Überlebenskünstler im Tierreich. Schülervorstellungen zu den Anpassungen von Tieren an extreme Lebensbedingungen

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

2. Theoretischer Rahmen
2.1. Schülervorstellungen - eine Charakterisierung
2.2. Die Bedeutung der Schülervorstellungen im Lernprozess
2.2.1. Theoretische Grundlagen der Didaktischen Rekonstruktion
2.2.2. Das Modell der Didaktischen Rekonstruktion
2.2.3. Von Schülervorstellungen zur Kompetenzerweiterung

3. Wissenschaftliche Vorstellungen zu den Anpassungen an extreme Lebensbedingungen
3.1. Ökologische Gliederung in Zonobiome
3.1.1. Äquatoriales Zonobiom mit Tageszeitenklima
3.1.2. Tropisches Zonobiom mit Sommerregen
3.1.3. Subtropisches Zonobiom mit Wüstenklima
3.1.4. Winterfeuchtes Zonobiom mit Sommerdürre
3.1.5. Warmtemperiertes, humides Zonobiom
3.1.6. Typisches gemäßigtes Zonobiom mit kurzer Frostperiode
3.1.7. Arid-gemäßigtes Zonobiom mit kalten Wintern
3.1.8. Kalt-gemäßigtes Zonobiom mit kühlen Sommern
3.1.9. Arktisches/ antarktisches polares Zonobiom
3.2. Überlebenskünstler der Wüste - Anpassungen der Tierwelt an Hitze und Trockenheit

4. Schülervorstellungen zu den Anpassungen der Wüstentiere an extreme Trockenheit und Hitze
4.1. Fragestellung und methodisches Vorgehen
4.2. Darstellung der Ergebnisse
4.2.1 Klasse 8
4.2.2. Klasse 11
4.2.3. Klasse 12
4.3. Diskussion
4.3.1. Vergleich wissenschaftlicher Vorstellungen mit den Vorstellungen der Schüler, Klasse 8
4.3.2. Vergleich wissenschaftlicher Vorstellungen mit den Vorstellungen der Schüler, Klasse 11
4.3.3. Vergleich wissenschaftlicher Vorstellungen mit den Vorstellungen der Schüler, Klasse 12
4.3.4. Vergleich der Klassenstufen

5. Konsequenzen für die unterrichtliche Vermittlung

6. Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Komponenten der Conceptual Change-Theorie

Abbildung 2 Äquatoriales Zonobiom mit Tageszeitenklima

Abbildung 3 Tropisches Zonobiom mit Sommerregen

Abbildung 4 Subtropisches Zonobiom mit Wüstenklima

Abbildung 5 Winterfeuchtes Zonobiom mit Sommerdürre

Abbildung 6 Warmtemperierte, humides Zonobiom

Abbildung 7 Typisches gemäßigtes Zonobiom mit kurzer Frostperiode

Abbildung 8 Arid-gemäßigtes Zonobiom mit kalten Wintern

Abbildung 9 Kalt-gemäßigtes Zonobiom mit kühlen Sommern

Abbildung 10 Arktisches/ antarktisches polares Zonobiom

Abbildung 11 Fluktuation der Körpertemperatur eines Antilopen-Erdhörnchens

Abbildung 12 Schematische Darstellung der Wasserrückgewinnung

Abbildung 13 Ein Spießbock (Oryx gazella)

