Weiterentwicklung der Aufgabenkultur in den Naturwissenschaften

Weiterentwicklung der
Aufgabenkultur im Unterricht
und in Überprüfungen
Naturwissenschaften
02.02. 2006
Es lohnt sich über PISAAufgaben nachzudenken
Semmelweis‘ Tagebuch
 Mörder ermitteln
 Klonen
 Tageslicht

„Juli 1846. Nächste Woche trete ich meine Stelle als ‚Herr Doktor‘ auf der ersten Station der
Entbindungsklinik im Allgemeinen Krankenhaus von Wien an. Ich war entsetzt, als ich vom
Prozentsatz der Patienten hörte, die in dieser Klinik sterben. In diesem Monat starben dort
sage und schreibe 36 von 208 Müttern, alle an Kindbettfieber. Ein Kind zur Welt zu bringen ist
genauso gefährlich wie eine Lungenentzündung ersten Grades.“ einer ansteckenden
Krankheit, an der viele Frauen nach der Geburt eines Kindes starben. Semmelweis sammelte
Daten über die Anzahl der Todesfälle auf Grund von Kindbettfieber in der ersten und zweiten
Station des Krankenhauses (siehe Diagramm). Die Ärzte, darunter auch Semmelweis,
tappten in Bezug auf die Ursache des Kindbettfiebers völlig im Dunkeln. Semmelweis schrieb
in sein Tagebuch:
„Dezember 1846. Warum sterben so viele Frauen nach einer völlig problemlosen Geburt an
diesem Fieber? Seit Jahrhunderten lehrt uns die Wissenschaft, es handle sich um eine
unsichtbare Epidemie, die Mütter tötet. Als mögliche Ursachen
gelten Veränderungen in der Luft, irgendwelche
außerirdischen Einflüsse oder eine Bewegung der
Erde selbst, ein Erdbeben.“
Heutzutage würde kaum jemand außerirdische Einflüsse
oder ein Erdbeben als mögliche Ursachen für Fieber in
Erwägung ziehen. Zu Lebzeiten von Semmelweis taten
dies allerdings viele, auch Wissenschaftler! Wir wissen
heute, dass es etwas mit hygienischen Bedingungen zu
tun hat. Semmelweis wusste jedoch, dass außerirdische
Einflüsse oder ein Erdbeben als Ursachen für Fieber eher
unwahrscheinlich waren. Er machte auf die Daten, die er
gesammelt hatte, aufmerksam (siehe Diagramm) und
versuchte damit seine Kollegen zu überzeugen.
Semmelweis‘ Tagebuch
Frage 1:
Nimm an, du wärst Semmelweis.
Nenne einen Grund dafür
(ausgehend von den von
Semmelweis gesammelten Daten),
dass Erdbeben als Ursache für
Kindbettfieber unwahrscheinlich
sind.
Text 2:
Zur Forschung in den Krankenhäusern gehörte das Sezieren. Der
Körper einer verstorbenen Person wurde aufgeschnitten, um eine
Todesursache zu finden. Semmelweis schrieb, dass auf der
Ersten Station tätige Studenten üblicherweise am Sezieren von
Frauen teilnahmen, die am Vortag gestorben waren. Direkt
anschließend untersuchten sie Frauen, die gerade ein Kind
geboren hatten. Sie achteten nicht besonders darauf, sich nach
dem Sezieren zu waschen. Manche waren sogar stolz darauf,
dass man roch, dass sie vorher in der Leichenhalle
gearbeitet hatten, weil man daran ihren Fleiß erkennen konnte!
Ein Freund von Semmelweis starb, nachdem er sich beim
Sezieren geschnitten hatte. Beim Sezieren seines Leichnams
zeigte sich, dass er dieselben Symptome aufwies wie Mütter, die
an Kindbettfieber gestorben waren. Dadurch bekam Semmelweis
eine neue Idee.
Semmelweis‘ Tagebuch
Frage 2:
Semmelweis‘ neue Idee steht im
Zusammenhang mit dem hohen
Prozentsatz verstorbener Frauen auf
den Entbindungsstationen und dem
Verhalten der Studenten. Was war
seine Idee?
Semmelweis‘ Tagebuch
Frage 2:
A:
B:
C:
D:
Wenn man die Studenten veranlasst, sich
nach dem Sezieren zu waschen, so sollten
weniger Fälle von Kindbettfieber auftreten.
Die Studenten sollten nicht beim Sezieren
mitwirken, weil sie sich schneiden könnten.
Die Studenten riechen übel, weil sie sich
nach dem Sezieren nicht waschen.
Die Studenten wollten ihren Fleiß unter
Beweis stellen und werden deshalb beim
Untersuchen der Frauen unachtsam.
Semmelweis‘ Tagebuch
Frage 3:
Erkläre, warum hohe Temperatur
(beim Waschen der Bettwäsche)
dazu beiträgt, das Risiko, dass
Patienten Fieber bekommen, zu
senken.
Semmelweis‘ Tagebuch
Frage 4:
Worauf ist es zurückzuführen, dass
in den letzten Jahren die
Wirksamkeit einiger Antibiotika
nachgelassen hat?
Semmelweis‘ Tagebuch
Frage 4:
A:
Nach ihrer Herstellung verlieren
Antibiotika allmählich ihre Wirksamkeit.
B:
Bakterien werden gegen Antibiotika
widerstandsfähig.
C:
Diese Antibiotika sind nur gegen
Kindbettfieber, nicht jedoch gegen andere
Krankheiten wirksam.
D:
Der Bedarf an diesen Antibiotika hat
nachgelassen, weil sich die Bedingungen im
Gesundheitswesen in den letzten Jahren
beträchtlich verbessert haben.
Vergleich mit konventionellem
Unterricht
Funktion des spezifischen Abwehrsystems
Fragen, die sich aufdrängen




