben nach dem anderen, zum gesuchten Wort anzeigen lassen, bekommt aber dabei prozentual Abzüge in der Auswertung der richtig gegebenen Antworten. 7.5.5 JMix Mit JMix kann man Schüttelsätze bilden. Dabei bedarf es der Angabe der einzelnen Worte die im Satz enthalten sein sollen, sowie den fertigen Sätzen. Es können mehrere Alternativen angegeben werden. Weiterhin hat man die Möglichkeit unvollständige Sätze zuzulassen oder eine Warnung bei Unvollständigkeit auszugeben. Mit JMix lassen sich vergleichbar wie mit JMatch Drag & Drop Webseiten exportieren. 7.6 Einsatz von Rasmol und Chime RASMOL ist ein Programm, welches unter Windows, Mac OS und auch unter Linux/UNIX-Systemen läuft. Es ermöglicht die interaktive Betrachtung von Biomolekülen. Gegenüber von Bildern und Modellen hat es den Vorteil, dass man die Darstellungsform variieren kann, außerdem ist es möglich, stufenlos in die Struktur hinein oder heraus zu zoomen. Die Ansicht kann zwischen wireframe (einfaches Gittermodell), ball & stick und sogar der Tertiärstruktur-Ansicht gewechselt werden. CHIME bietet zum Großteil die gleichen Funktionen wie RASMOL, mit einem entscheidenden Unterschied. Bei RASMOL handelt es sich um ein eigenständiges Programm, wohingegen CHIME ein Plugin für die meisten gängigen Browser ist. Ein entscheidender Nachteil von CHIME ist, dass es nicht für alle Systeme zur Verfügung steht. Bis zum heutigen Tag hat sich die Firma MDL nicht bereit Aufbau der interaktiven Webseite 46 erklärt das Plugin für UNIX/Linux-Systeme umzusetzen. Dies schränkt die Barrierefreiheit einiger Seiten, im Rahmen dieses Projektes leider etwas ein. Allerdings ist RASMOL für alle gängigen Systeme zu erhalten und die Datensätze der verwandten Enzyme sind frei verfügbar, so dass Linux-User auf eine websiteexterne Betrachtung mit RASMOL zurückgreifen können. Hierbei fallen leider die vordefinierten Makros weg, die auf der Seite für die verschiedenen Ansichten definiert wurden. Der Nutzer muss sich folglich ein wenig in die einfachen Befehle von RASMOL einarbeiten, was durch die Einführungsseite für RASMOL innerhalb dieses Projekts erleichtert werden soll. Dies ist zwar nicht unbedingt eine Lösung, die wir uns gewünscht haben, aber wir halten sie für vertretbar, da der Einsatz von CHIME auf einige, wenige Seiten des ganzen Projekts begrenzt bleibt. Ein weiterer Nachteil des Einsatzes von CHIME/RASMOL ist es, dass nur Datensätze von Molekülen verwandt werden können. Dazu muss ein Molekül schon einmal untersucht und die Daten entsprechend aufbereitet worden sein. Bei mehreren Moleküldatensätzen, stellt man schnell fest, dass Strukturen wie AlphaHelices oder Beta-Faltblätter nicht definiert wurden, also über das Programm auch nicht angezeigt werden können. Weiterhin muss für das CHIME/Plugin eine feste Größe (Beispielsweise 200x200 Pixel) in der Website definiert werden, wodurch die Barrierefreiheit in Bezug auf die Auflösung ein wenig eingeschränkt wird. Zwar wird auch auf den Niedrigen Auflösungen wie 640x480 Pixel das Plugin korrekt wiedergegeben, doch durch den großen Platz, den es fix beansprucht, kann die Seite nicht im proportionalen Verhältnis verkleinert werden und sieht etwas seltsam aus. Da aber, wie schon einmal erwähnt, der Einsatz auf wenige Seiten beschränkt bleibt und eine Auflösung von 640x480 Pixel bei den neueren Betriebssystemen nicht mehr zum Standard gehört, ja oft nicht einmal mehr angeboten wird, ist auch dies vertretbar. Trotz der aufgezählten Nachteile halten wir den Einsatz von RASMOL/CHIME für gut. Die Möglichkeiten sich verschiedene Modelle direkt hintereinander anzeigen zu lassen, Farbschemata zu wechseln und schlicht und einfach mit der Ansicht ein wenig herumzuspielen überwiegen die Nachteile, die eingeschränkte Aufbau der interaktiven Webseite 47 Betrachtungsweise von Bildern (die meist sogar noch ein Copyright besitzen und nicht für dieses Projekt verwandt werden