Abbildung 14 Übersicht der Kategorie: Tiergruppe, Klasse 8

Abbildung 15 Tiergruppe: Großsäuger, Klasse 8

Abbildung 16 Tiergruppe: Reptilien, Klasse 8

Abbildung 17 Tiergruppe: Spinnenartige, Klasse 8

Abbildung 18 Tiergruppe: Insekten, Klasse 8

Abbildung 19 Tiergruppe: Vögel, Klasse 8

Abbildung 20 Tiergruppe: Kleinere Säugetiere, Klasse 8

Abbildung 21 Übersicht der Kategorie: Anpassung, Klasse 8

Abbildung 22 Kategorie Speicher, Klasse 8

Abbildung 23 Kategorie Wasserverlust/ -bedarf, Klasse 8

Abbildung 24 Kategorie Ernährung, Klasse 8

Abbildung 25 Kategorie Wasserquelle: Tau und Grundwasser, Klasse 8

Abbildung 26 Kategorie Günstige Aufenthaltsorte, Klasse 8

Abbildung 27 Kategorie Klimaverträglichkeit/ Anpassung, Klasse 8

Abbildung 28 Kategorie Aktivitätsmuster, Klasse 8

Abbildung 29 Übersicht der Kategorie: Quellen der Vorstellungen, Klasse 8

Abbildung 30 Kategorie Sonstige Quellen, Klasse 8

Abbildung 31 Kategorie Außerschulische Quellen, Klasse 8

Abbildung 32 Kategorie Medien, Klasse 8

Abbildung 33 Kategorie Schulische Erfahrungen, Klasse 8

Abbildung 34 Übersicht der Kategorie: Tiergruppe, Klasse 11

Abbildung 35 Tiergruppe: Reptilien, Klasse 11

Abbildung 36 Tiergruppe Großsäuger, Klasse 11

Abbildung 37 Tiergruppe: Spinnenartige, Klasse 11

Abbildung 38 Tiergruppe: Kleinere Säugetiere, Klasse 11

Abbildung 39 Tiergruppe: Vögel, Klasse 11

Abbildung 40 Tiergruppe: Insekten, Klasse 11

Abbildung 41 Übersicht der Kategorie: Anpassung, Klasse 11

Abbildung 42 Kategorie Speicher, Klasse 11

Abbildung 43 Kategorie Körpergröße/ Oberfläche-Volumen-Verhältnis, Klasse 11

Abbildung 44 Kategorie Andere Faktoren, Klasse 11

Abbildung 45 Kategorie, Oberfläche, Klasse 11

Abbildung 46 Kategorie Günstige Aufenthaltsorte Klasse 11

Abbildung 47 Kategorie Temperaturregulierung, Klasse 11

Abbildung 48 Kategorie Aktivitätsmuster, Klasse 11

Abbildung 49 Übersicht der Kategorie: Quellen der Vorstellungen, Klasse 11

Abbildung 50 Kategorie Sonstige Quellen, Klasse 11

Abbildung 51 Kategorie Medien, Klasse 11

Abbildung 52 Kategorie Schulische Erfahrungen, Klasse 11

Abbildung 53 Kategorie Außerschulische Quellen, Klasse 11

Abbildung 54 Übersicht der Kategorie: Tiergruppe, Klasse 12

Abbildung 55 Tiergruppe: Großsäuger, Klasse 12

Abbildung 56 Tiergruppe: Reptilien, Klasse 12

Abbildung 57 Tiergruppe: Spinnenartige, Klasse 12

Abbildung 58 Tiergruppe: Kleinere Säugetiere, Klasse 12

Abbildung 59 Tiergruppe: Vögel, Klasse 12

Abbildung 60 Übersicht der Kategorie: Anpassung, Klasse 12

Abbildung 61 Kategorie Speicher, Klasse 12

Abbildung 62 Kategorie Körpergröße/ Oberfläche-Volumen-Verhältnis, Klasse 12

Abbildung 63 Kategorie Oberfläche, Klasse 12

Abbildung 64 Kategorie Günstige Mikroklimate, Klasse 12

Abbildung 65 Kategorie Andere Faktoren, Klasse 12

Abbildung 66 Kategorie Aktivitätsmuster, Klasse 12

Abbildung 67 Kategorie Umgang mit Wasser, Klasse 12

Abbildung 68 Übersicht der Kategorie: Quelle der Vorstellungen, Klasse 12

Abbildung 69 Kategorie Sonstige Quellen, Klasse 12

Abbildung 70 Kategorie Medien, Klasse 12

Abbildung 71 Kategorie Schulische Erfahrungen, Klasse 12

Abbildung 72 Erfahrungsbereiche der Probanden im Vergleich

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Korrespondierende Termini für die Komplexitätsebenen in der referentiellen, sprachlichen und gedanklichen Dimension

1. Einleitung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anhand dieser Zitate, die Äußerungen zu den Anpassungen von Wüstentieren beinhalten, kann deutlich gezeigt werden, dass das Nachdenken über bzw. das Lernen von naturwissen- schaftlichen Phänomenen oder Erscheinungen einen individuellen Prozess darstellt - als Kon- sequenz können entsprechend die verschiedensten Vorstellungen zu ein und demselben Phä- nomen existieren. Einerseits handelt es sich um persönliche, gedankliche Konstruktionen, die auf Grundlage von verschiedenen Erfahrungen gebildet werden - in Anbetracht der erhobenen Schülerantworten zur Herkunft ihres Wissens zählen hierzu Erfahrungen durch Medien, Fami- lie und Schule. Andererseits bilden diese lebensweltlichen Vorstellungen selbst eine Grundla- ge für weitere Lernprozesse, respektive für einen Konzeptwechsel, der durch Entwicklung, Umstrukturierung und Veränderung bereits bestehender Vorstellungen stattfindet. Vor dem Hintergrund dieses moderat-konstruktivistischen Verständnisses von Lernprozessen wird die besondere Bedeutung der Schülervorstellungen für die Planung von Unterricht deutlich: Da Aufnahme und Interpretation von unterrichtlichen Inhalten auf Basis bereits vorhandener An- schauungen und Einstellungen stattfinden, sind es die Schülervorstellungen, die Ausgangs- punkte von Lehr-Lernprozessen bilden. Infolge dessen ist deren Kenntnis eine grundlegende Voraussetzung für die didaktische Rekonstruktion des Unterrichtsgegenstandes, die Bildung von Lernzielen und die Gestaltung der Lernumgebung.

Obwohl intensive Forschungsarbeiten bereits in den Anfängen der 1970er Jahre verzeichnet werden können, die zudem hauptsächlich im Rahmen der Naturwissenschaftsdidaktik getätigt wurden, können gegenwärtig dennoch Themenfelder ausgemacht werden, zu denen noch kei- ne empirischen Erkenntnisse hinsichtlich lebensweltliche Vorstellungen von Schülern vorlie- gen - so auch in Bezug auf die Anpassungen von Tieren an extreme Lebensräume. Eine Verankerung dieser Thematik in den Lehrplänen weiterführender Schulen findet ledig- lich bei den inhaltlichen Vorgaben der Oberstufe statt: Neben dem Erwerb von Kenntnissen zu der Dynamik von Ökosystemen, der Populationsökologie etc. lernen die Schüler - eingebettet in das Leitthema 3 Umwelt und Innenwelt lebender Systeme - Licht und Wärme, sowie Was- ser und Salz als Umweltfaktoren kennen und erhalten Einblicke in die Wechselbeziehungen von Lebewesen und den entsprechenden abiotischen Faktoren.¹ Während in der Mittelstufe diese Thematik lediglich im Zusammenhang mit dem Wald als Ökosystem angerissen wird, sieht der Rahmenplan Naturwissenschaften an zwei Stellen die Auseinandersetzung mit dem Themenkomplex Anpassungen der Tier- und Pflanzenwelt vor. Im Rahmen des Themenfeldes Pflanzen, Tiere, Lebensräume erfahren die Schüler, „dass Tiere und Pflanzen charakteristische Lebensweisen haben, an ihre Umgebung angepasst sind und in vielfältigen Beziehungen zuei- nander stehen.“² Während in diesem Zusammenhang Anpassungen an verschiedene Lebens- räume im Vordergrund stehen, sieht das folgende Themenfeld 5 Sonne, Wetter, Jahreszeiten die Diskussion verschiedener Anpassungen an jahreszeitlich bedingte Umweltfaktoren (Tem- peraturänderung, Nahrungsmangel) vor. Gegenstand schulischer Lernprozesse in den Klassen 5-9 sind letztendlich heimische Tiere und Pflanzen, sowie Lebensräume der näheren Umge- bung (Wald, Wiese, etc.), da diese einen unmittelbaren Zugang zur Natur und naturnahes Ar- beiten ermöglichen. Eine Auseinandersetzung mit dem extremen Lebensraum Wüste sowie den Anpassungen von Wüstentieren stellt entsprechend keine geeignete Alternative dar und ist demzufolge weder durch den Lehrplan der Klassen 7-9, noch durch den Rahmenplan Natur- wissenschaften vorgesehen.³