Was versteht PISA unter
naturwissenschaftlicher Grundbildung?
Welche Bereiche werden bei PISA erfasst?
Welche Themen werden bei PISA
herangezogen?
Welche Prozesskomponenten werden in
den PISA-Aufgaben gefordert?
Was PISA unter naturwissenschaftlicher
Grundbildung versteht („Science Framework“)
Kompetenzen
Kontexte
Lebenssituationen,
in denen
Naturwissenschaft und
Technik/
Technologien
eine Rolle
spielen
(persönlich –
sozial – global)
• naturwissenschaftliche
Fragestellungen
erkennen
• naturwissenschaftliches
erfordern Wissen anwenden, um
bestimmt
durch
naturwissenschaftliche
Phänomene zu
beschreiben, zu erklären
und vorherzusagen
• naturwissenschaftliche
Begründungen nutzen,
um Entscheidungen zu
treffen und sie zu
kommunizieren
Wissen
• naturwissenschaftliches Wissen
• Wissen über
Naturwissenschaften
Motivationale
Orientierungen
und Einstellungen
• Unterstützung naturwissenschaftlicher
Zugänge
• Interesse an
Naturwissenschaften
Welche Bereiche werden bei PISA erfasst?

naturwissenschaftliches Wissen




physikalische Systeme
Raum- und Erdwissenschaften
lebende Systeme
Wissen über Naturwissenschaften



naturwissenschaftliche Untersuchungen (Fragestellungen,
Ziele, Vorgehensweisen usw.)
naturwissenschaftliche Erklärungen (Regeln, Arten usw.)
Naturwissenschaften und Technik in der Gesellschaft (Rolle,
Risiken, Grenzen usw.)
Welche Bereiche werden bei PISA erfasst?

„attitudinal items”
motivationalen und affektiven Einstellungen zu
wesentlichen Bereichen der Naturwissenschaft




Die Wertschätzung von Naturwissenschaften
Das Interesse an Naturwissenschaften (Faszination
Naturwissenschaften)
Die Bedeutung, die der naturwissenschaftlichen Forschung
zugemessen wird
Die Bereitschaft persönlich Verantwortung gegenüber der
Natur und den Ressourcen zu übernehmen
Welche Themen werden bei PISA
herangezogen? („Big Ideas“)













Struktur und Eigenschaften von Stoffen (Wärmeleitfähigkeit und
elektrische Leitfähigkeit)
Atmosphärische Veränderungen (Strahlung, Transmission, Druck)
Chemische und physikalische Veränderungen (Aggregatzustände,
Reaktionsgeschwindigkeit, Zerfall)
Energieumwandlungen (Energieerhalt, Energieabbau, Photosynthese)
Kräfte und Bewegung (Kräfte im Gleichgewicht/Ungleichgewicht,
Geschwindigkeit, Beschleunigung, Impuls)
Form und Funktion (Zelle, Skelett, Anpassung)
Humanbiologie (Gesundheit, Hygiene, Ernährung)
Physiologische Veränderungen (Hormone, Elektrolyse, Neurone)
Artenvielfalt (Arten, Genpool, Evolution)
Genetische Steuerung (Dominanz, Vererbung)
Ökosysteme (Nahrungsketten, Nachhaltigkeit)
Die Erde und ihre Stellung im Universum (Sonnensystem, diurnale
und saisonale Veränderungen)
Geologische Veränderungen (Kontinentaldrift, Verwitterung)
Welche Prozesskompetenzen werden in den
PISA-Aufgaben gefordert?