können) und die Kosten für die Anschaffung von Modellen. Die verwendeten Moleküle auf den CHIME-Seiten dieses Projekts sollen dem Nutzer ermöglichen, sich ein Bild von den Molekülen zu machen, von denen die der Stoff handelt. Um die aktiven Zentren oder andere spezielle Einzelheiten der einzelnen Enzyme zu betrachten, währe einiges an Nachforschungen, Einstellungen und Definitionen nötig da die Zentren nicht direkt angesprochen werden können, weil sie in den meisten Fällen auch nicht gesondert in den Datensätzen vermerkt wurden. Dies würde jedoch den Rahmen dieser Staatsexamensarbeit sprengen. Es ist folglich nicht das Ziel der CHIMEDarstellungen dem Nutzer jedes Detail vorzuführen, sondern sie sollen einfach eine Übersicht über die Formenvielfalt, Größenvariationen und verschiedenen Gruppen geben, die in Enzymen Entfaltung finden. Aufbau der interaktiven Webseite 48 7.8 Möglicher Durchlauf durch eine Unterrichtseinheit Im Folgenden wird eine Teildarstellung einer Unterrichtseinheit auf der AVIMEC-Website gezeigt. I. Problemstellung: Spezifität von Enzymen Der Schüler soll erkennen, dass Enzyme nicht wahllos katalysieren. Abbildung 21: Darstellung auf der Website II. Es gibt drei verschiedene Beispiele der Spezifität von Enzymen. Auf sie kann in beliebiger Reihenfolge direkt zugegriffen werden. Beispiel 1 zeigt die Substratspezifität der Urease. Der Schüler soll erkennen, dass ein einziges Atom im Molekül entscheidend sein kann, ob der Stoff für den Ablauf der Reaktion geeignet ist oder nicht. Abbildung 22: Ausschnitt aus der Websitedarstellung II.a Im Anschluss an dieses Beispiel kann sich der Schüler das zugehörige Experiment im Film ansehen. Aufbau der interaktiven Webseite II.b 49 Im Sinne einer Generalisierung dieses Elements kann ein Beispiel aus Industrie oder das Vorkommen in der Natur gezeigt werden, wobei sich hier der Stickstoffkreislauf anbietet. Fazit: Der Aufbau der Seite ermöglicht dem Schüler nach Darstellung des Problems der Unterrichtseinheit sein Weiterlernen selbst zu bestimmen in dem er beliebig eines der Beispiele anwählt, und er dann die Möglichkeit hat, sein Wissen durch weitere Angebote zu vertiefen. So wie die Einheit Spezifität aufgebaut ist, so auch alle andern. Untereinander besteht kein zwingender, linearer Zusammenhang und der Benutzer kann aus dem Hauptmenü jede beliebige Einheit aufrufen. Sinnvoll ist allerdings das Durcharbeiten des Menüs in der gegebenen Reihenfolge. Es besteht keine Notwendigkeit curriculare Strukturen einzubringen. Überprüfungen sind implementiert, aber freiwillig. Der Unterrichtende hat die Möglichkeit sich über den Lehrstoff zu informieren. Er kann alle Einheiten übernehmen, in seinen Unterricht einbauen und ergänzen. Er hat die Möglichkeit den Unterrichtsstoff zu überprüfen und den Schüler je nach festgestelltem Wissensstand an einzelne Module zu verweisen. Es folgt nun in einzelnen Bildschirmausschnitten die Übersicht über die Einheit „Spezifität“. Aufbau der interaktiven Webseite 50 Aufbau der interaktiven Webseite 51 Aufbau der interaktiven Webseite 52 Aufbau der interaktiven Webseite 53 Aufbau der interaktiven Webseite 54 Aufbau der interaktiven Webseite 55 Aufbau der interaktiven Webseite 56 Aufbau der interaktiven Webseite 7.9 Rundgang durch AVIMEC *noch zu bearbeiten* 57 Literaturverzeichnis 8 Literaturverzeichnis 8.1 Primärliteratur: 46 K. Buchholz, V. Kache: Biokatalysatoren und Enzymtechnologie, Wiley-VCH, Weinheim 1997. Bernhard R. Glick / Jack J. Pasternak: Molekulare Biotechnologie, Spektrum Akademischer Verlag, Berlin/ Heidelberg/ Oxford, 1995. Carola Heine: Barrierefreie Webseiten, Artikel S. 32-34 , Internet Magazin, Ausgabe 6/06. Günter E. Jeromin, Martin Bertau: Bioorganikum, Praktikum der Biokatalyse, Wiley-VCH, Weinheim 2005. Helmut M. Niegemann et al. : Kompendium E-Learning, Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, 2004. D. Perlman: Annual Reports