In Anbetracht der minimalen Präsenz dieser Thematik in unterrichtlichen Lehr-Lern- Prozessen, ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, Schülervorstellungen zu den Anpassungen an extreme Trockenheit und Hitze in der Wüste zu erfassen, die sowohl vor, als auch nach einer Behandlung des Themenkomplexes im Unterricht vorliegen. Insofern betrifft die Erhebung neben den Klassen 8 und 11, in denen Anpassungen von Wüstentieren kein Gegenstand unter- richtlicher Arbeit sind, weiterhin die zwölfte Klasse, die im Rahmen des Leitthemas 3 bereits die Wechselbeziehungen zwischen den abiotischen Faktoren wie Temperatur sowie Wasser und Lebewesen (Wüstentiere) kennengelernt hat. Im Hinblick auf die Diskussion der Ergeb- nisse soll weiterhin die Herkunft des Wissens - sei es der Unterricht in der Schule, Medien oder Gespräche mit den Eltern - ermittelt und mit den erhobenen Schülervorstellungen in Zusammenhang gebracht werden.

Entsprechend der vorangehenden Ausführungen kann der vorliegenden Arbeit folgender Aufbau zugrunde gelegt werden:

Im Rahmen einer theoretischen Grundlegung gilt es anfangs, eine terminologische Klärung des Begriffs Vorstellungen vorzunehmen, deren Charakteristika zu skizzieren und die Bedeu- tung im Lernprozess zu erörtern. Die Erörterung der Relevanz findet eingebettet in die Darle- gung der didaktischen Rekonstruktion als Möglichkeit zur Erforschung sowie Kontextualisie- rung von Schülervorstellungen statt und wird weiterhin im Zusammenhang mit der Skizzie- rung des kompetenzorientierten Unterrichts aufgegriffen. In diesem Sinne soll auf Grundlage des vom Studienseminar Koblenz entwickelten Lehr-Lern-Modells die Bedeutung der Schülervorstellungen für den Erwerb von Kompetenzen aufgezeigt werden.

Abschließend gilt es, näher auf die Forschungsarbeiten im Bereich der Schülervorstellungen einzugehen, zu welchem Zweck zunächst eine Skizze hinsichtlich der historischen Entwicklung des Forschungsgegenstandes vorgenommen wird, der sich ein Überblick hinsichtlich bestehender Beiträge in der Biologiedidaktik anschließt (Kapitel 2).

Dem theoretischen Rahmen zum Forschungsgegenstand Schülervorstellungen folgt die Dokumentation wissenschaftlicher Vorstellungen zum Thema Anpassungen der Tiere an extreme Hitze und Trockenheit, die neben der Darlegung jener Anpassungsstrategien an hohe Temperaturen und Wassermangel in der Wüste, zudem eine Charakterisierung der neun Großlebensräume der Erde beinhaltet. Letztere liefert somit einen Überblick hinsichtlich vorliegender u.a. extremer Lebensbedingung (Kapitel 3).

In Kapitel 4 werden zunächst die Fragestellung, sowie das methodische Vorgehen der Erhe- bung dargelegt, um im Folgenden für jede Klassenstufe einzeln eine Darstellungen der erho- benen Schülervorstellungen vorzunehmen. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion der Er- gebnisse, die zum einen den Vergleich lebensweltlicher Vorstellungen mit wissenschaftlichen Positionen und zum anderen einen Vergleich der Klassenstufen untereinander vorsieht. Letzte- rer umfasst weiterhin die Diskussion der genannten Informationsquellen der Probanden.

Kapitel 5 befasst sich abschließend mit den Konsequenzen der Erhebung für die Vermittlung der entsprechenden unterrichtlichen Inhalte. Basierend auf den Ergebnissen der Erhebung sowie der Diskussion soll ein Ausblick geschaffen werden, welche Aspekte der Thematik Schwierigkeiten bereiten und wie diesen begegnet werden kann, um eine nachhaltige Vermittlung der Anpassungen an extreme Lebensbedingungen in der Wüste zu erreichen.

2. Theoretischer Rahmen

„Lernen ist nicht das passgenaue Gegenstück zum Lehren; was gelehrt wird, wird nicht unbedingt gelernt; was gelernt wird, wurde nicht zwangsläufig gelehrt. Lehren und Lernen stehen in einem vielfältigen und komplexen Wechselverhältnis, das beeinflusst und 'gefiltert' wird durch die Wahrnehmungen, Einstellungen und Ziele der am Unterricht Beteiligten.“⁴

Das Zitat fasst einen wichtigen Aspekt der vorliegenden Arbeit anschaulich zusammen - die Bedeutung von Schülervorstellungen für den „Erfolg“ von Unterricht - und verweist gleich- zeitig auf den Gegenstand der vorliegenden Arbeit: Ziel dieser ist die Aufnahme und Auswer- tung jener Vorkenntnisse, die die Schüler und Schülerinnen zu den Anpassungen von Tieren an die extremen Lebensbedingungen Hitze und Trockenheit besitzen. Die Erhebung und Dis- kussion der Schülervorstellungen setzt zunächst voraus, dass diesbezüglich eine theoretische Grundlage geschaffen wird, die zum einen die Aufarbeitung des Vorstellungsbegriffs hinsicht- lich seiner Bedeutung und Charakteristika beinhaltet. Zum anderen gilt es, die Bedeutung der Schülervorstellungen im Lernprozess näher zu untersuchen, wobei die Darstellung dessen in Ausführungen zum Modell der Didaktischen Rekonstruktion eingebettet wird. Weiterhin bie- tet es sich an, den Zusammenhang von Schülervorstellungen und der Entwicklung von Kom- petenzen zu skizzieren, da Letztere ebenfalls auf Basis bereits vorhandener Vorstellungen er- worben werden und die Relevanz der Schülervorstellung somit aus einer weiteren Perspektive begründet wird. Abschließend gilt es, aufgrund der Aktualität der Thematik und der zuneh- menden Bedeutung der Schülervorstellung für die Gestaltung von Lernprozessen, deren Stel- lenwert in den Fachdidaktiken zu rekonstruieren sowie die gegenwärtige Forschungslage vor- zustellen.