Sachtexte lesen
Grafiken, Bilder, Skizzen, … interpretieren
aus Informationen Schlüsse ziehen
Vorhersagen treffen
Verstehen nw. Untersuchungen
Interpretation empirischer Evidenz (stat. Belege)
mentale Modelle bilden
Thesen argumentativ begründen
Hypothesen bilden und gegeneinander abwägen
Sachverhalte adressatengerecht verbalisieren
Stellung nehmen und Sachverhalte bewerten
Welchen Kategorien kann man die PISA
Aufgaben zuordnen?



Prozesse
 Phänomene erklären
 Wissenschaftliche Untersuchungen
verstehen
 Schlussfolgerungen ziehen
Fachgebiete
 Biologie
 Chemie
 Physik
Anwendungsbereiche:
Naturwissenschaften ...
 ... in Leben in Gesundheit
 ... in Erde und Umwelt
 ... in Technologie
18
7
9
13
7
14
12
10
12
Sind das die Kompetenzen, die unser
Unterricht fördern soll?


Ja! PISA legt besonderen Wert auf:
 die Anwendung des Wissens
 die Kommunikation des Wissens
 die Entscheidungsfindung, die Bewertung
und die Risiko-Folgen-Abschätzung
Aber, es muss noch etwas dazukommen:
 das systematische Fachwissen als
Basiskompetenz
 der kompetente Umgang mit den spezifisch
naturwissenschaftlichen Arbeitsmethoden
Wie sind die Testaufgaben bei PISA
konzipiert?

Ableitung von konkreten Themen aus den
zentralen Themen ( „big ideas“)
• Energie -> Atomkraftwerk

Situationen sind nicht auf das Klassenzimmer
beschränkt und materialgebunden
• Individuum: Nahrungsmittel,
Energieverbrauch
• Gesellschaft: Trinkwasseraufbereitung,
Standortsuche für ein Kraftwerk
• Weltbürger: globale Erwärmung,
Abnahme der Artenvielfalt
Die Skalen der „Attitudinal Items“


Interesse an Naturwissenschaften

Neugierde an naturwissenschaftlichen Themen

Wunsch zusätzliches naturwissenschaftliches Wissen zu erlangen
Unterstützung naturwissenschaftlicher Zugänge


Unterstützung der Wichtigkeit der Abwägung unterschiedlicher
naturwissenschaftlicher Sichtweisen und ihrer Argumente
Unterstützung der Verwendung gesicherter, objektiver Informationen
und Verfahren
Neu in PISA 2006: Erfassung im Kontext der
kognitiven Aufgaben!
Beispielaufgabe „Den Mörder ermitteln“
Lies den folgenden Zeitungsartikel und beantworte die nachfolgenden Fragen.
Neustadt, gestern: Gestern
starb ein Mann in Neustadt an
mehreren Stichverletzungen.
Die Polizei berichtet, dass es
Anzeichen für einen Kampf
gibt und dass ein Teil des
Blutes, das am Tatort
gefunden wurde, nicht vom
Opfer stammt. Vermutlich
stammt dieses vom Mörder.
Um den Mörder zu ermitteln,
haben Wissenschaftler der
Polizei ein DNS-Profil der
Blutprobe erstellt. Beim
Vergleich dieses DNS-Profils
mit den Profilen bereits
verurteilter Straftäter wurde
keine Übereinstimmung
gefunden.
Foto eines typischen DNSProfils zweier Personen. Die
Streifen sind verschiedene
Fragmente von der DNS der
jeweiligen Person. Jede
Person hat ein anderes
Streifenmuster. Genauso wie
mit Fingerabdrücken kann
mananhand dieser Muster
Personen identifizieren.
Person A
Person B
Die Polizei von Neustadt
fordert nun alle Einwohner
auf, freiwillig ihre DNS
analysieren zu lassen.
Kommissar Berger von der
Polizei in Neustadt sagte:
„Wir brauchen nur einen
harmlosen Abstrich von der
Innenseite der Wange zu
nehmen. Aus diesem können
Wissenschaftler dann die
DNS extrahieren und ein
DNS-Profil wie das
abgebildete erstellen“.
Außer bei eineiigen
Zwillingen liegt die
Wahrscheinlichkeit, dass
zwei Menschen das gleiche
DNS-Profil besitzen, bei
lediglich eins zu hundert
Millionen.
Beispielaufgabe „DEN MÖRDER ERMITTELN“