of Fermentation Processes Volume 1, Academic Press INC 1977. Josef W. Seifert: Visualisieren Präsentieren Moderieren, 21. erweiterte Auflage, Gabal Verlag GmbH, Offenbach, 2001. Literaturverzeichnis 8.2 47 Sekundärliteratur: Neil.A. Campbell: Biologie, Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, 1997. Gilly Salmon: E-tivities. Der Schlüssel zu aktivem Online-Lernen, Orell Füssli, STADT, 2004. Lubert Stryer: Biochemie, Spektrum-der-Wissenschaft-Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg 1990. D. Voet, J. G. Voet, C. W. Pratt: Lehrbuch der Biochemie, Wiley-VCH, Weinheim 2002. H. Uhlig: Enzyme arbeiten für uns, Carl Hanser Verlag 1991. Niels Birbaumer: Psychologie-Enzyklopädie in 4 Bänden: Enzyklopädie der Psychologie, Bd.2, Psychologie des Lernens und der Instruktion, Hogrefe-Verlag 1996. Literaturverzeichnis 8.3 48 Links Rahmenlehrplan Biologielaborant/in: http://www.kmk.org/beruf/rlpl/rlpbilab.pdf Rahmenlehrplan Chemielaborant/in: http://www.kmk.org/beruf/rlpl/rlpchlab.pdf Rahmenlehrplan Chemikant: http://www.kmk.org/beruf/rlpl/rlpchemikant.pdf Lehrplan Chemie für Gymnasien des Landes Hessen : http://lernarchiv.bildung.hessen.de/archiv/lehrplaene/gymnasium/chemie Lehrplan Biologie für Gymnasien des Landes Hessen: http://lernarchiv.bildung.hessen.de/archiv/lehrplaene/gymnasium/biologie EU.L.E.N-Spiegel (Netzzeitug des europäischen Instituts für Lebensmittel- und Ernährungswissenschaften): http://www.das-eule.de/ D. Euler, S. Seufert, K. Wilbers: http://www.scil.ch/publications/docs/2004-euler-seufert-wilbers-elearningberufsbildung.pdf Anhang 47 9 Anhang 9.1 Fragebögen zur Bedarfsermittlung 9.1.1 Fragebogen für Schüler zum Thema E-Learning Erhebung einer Studie über E-Learning Persönliche Daten 1. In welcher Klasse bzw. Ausbildung befinden Sie sich? Chemielaboranten Biologielaboranten Chemikanten Jungarbeiter Produktionsfachkraft der Chemie FOS : ________(Richtung) andere und zwar: _________________ 2. Wie alt sind Sie? 11 - 14 15 - 17 Jahre 18 – 20 21 - 23 23 + 3. Sie sind: männlich weiblich Erfahrungsbereich 4. Wenn Sie sich auf den Unterricht (Klassenarbeiten) vorbereiten, verwenden Sie überwiegend: ( Mehrfachnennungen möglich ) Schulbücher, Arbeitsblätter Gespräche mit Schulfreunden Internet Unterrichtsunterlagen andere, und zwar: _______________ 5. Wenn Sie das Internet verwenden, was benutzen Sie regelmäßig? Suchmaschinen wie z.B. Google, Yahoo! , Firebird etc. Informationen aus Internetlexika (z.B. Wikipedia) , Universitäten u.a. kleine Programme zum Thema (Applets, Flashanimationen) vorgefertigte Präsentationen oder Folien Anhang 48 Arbeitsblätter, Versuchsvorschriften, Tests usw. andere , und zwar : _______________ 6. Haben Sie schon einmal mit e - Learning Software/Website gearbeitet? ja nein 7. Wenn ja, mit welcher Software bzw. welche Website haben Sie gearbeitet? (Wenn nein, dann weiter mit Frage 10) _______________________________ 8. Welche Erfahrung haben Sie mit der e - Learning Software/Website gemacht? sehr positiv sehr negativ 9. Würden Sie (auch) in Zukunft e - Learning für Ihre Unterrichtsvorbereitung (Klassenarbeiten) verwenden? ja nein Erwartungsbereich 10. Welche Erwartungen muss e - Learning Software gerecht werden? (Maximal 3 Kreuze) leichte Bedienbarkeit Arbeitsblätter Interaktive Lerneinheiten Ein Forum zum Gedankenaustausch vorzufinden Videos zu den verschiedenen Themen Sie muss auch offline verfügbar sein Sie sollte kostenlos sein andere, und zwar: ____________________ 11. Wie wichtig ist Ihnen dabei eine leichte Bedienbarkeit? sehr wichtig unwichtig unwichtig 12. Wie wichtig ist Ihnen Arbeitsblätter vorzufinden? sehr wichtig 13. Wie wichtig ist Ihnen interaktive Lerneinheiten vorzufinden? sehr wichtig unwichtig Anhang 49 14. Wie wichtig ist Ihnen ein Forum zum Gedankenaustausch vorzufinden? sehr wichtig unwichtig 15. Wie wichtig ist Ihnen, dass die e - Learning Software offline zur