2.1. Schülervorstellungen - eine Charakterisierung

Bei dem Versuch, den Terminus Vorstellungen in seiner Bedeutung einzugrenzen, wird man schnell erkennen, dass diesbezüglich differierende Auslegungen existieren, die zum einen zwischen verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen sowie innerhalb einer Wissenschaft ausgemacht werden können. Demnach findet in didaktischen Zusammenhängen häufig der Terminus Vorkenntnisse Anwendung, während man in der Psychologie von persönlichen Kon- strukten spricht und die Kognitionspsychologie eine Zusammenfassung unter dem Oberbe- griff Wissen vorsieht. Vor dem Hintergrund einer (moderat-) konstruktivistisch orientierten Perspektive gilt es, Vorstellungen als „subjektive gedankliche Prozesse“⁵ zu verstehen, die nicht ohne Weiteres von Lehrkräften weitergegeben und von Lernenden aufgenommen wer- den können, sondern einer individuellen und aktiv erzeugten Konstruktion unterliegen.⁶

Ein wesentliches Charakteristikum dieser kognitiven Konstrukte ist die Existenz bestimmter Komplexitätsgrade, die von Vorstellung zu Vorstellung variieren können und somit die Grundlage für eine Kategorisierung erhobener Schülervorstellungen nach verschiedenen Ebenen bilden. Eine Übersicht liefert die folgende Tabelle 1.

Tabelle 1 Korrespondierende Termini für die Komplexitätsebenen in der referentiellen, sprachlichen und gedanklichen Dimension (nach Gropengie ß er [1997b], S. 74; [1997a], S. 26, verändert).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Demnach beschreiben Begriffe Vorstellungen der untersten Komplexitätsebene, die auf Dinge, Objekte sowie Ereignisse verweisen und durch Termini, Fachwörter und Ausdrücke sprach- lich vermittelt werden. Begriffe können wiederum durch Relationen miteinander verknüpft werden, wodurch die jeweilige Vorstellung eine Steigerung hinsichtlich ihrer Komplexität erfährt und den Namen Konzept erhält. Konzepte hingegen referieren Sachverhalte und finden durch Aussagen, Sätze und Behauptungen ihren sprachlichen Ausdruck. Durch die Verknüp- fung von Konzepten entsteht wiederum die Denkfigur, die auf sprachlicher Ebene als Grund- satz formuliert wird und sich auf einen Wirklichkeitsaspekt bezieht. Des Weiteren grenzt sich die Denkfigur dahingehend vom Konzept ab, dass Erstere vielmehr einen erklärenden Charak- ter besitzt, während Letzterem eine beschreibende Funktion zukommt. Denkfiguren bilden wiederum einen wesentlichen Bestandteil, der zur Bildung von Theorien erforderlich ist. Werden Denkfiguren und Konzepte zueinander in Beziehung gesetzt, entstehen eben diese Vorstellungen der höchsten Komplexitätsebene. Sprachlich werden sie in Form eines Aussa- gengefüges oder einer Darlegung ausdrückt und beziehen sich, im Gegensatz zur Denkfigur auf einen Wirklichkeitsbereich. Dementsprechend lässt sich die zuvor getroffene moderat- konstruktivistische Auslegung des Vorstellungsbegriffs dahingehend erweitern, dass dieser „gedankliche Konstrukte aller Komplexitätsebenen“⁷ beschreibt, die zudem über einen Refe- renten verfügen und auf sprachlicher Ebene vermittelt werden.⁸

Zudem gilt es festzuhalten, dass Schülervorstellungen keine kognitiven Konstrukte darstellen, die erstmalig in der Schule gebildet werden, sondern infolge der Auseinandersetzung mit der Umwelt in einem gewissen Umfang bereits vorhanden sind. Grundlegende Vorstellungen, wie etwa Begriffe und Kategorien wurzeln in der körperlichen Erfahrung,⁹ sodass schon von klein auf der Mensch „als aktiver Konstrukteur seines Wissens, auf Basis von Erfahrungen ein grundlegendes Verständnis von der Umwelt und Wirklichkeit auf[baut].“¹⁰ Neben diesen all- täglichen Sinneserfahrungen prägt auch der Umgang mit Printmedien (Zeitungen, Bücher, etc.), digitalen Medien (Internet) und dem Rundfunk (Fernsehen, Radio), aber auch soziale Erfahrungen wie sie in Gesprächen mit Freunden, der Familie etc. getätigt werden die Ent- wicklung eigener Vorstellungen. Demnach sind mit Schülervorstellungen einerseits Vorstel- lungen gemeint, die aus dem schulischen Lernalltag entspringen, aber auch solche, mit denen die Lernenden in der Schule ankommen - Vorstellungen, die sie letztendlich aus dem Alltag mitbringen.

In der Schule besitzt der Lehrer die Möglichkeit, mit den beiden Mitteln Sprache und Fakten neue, wissenschaftliche Vorstellungen zu vermitteln, die „im Kontext der bereits verfügbaren Vorstellungen gedanklich gebildet, verändert und reorganisiert werden.“¹¹ Auf Basis unter- schiedlicher Erfahrungen, die im außerschulischen Alltag gesammelt werden und infolge der gezielten Vermittlung wissenschaftsorientierter Vorstellungen in der Schule, entwickeln die Lernenden Vorstellungen, die sich neben dem Grad an Komplexität zudem hinsichtlich des Stärkegrads ihrer Verankerung unterscheiden. Häußler spricht in diesem Zusammenhang von tief verankerten und von ad-hoc-konstruierten Vorstellungen, die in einer konkreten Situation spontan konstruiert werden. Während Erstere eher stabile und beständige Konstruktionen dar- stellen, die sich verhältnismäßig resistent gegen andere Darlegungen erweisen, handelt es sich bei Letzteren um vorübergehende Konstruktionen, die leichter zu verändern sind.¹²

Letztendlich unterscheiden sich die lebensweltlichen Vorstellungen häufig von fachwissen- schaftlichen Vorstellungen, sodass die vermittelten Unterrichtsinhalte oft nicht in der Weise gedeutet werden, wie der Lehrende erwartet. Verbunden mit einer fehlenden Kenntnis le- bensweltlicher Vorstellungen der Schüler und Schülerinnen wird der Lernprozess erschwert und ein nachhaltiger Wissenserwerb behindert.¹³ In diesem Sinne ist die Kenntnis der Schü- lervorstellungen eine wesentliche Voraussetzung für das Gelingen unterrichtlicher Lehr- Lernprozesse, wie in den folgenden Kapiteln 2.2. und 2.3. näher erläutert werden soll.