Frage 1: DEN MÖRDER ERMITTELN
Der Zeitungsartikel bezieht sich auf die Substanz
DNS. Was ist DNS?
A
Eine Substanz in Zellmembranen, die
verhindert, dass Zellbestandteile
auslaufen.
B
Ein Molekül, dass die Anleitung zum Aufbau
unseres Körpers enthält.
C
Ein Protein im Blut, das hilft, Sauerstoff in
das Gewebe zu transportieren.
D
Ein Hormon im Blut, das zur Regelung des
Zuckerspiegels in den Zellen unseres
Körpers beiträgt.
Beispiel für „Interesse an Naturwissenschaften
Frage 10N: Den Mörder ermitteln
Wie viel Interesse hast du an den folgenden Informationen?
a) Mehr darüber zu lernen, wie
DNS-Tests funktionieren.
Hohes
Interesse
Etwas
Interess
e
Geringes
Interesse
Kein
Interesse
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
b) Mehr darüber zu wissen, wie
DNS-Tests zur Aufklärung von
Verbrechen eingesetzt
werden.
c) Mehr darüber zu erfahren,
wie Verbrechen mit Hilfe von
Natur-wissenschaften
aufgeklärt werden.
Beispiel für „Unterstützung
naturwissenschaftlicher Zugänge“
Frage 10S: Gefährdete Tierarten
Wie sehr stimmst du mit den folgenden Aussagen überein?
Stimme
voll zu
Stimme
eher zu
Stimme
eher
nicht zu
Stimme
überhaupt
nicht zu
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
a) Forschung darüber, wie die
Lebensräume gefährdeter Arten
erhalten werden könnten, sollte
unterstützt werden.
b) Systematische Untersuchungen sind
nötig, um die Bedrohungen für das
Überleben gefährdeter Arten zu
verstehen.
c)
Maßnahmen zur Rettung gefährdeter
Arten sollten auf wissenschaftlichen
Erkenntnissen beruhen.
Wie gut haben deutsche Schüler PISA
Aufgaben gelöst?
KLONEN
Lies den folgenden Zeitungsartikel und beantworte die anschließenden Fragen.
Ein Kopierapparat für Lebewesen?
Hätte es Wahlen zum Tier des Jahres 1997 gegeben, wäre Dolly ohne Zweifel der
sichere Sieger gewesen. Dolly ist das schottische Schaf, das Sie auf dem Foto
sehen können. Dolly ist allerdings kein gewöhnliches Schaf. Sie ist ein Klon eines
anderen Schafs. Ein Klon bedeutet: eine Kopie. Klonen heißt kopieren „von einem
einzigen Original“. Es ist Wissenschaftlern gelungen, ein Schaf (Dolly) zu erschaffen,
das mit einem Schaf identisch ist, das als „Original“ ausgewählt worden war.
Es war der schottische Wissenschaftler Ian Wilmut, der die „Kopiermaschine“
für Schafe entworfen hat. Er nahm ein sehr kleines Stück vom Euter eines
erwachsenen Schafs (Schaf 1). Diesem kleinen Stück hat er den Zellkern entnommen,
den er in eine Eizelle eines zweiten (weiblichen) Schafs (Schaf 2) eingepflanzt hat.
Zunächst entfernte er aber aus dieser Eizelle das ganze Material, das Eigenschaften
von Schaf 2 in einem aus dieser Eizelle entstehenden Lamm bestimmt hätte. Ian Wilmut
implantierte die manipulierte Eizelle von Schaf 2 in ein weiteres (weibliches) Schaf
(Schaf 3). Schaf 3 wurde trächtig und gebar ein Lämmchen: Dolly. Manche
Naturwissenschaftler glauben, dass es in wenigen Jahren möglich sein wird, auch
Menschen zu klonen. Doch viele Regierungen haben bereits beschlossen, das Klonen
von Menschen gesetzlich zu verbieten.
Wie gut haben deutsche Schüler PISA
Aufgaben gelöst?