Verfügung steht? sehr wichtig unwichtig 16. Wie wichtig ist es Ihnen, viel für diese e - Learning Software zu zahlen? sehr wichtig unwichtig 17. Teilen Sie uns bitte mit in welchem Themengebiet sie sich vorstellen können, e – Learning Software zu verwenden: _______________________________ 18. Hier haben sie die Möglichkeit uns noch etwas mitzuteilen: ______________________________________________ ______________________________________________ ______________________________________________ Anhang 50 9.1.2 Fragebogen für Lehrer zum Thema E-Teaching Erhebung einer Studie über E-Teaching Persönliche Daten 1. In welchem Bereich sind sie beschäftig? LehrerIn an beruflichen Schulen zurzeit StudentIn LaB LaG 2. Wie lauten Ihre Fächerkombinationen? Chemie Biologie Physik Mathematik andere , und zwar: Geschichte Deutsch Englisch Religion/Ethik Sport Informatik Musik Kunst 31 – 40 51 – 65 3. Wie alt sind Sie? 18 - 30 Jahre 41 -50 4. Sie sind: männlich weiblich Erfahrungsbereich 5. Wenn Sie Ihren Unterricht vorbereiten, verwenden Sie überwiegend: ( Mehrfachnennungen möglich ) Schulbücher , Foliensätze Fachliteratur Internet Studienunterlagen andere , und zwar: 6. Wenn Sie das Internet verwenden, was benutzen Sie regelmäßig? Suchmaschinen wie z.B. Google, Yahoo! , Firebird etc. Informationen aus Internetlexika (z.B. Wikipedia) , Universitäten u.a. kleine Programme zum Thema (Applets, Flashanimationen) vorgefertigte Präsentationen oder Folien Anhang 51 Arbeitsblätter, Versuchsvorschriften, Tests usw. andere , und zwar : 7. Haben Sie schon einmal mit E-Teaching Software/Website gearbeitet? ja nein 8. Wenn ja, mit welcher Software bzw. welche Website haben Sie gearbeitet? (Wenn nein, dann weiter mit Frage 10) ________________________ 9. Welche Erfahrung haben Sie mit dem E-Teaching Modul gemacht? sehr positiv sehr negativ 10. Würden Sie (auch) in Zukunft E-Teaching für Ihre Unterrichtsvorbereitung verwenden? ja nein Erwartungsbereich 11. Welche Erwartungen muss E-Teaching Software gerecht werden? (Maximal 3 Kreuze) leichte Bedienbarkeit vorgefertigte Arbeitsblätter Individuelle Erstellung/Umstellung von Präsentationen/Folien Didaktische und methodische Hinweise Sie muss auch offline verfügbar sein Sie sollte kostenlos sein andere, und zwar: 12. Wie wichtig ist Ihnen dabei eine leichte Bedienbarkeit? sehr wichtig unwichtig 13. Wie wichtig ist es Ihnen vorgefertigte Arbeitsblätter vorzufinden? sehr wichtig unwichtig 14. Wie wichtig ist Ihnen die individuelle Erstellung bzw. Umstellung von Folien? sehr wichtig unwichtig 15. Wie wichtig ist Ihnen die individuelle Erstellung bzw. Umstellung von Präsentationen? Anhang sehr wichtig 52 unwichtig 16. Wie wichtig ist es Ihnen didaktische und methodische Hinweise vorzufinden? sehr wichtig unwichtig 17. Wie wichtig ist es Ihnen, dass die e-Teaching Software offline zur Verfügung steht? sehr wichtig unwichtig 18. Wie wichtig ist es Ihnen, viel für diese e-Teaching Software zu zahlen? sehr wichtig unwichtig 19. Teilen Sie uns bitte mit in welchem Themengebiet sie sich vorstellen können, e-Teaching Software zu verwenden: _______________________________ 20. Hier haben sie die Möglichkeit uns noch etwas mitzuteilen: ______________________________________________ ______________________________________________ ______________________________________________ 9.2 Versuchsskript zum Thema Enzyme 9.3 DVD „AVIMEC 2006“ Anhang 53 Versicherung: „Wir versichern hiermit, dass wir die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst haben und keine anderen Hilfsmittel als die von angegebenen verwendet wurden. Im Wortlaut oder sinngemäß entnommenen Textstellen aus Primär- und Sekundärquellen sind durch zugeordnete Quellenangaben kenntlich gemacht. Diese Versicherung gilt auch für Skizzen, bildliche Darstellungen i.w.S. und Zeichnungen.“ ___________ (Ort) ________ _____________ ______________ (Datum) Cinzia Onnis Peter Nürnberger