2.2. Die Bedeutung der Schülervorstellungen im Lernprozess

In Lernprozessen nehmen Schülervorstellungen eine wichtige Rolle ein, indem sie einerseits „Bausteine [bilden], aus denen das neue Wissen konstruiert werden muss“,¹⁴ und in diesem Sinne Lernen als eine Form des Anschlusslernens charakterisiert werden sollte. Andererseits können sie gleichzeitig Lernhindernisse darstellen, die diese Konstruktionstätigkeit erschweren, zumal neue wissenschaftliche Vorstellungen von den bereits vorhandenen lebensweltlichen Vorstellungen der Schüler und Schülerinnen mehr oder weniger stark abweichen können. Mit dem Ziel „die Vermittlung von Wissensbeständen und die damit verbundenen pädagogischen Aspekte in ein Gleichgewicht zu bringen“¹⁵, wurde das Modell der Didaktischen Re konstruktion als Forschungsrahmen in der Biologiedidaktik entwickelt. Im Rahmen einer ausführlichen Aufarbeitung des Modells gilt es daher im Folgenden, die Bedeutung der Schülervorstellungen im Lernprozess herauszustellen.¹⁶

2.2.1. Theoretische Grundlagen der Didaktischen Rekonstruktion

In dem Konstruktivismus hat die Naturwissenschaftsdidaktik einen fruchtbaren und flexiblen Ansatzpunkt gefunden, aus dessen Perspektive Vorgänge und Schwierigkeiten innerhalb von Lehr- und Lernprozessen erforscht sowie erklärt werden können und der somit eine Grundla- ge für die Optimierung der Wissensaneignung in der Schule schafft. Aus einer ursprünglich dem radikalen Konstruktivismus zukommenden Perspektive entwickelte sich ein breites Spektrum verschiedener Auslegungen der konstruktivistischen Sichtweise, deren „gemeinsa- me[n] Kern [jedoch] ein pragmatischer, moderater Konstruktivismus“¹⁷ bildet.¹⁸

Das Modell der didaktischen Rekonstruktion basiert auf eben dieser moderat- konstruktivistischen Sichtweise, welche Ansätze des C onceptual Change mit Positionen des sozialen Konstruktivismus verknüpft. Entgegen der Suggestion, die der Name Conceptual Change bewirkt, liegt dem moderaten Konstruktivismus ein Verständnis vom Wissenserwerb zugrunde, nach dem der Lernprozess eine „aktive Konstruktion auf […] Basis der vorhande- nen Vorstellungen“¹⁹ darstellt. Stets unter dem Einfluss von „Kultur, Machtstrukturen und Diskurse im Klassenraum“²⁰ ist dieser stark individuelle Prozess weiterhin in einen bestimm- ten sozialen Kontext eingebunden. Entsprechend werden jene in der Vergangenheit vereinzelt verbreiteten Annahmen verworfen, die Lernen als bloßen Austausch fehlerhafter, lebenswelt- licher Vorstellungen der Schüler und Schülerinnen gegen richtige, wissenschaftliche Vorstel- lungen beschreiben. Gleichzeitig wird auf aktuelle Forschungsergebnisse verwiesen, die ein- deutig zeigen, dass vorunterrichtliche Vorstellungen nicht schlicht-weg falsch sind, sondern sich in Alltagskontexten als geeignet erweisen und sich selbst nach dem Erwerb wissenschaft- licher Perspektiven bewähren. Weiterhin ist es nicht ohne Weiteres möglich, diese Vorstellungen zu ändern; häufig resultieren die schulischen Vermittlungsversuche in sog. Hybridvorstellungen - gedanklichen Konstrukte, die neue wissenschaftliche Sichtweisen mit den eigenen Vorstellungen verbinden. Ergänzend zum bereits skizzierten moderat-konstruktivistischen Verständnis heben Kattmann und Gropengießer hervor, „die Bildung neuer, fachlich orientierter Vorstellungen“²¹ umfasse „die Strukturierung und Bewertung [der] verfügbaren Vorstellungen und [letztendlich] deren angemessene Anwendung.“²²

Hinsichtlich der Diagnose und Deutung von Lernprozessen existieren einige Ansätze, die un- ter dem Terminus Conceptual Change geführt werden und zu denen u.a. die international be- kannten Theorie von Posner und Strike zählt, die der folgenden Ausführung zugrunde liegt. Zur Beschreibung von Lernprozessen greifen die beiden auf die Gedanken Piagets zurück, indem sie Prozesse des Conceptual Change als Äquilibration von Akkommodation und Assi- milation verstehen, wobei Erstere die grundlegende Erneuerung von Vorstellungen beschreibt, während Letztere die Deutung von kognitiven Konflikten mit alten Vorstellungen umfasst. Dabei weisen Posner und Strike darauf hin, der Prozess der Akkommodation beschreibe keine abrupte, sondern vielmehr eine graduelle Umstrukturierung der Vorstellungen bis hin zum „Wechsel des Konzepts“. Eine Änderung der Vorstellungen ist nach Posner und Strike weiter- hin an vier Bedingungen geknüpft, deren Ermittlung einen wesentlichen Beitrag zu den Vo- raussetzungen und Abläufen von Lernprozessen leistet.²³

1. Die Einstellung einer Unzufriedenheit hinsichtlich bestehender Vorstellungen, 2. Die neuen Vorstellungen besitzen Verständlichkeit, 3. Die neuen Vorstellungen verfügen über Plausibilität, 4. Die neuen Vorstellungen zeigen Fruchtbarkeit.²⁴

Wie bereits angemerkt stützt sich das Modell der Didaktischen Rekonstruktion auf die Theo- rie des Conceptual Change, welche jedoch durch einige kritische Anmerkungen eine Erweite- rung aus unterschiedlichen Perspektiven erhalten hat. Diese Erweiterung gilt es anhand der folgenden Abbildung 1 zu den Komponenten des Vorstellungswechsels zu erläutern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Komponenten der Conceptual Change-Theorie (nach Krüger[2007], S. 85).