Frage 1.1: KLONEN
 Mit welchem Schaf ist Dolly identisch?
• A Schaf 1
• B Schaf 2
• C Schaf 3
• D Dollys Vater
493
0.65 i / 0.67 D
Wie gut haben deutsche Schüler PISA
Aufgaben gelöst?

Frage 1.2: KLONEN
In Zeile 16 wird der Teil, der vom Euter
verwendet wurde, als ein „sehr kleines
Stück“bezeichnet. Du kannst dem Artikel
entnehmen, was mit dem „sehr kleinen Stück“
gemeint ist.
Dieses „sehr kleine Stück“ ist
• A eine Zelle.
• B ein Gen.
571
• C ein Zellkern.
0.49 i / 0.47 D
• D ein Chromosom.
Wie gut haben deutsche Schüler PISA
Aufgaben gelöst?
Frage 1.3: KLONEN
Im letzten Satz des Artikels steht, dass viele Regierungen bereits
beschlossen haben, das Klonen von Menschen gesetzlich zu verbieten. Zwei
mögliche Gründe dafür werden unten angegeben. Beurteile, ob es sich
hierbei um wissenschaftliche Gründe handelt.
506
Kreise jeweils „Ja“ oder „Nein“ ein.
0.062 i / 0.63 D
Grund: Wissenschaftlich?
Geklonte Menschen könnten für gewisse Krankheiten anfälliger sein
als normale Menschen. Ja / Nein
Menschen sollten nicht die Rolle des Schöpfers übernehmen. Ja / Nein
TAGESLICHT
Lies folgende Informationen und beantworte die anschließenden Fragen.
DAS TAGESLICHT AM 22. JUNI 2002
Wenn sich heute die Leute in der nördlichen Hemisphäre über den längsten Tag des Jahres
freuen, erleben die Australier gleichzeitig den kürzesten. In Melbourne* geht die Sonne um 7.36
Uhr auf und um 17.08 Uhr wieder unter: An diesem Tag ist es nur während neun Stunden und
32 Minuten hell. Vergleichen wir den heutigen Tag mit dem längsten im Jahr in der südlichen
Hemisphäre, der am 22. Dezember erwartet wird:
Die Sonne geht dann bereits um 5.55 Uhr auf und um 20.42 Uhr wieder unter, und spendet
demnach während 14 Stunden und 47 Minuten ihr Licht.
Der Präsident der Astronomischen Gesellschaft, Perry Vlahos, erklärte, dass der
Wechsel der Jahreszeiten in der nördlichen und südlichen Hemisphäre mit der 23-GradNeigung der Erde zusammenhängt.
* Melbourne ist eine Stadt in Australien, die sich ungefähr auf dem 38. Breitengrad südlich des
Äquators befindet.
Wie gut haben deutsche Schüler PISA
Aufgaben gelöst?
FRAGE 2.1: TAGESLICHT
Welche Aussage erklärt, warum es auf der Erde Tageslicht und Dunkelheit
gibt?
A Die Erde rotiert um ihre Achse.
B Die Sonne rotiert um ihre Achse.
C Die Erdachse ist geneigt.
D Die Erde dreht sich um die Sonne.
591
0.43 i / 0.32 D
Wie gut haben deutsche Schüler PISA
Aufgaben gelöst?
FRAGE 2.2: TAGESLICHT
In der Abbildung wird gezeigt, wie Lichtstrahlen von der Sonne auf die Erde
scheinen.
Abbildung: Lichtstrahlen von der Sonne
Nimm an, es wäre der kürzeste Tag in Melbourne. Zeichne die Erdachse, die
nördliche Hemisphäre, die südliche Hemisphäre und den Äquator in die
Abbildung ein. Beschrifte alle Teile deiner Antwort.
692
0.19 i / 0.16 D
Was ist zu tun?
Erwerb von
Kompetenzen
Weiterentwicklung des
Unterrichts
(neue Aufgabenkultur,
geänderte Unterrichtsskripte)
Umgang mit standardisierten Tests
Nachweis von
Kompetenzen
(Aufgabenformate, Zeitansatz,
schulartübergreifende
Aufgabenstellung)