Der Beitrag des Sozialkonstruktivismus umfasst die Kritik an einer zu starken Fokussierung individueller und kognitiver Lernprozesse, da in einer Reihe von Untersuchungen gezeigt werden konnte, dass nicht allein die vorunterrichtlichen Vorstellungen Lernprozesse beein- flussen, sondern der materielle und soziale Kontext ebenfalls eine bedeutende Rolle spielt.²⁵ In diesem Sinne gilt es, bei einer adäquaten Kontextualisierung sowohl die Authentizität und Situiertheit des Lernangebots (Lehr-Lern-Situation; Abb. 1) als auch die Sozietät in der Klasse (Lernklima; Abb. 1) zu beachten. Eine weitere Ergänzung vonseiten der sozialkonstruktivisti- schen Perspektive stellt die Berücksichtigung von Enkulturationsprozessen (Kultureller Rah- men, Abb. 1) dar, in denen der Erwerb und Gebrauch von Wissen in einem Kontext stattfin- den, der durch bestimmte Denk- und Handlungsweisen einer sozialen Gemeinschaft geprägt ist. Damit wären die äußeren Variablen benannt, unter deren Einfluss Lernprozesse stattfin- den.

Aus der Abbildung 1 lässt sich weiterhin entnehmen, dass ein Vergleich der gelehrten Vorstel- lungen mit den alten, lebensweltlichen Vorstellungen in einem kognitiven Konflikt resultiert, infolgedessen sich beim Schüler eine gewisse Unzufriedenheit mit den aktuellen eigenen Vor- stellungen einstellt - damit wäre nach Strike und Posner die erste Bedingung des Conceptual Change erfüllt. Vielfach wird jedoch eine zu starke Betonung der Bedeutung des kognitiven Konflikts heftig kritisiert. Krüger greift diese Kritik auf und erklärt, Lernen sei nicht aus- schließlich ein kognitives Problem, stattdessen stünden Vorstellungsänderungen weiterhin unter dem Einfluss von Motivation, Einstellung und Interesse der Schüler und Schülerinnen. Er führt den Gedanken weiter fort, indem er in Bezug auf den Motivationsaspekt erläutert, Lernende seien entweder durch innere Anreize des Lerngegenstandes motiviert - intrinsische Motivation genannt - oder durch Leistungsbewertungen bzw. -vergleiche angespornt - extrin- sische Motivation genannt.²⁶

Im Hinblick auf die Abbildung 1 bzw. den Prozess des Vorstellungsänderung bedeutet dies, dass „die gelehrte Vorstellung (W) […] beim Passieren der Filter eine Modifikation (W)“²⁷ erfährt. Der emotionale Filter verkörpert jene Informationsselektion bzw. -veränderung, die auf Grundlage von Interesse, Motivation, Selbstkonzept etc. vorgenommen wird.²⁸ Neben Krüger heben weiterhin auch Franke und Bogner das Zusammenwirken von Motivati- on, Emotion und Kognition in Lernprozessen hervor und verweisen auf einen wichtigen Zu- sammenhang von Emotionen wie Ärger, Angst, Langeweile etc. in der Motivationsbildung. Letztere sowie Lernverhalten und metakognitive Prozesse werden im Wesentlichen von der emotionalen Lage der Schüler und Schülerinnen geprägt. Letztendlich hängt auch der Kon- zeptwechsel von dieser ab. Untersuchungen zur Beeinflussung der situationsbezogenen Emo- tionen durch die Berücksichtigung der Alltagsvorstellungen zeigen, dass „das Eingehen auf die Vorstellungen der Schüler und Schülerinnen zu einem signifikant höheren Interesse und Wohlbefinden führ[t], wobei die negative Emotion [Angst] davon anscheinend nicht beein- flusst“²⁹ wird. Nach Franke und Bogner ist es von großer Bedeutung, dass sich Schüler und Schülerinnen in ihrer Lernumgebung sicher fühlen, um mit kognitiven Konflikten im Unter- richt adäquat umzugehen. Diese Sicherheit wirkt sich letztendlich förderlich auf die Vorstel- lungsänderung aus.³⁰

Weiterhin verweist die Abbildung 1 auf die Existenz eines kognitiven Filters, der wiederum metakognitive Erfahrungen und die individuelle Rahmentheorie der Schüler und Schülerinnen umfasst, durch die ebenfalls eine Modifikation der fachlichen Vorstellungen vorgenommen wird. Metakognitive Erfahrungen beschreiben das Bewusstsein „der begrenzten Haltbarkeit des eigenen Wissens [und] dessen Hypothesencharakter.“³¹ Die individuelle Rahmentheorie „besteht [wiederum] aus ontologischen und epistemologischen Grundannahmen, die in früher Kindheit erworben […], bestätigt wurden […], meist nicht bewusst sind“³² und die sich auf „das Wesen der Naturwissenschaft im Allgemeinen“³³ beziehen. Es handelt sich um tief ver- ankerte Vorstellungen, die häufig eine Veränderung konkreter fachlicher Inhalte erschweren - die Persistenz vieler alter Vorstellungen gründet in eben diesen Überzeugungen.³⁴

Zuletzt kann der Abbildung 1 entnommen werden, dass die modifizierte, gelehrte Vorstellung im Hinblick auf ihre Plausibilität und Verständlichkeit geprüft wird. Wie bereits zuvor angemerkt wurde, bedeutet conceptual change nicht, dass alte lebensweltliche Vorstellungen gegen neue fachliche Positionen ausgewechselt werden. Sodass letztendlich die neue fachorientierte Vorstellung Elemente der alten Vorstellung und der gefilterten, fachlichen Vorstellung beinhaltet. Neben der Überprüfung der Plausibilität und Verständlichkeit gilt es, diese letztendlich hinsichtlich der Fruchtbarkeit einzuschätzen.³⁵

Unter Berücksichtigung der eben skizzierten Erweiterungen schafft die Conceptual Change Theorie eine stabile Basis für die Deutung von Lehr-Lernprozessen und bildet gleichzeitig erste Bausteine für die Optimierung von Lehren und Lernen.

2.2.2. Das Modell der Didaktischen Rekonstruktion

Eine Optimierung von Lehren und Lernen wird nach dem Modell der Didaktischen Rekon- struktion unter der Voraussetzung erreicht, dass wissenschaftliche Vorstellungen mit den Sichtweisen der Schüler und Schülerinnen verknüpft und zueinander in Beziehung gesetzt werden. Auf diese Weise wird eine Grundlage geschaffen, welche die Entwicklung von all- gemeinen Grundsätzen bis hin zu einzelnen, konkreten Unterrichtselementen zulässt, sodass unterrichtliche Inhalte nicht ausschließlich von der jeweiligen wissenschaftlichen Disziplin vorgegeben werden, sondern zunächst in pädagogische Zielsetzung hergestellt - didaktisch rekonstruiert - werden müssen.³⁶

Während bei der Erforschung von naturwissenschaftlichem Unterricht bisher die fachliche Klärung sowie die Deutung von Schülerperspektiven und das Herausstellen von bestehenden Korrespondenzen vorausgesetzt wurden, begreift das Modell der Didaktischen Rekonstrukti- on diese Tätigkeiten als bedeutende wissenschaftliche Forschungsarbeit und erklärt diese zur unverzichtbaren Voraussetzung für die Unterrichtsplanung. Es werden drei Untersuchungs- aufgaben unterschieden - die fachliche Klärung, das Erfassen von Schülervorstellungen und die didaktische Strukturierung - die im Zusammenhang mit dem Modell als Teilmodule bezeichnet werden und deren Verhältnis zueinander durch einen engen Bezug und Wechselwirkungen beschrieben werden kann.³⁷

Die Darstellung des Beziehungsgefüges dieser drei Module kann mit dem sog. fachdidakti- schen Triplett realisiert werden. Demgemäß besteht zwischen den wissenschaftlichen und lebensweltlichen Aspekten eine enge Interdependenz, da Resultate der fachlichen Klärung den Umgang mit Schülervorstellungen beeinflussen, während umgekehrt diese einen starken Ein- fluss auf die Interpretation und Darstellung fachliche Perspektiven ausüben. Weiterhin bildet die Ermittlung der Korrespondenzen zwischen diesen Teilmodulen eine Basis, auf der letzt- endlich die didaktische Strukturierung und folglich die Entwicklung fachlicher Konzepte für den Unterricht aufbauen. In diesem Zusammenhang gilt es anzumerken, dass sowohl wissen- schaftliche als auch lebensweltliche Vorstellungen als Konstrukte der jeweiligen Wissen- schaftsdisziplin bzw. des jeweiligen Schülers betrachtet werden und einen gleichwertigen Nutzen für weitere Planungsvorhaben besitzen. Forschungstätigkeiten in den Modulen Fach- liche Klärung und Erhebung von Schülervorstellungen unterliegen wiederum von vornherein dem Einfluss der didaktischen Strukturierung, als dass „die Vermittlungsabsicht die Auswahl der fachlichen Inhalte und der zu erfassenden Bereiche von Schülervorstellungen begrenzt.“³⁸ Die fachliche Klärung als eine der drei Untersuchungsaufgaben beinhaltet die kritische, me- thodisch kontrollierte und systematische Untersuchung fachwissenschaftlicher Erkenntnisse, die deshalb von enormer Bedeutung ist, da es einer metasprachlichen Perspektive bedarf, „um zwischenfachliche und überfachliche Bezüge in den Blick zu bekommen.“³⁹ In diesem Sinne gilt es, fachwissenschaftliche Vorstellungen wie sie in wissenschaftlichen und schulischen Lehrbüchern vorzufinden sind, nicht von vornherein als korrekt und vollständig umstandslos zu übernehmen. Denn auch hierbei handelt es sich um persönliche Konstrukte, die dement- sprechend oft persönliche Positionen enthalten oder historische Deutungen unreflektiert dar- stellen. Unter steter Vermittlungsabsicht gilt es demnach, sich die einem Thema zugehörigen fachlichen Theorien, Methoden und Termini anzueignen, diese zu strukturieren, adäquat dar- zustellen und in diesem Sinne eine fachliche Klärung vorzunehmen. Charakteristische und zugleich obligatorische Fragen lauten wie folgt:

1. Welche fachwissenschaftlichen Aussagen liegen zu diesem Thema vor und wo zeigen sich deren Grenzen?
2. Welche Genese, Funktion und Bedeutung haben die fachlichen Begriffe, und in welchem Kontext stehen sie jeweils?
3. Welche Fachwörter werden verwendet, und welche Termini legen durch ihren Wortsinn lernhinderliche bzw. -förderliche Vorstellungen nahe.

Den Gegenstand fachlicher Klärung bilden aktuelle Theorien und Termini hinsichtlich eines Themas sowie veraltete und historische Theorien, vorausgesetzt diese bringen einen Nutzen für die Deutung von Schülervorstellungen. Methodisch greift die Fachdidaktik auf die qualita- tive Inhaltsanalyse zurück, die sie aus der Sozialwissenschaft übernimmt und letztendlich die Untersuchungen der Quellentexte den Schritten Zusammenfassung, Explikation und Struktu- rierung folgend durchführt. Im Rahmen der fachlichen Klärung gelten entsprechende Lehrbü- cher und wissenschaftsgeschichtliche Monographien als Quellen, wobei möglichst auf Origi- naltexte zurückgegriffen wird. Hinsichtlich der Entscheidung, welche Annahmen es zum ent- sprechenden Thema auszuwählen gilt sowie inwieweit diese für die Schüler von Bedeutung und Nutzen sein könnten, liegen keine Vorgaben vor. Bei der Auswahl geeigneter Hypothesen sollte für jede historisch bedeutsame und aktuelle Anschauung jeweils einen herausragenden Text bestimmt werden, der in einer repräsentativen Funktion steht.⁴⁰

Gegenstand der zweiten Untersuchungsaufgabe - dem Erfassen von Schülervorstellungen - bilden alle wissenschaftsorientierten, sowie lebensweltlichen Vorstellungen zu einem ausge- wähltem Thema, die es als kognitive Konstrukte der Komplexitätsebenen Begriff, Konzept, Denkfigur und Theorie aufzufassen gilt. Die Interpretation der Schülervorstellungen findet unter Berücksichtigung der Sinnunterstellung statt, wonach es stets zu beachten gilt, dass „Vorstellungen [...] für den Schüler in bestimmten Kontexten Sinn machen […], und [...] in- nerhalb des jeweiligen Rahmen kohärent und stimmig“⁴¹ sind. Erscheinen diese jedoch abwe- gig oder widersprüchlich, kann davon ausgegangen werden, dass sie vonseiten des Interpreten noch nicht vollständig erfasst und verstanden wurden. Insofern ist es wichtig, an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass von wissenschaftlichen Anschauungen abweichende Schülervorstel- lungen keine Fehlvorstellungen darstellen, stattdessen eine solche Einschätzung aus einer un- angemessenen Interpretation resultiert. Folglich darf eine Beurteilung der entsprechenden Anschauungen nicht auf einem fachlichen Raster basieren, das unabhängig vom Kontext an das Vorverständnis der Schüler angelegt wird.

Ein Vergleich wissenschaftlicher und lebensweltlicher Perspektiven setzt zunächst voraus, dass erkennbare Konzepte aufgedeckt und verallgemeinert werden. Ausschließlich auf diese Weise können Aussagen bezüglich der Struktur und Qualität getätigt werden. Ziel der Unter- suchungen ist in diesem Sinne die „Identifizierung bereichs- und themenspezifischer Denk- weisen“,⁴² daher sind Informationen hinsichtlich der Quantität erhobener Vorstellungen innerhalb einer Schülergruppe von geringerer Bedeutung. Mit der Absicht, die individuellen Denkstrukturen besser zu erfassen und vergleichbarer zu gestalten, werden von den jeweiligen Vorstellungen Kategorien erschlossen. Zur Eruierung von Schülervorstellungen werden u.a. folgende Fragen herangezogen:

1. Welche Vorstellungen haben Schüler und Schülerinnen zu einem bestimmten Thema?
2. Stammen die Vorstellungen aus lebensweltlichen oder fachlichen Kontexten?
3. Welche unterschiedlichen Bedeutungen werden zentralen Fachwörtern zugewiesen?

Das methodische Vorgehen bedarf es, stets im Hinblick auf die Fragestellung und den Untersuchungsgegenstand auszuwählen - entsprechend gilt es, das Kriterium der Gegenstandsangemessenheit zu berücksichtigen.⁴³

Die Didaktische Strukturierung als drittes Teilmodul sieht eine Verknüpfung der Ergebnisse der fachlichen Klärung mit jenen der Ermittlung von Schülervorstellungen vor. Zu diesem Zweck wird ein Vergleich der verallgemeinerten Vorstellungen der Wissenschaftler und Schü- ler vorgenommen, indem die Konzepte, Denkfiguren und Theorien beider Positionen zuei- nander in Beziehung gesetzt werden. Ziel ist es, auf diese Weise Charakteristika beider Sicht- weisen herauszustellen sowie die bestehenden lernförderlichen Korrespondenzen und abseh- baren Lernschwierigkeiten auszumachen. Charakteristische Fragestellungen der didaktischen Strukturierung lauten wie folgt:

1. Welche Korrespondenzen und unterrichtlichen Möglichkeiten eröffnen sich aus dem Vergleich der Vorstellungen von Wissenschaftlern und Schülern?
2. Welche Schülerperspektiven sind bei der Vermittlung von Begriffen und bei der Verwendung von Termini zu beachten?
3. Welche metasprachlichen und metakognitiven Denkwerkzeuge können für ein angemesseneres und fruchtbares Lernen nützlich sein?⁴⁴

Methodische Basis der Untersuchungen bildet der wechselseitige Vergleich, mit dem eine Charakterisierung der Ermittlungsergebnisse aus der jeweils anderen Perspektive beabsichtigt wird. Unter Vermittlungsabsicht sollen sich demnach die Resultate der fachlichen Klärung und der Erhebung von Schülervorstellungen gegenseitig beleuchten. Hierzu werden Suchraster verwendet, die sich in folgende Kategorien einteilen lassen:

Eigenheiten beschreiben Konzepte bezüglich bestimmter Inhalte, die entweder für wissen- schaftliche Anschauung oder Schülervorstellungen charakteristisch und demnach jeweils einer Position eigen sind. Hingegen umfassen Gemeinsamkeiten gleichgerichtete oder kongruente Vorstellungen zu bestimmten Themenbereichen und sind Bestandteile sowohl lebensweltlicher als auch fachlicher Positionen. Hinsichtlich eines bestimmten naturwissenschaftlichen Phänomens können zudem auch verschiedene Vorstellungen vorliegen, wobei diese Verschiedenheiten durchaus Gegensätze als auch Widersprüche darstellen können. Begrenztheiten bilden eine weitere Kategorie des wechselseitigen Vergleichs, wobei die Grenzen der wissenschaftlichen Anschauung oder der Schülervorstellung jeweils durch die Eigenheiten der anderen Perspektive aufgedeckt werden können.⁴⁵

Wie bereits zuvor angemerkt, zeichnet sich die Beziehung der Teilmodule durch eine beste- hende Wechselwirkung aus, sodass jedes Teilmodul von den anderen Modulen abhängig ist. Aus diesem Grund ist weder eine gleichzeitige Bearbeitung aller drei Untersuchungsaufga- ben, noch die Ausführung einzelnen Aufgaben in linearer Abfolge möglich. Einzig das iterati- ve Vorgehen eignet sich. Jenes sieht eine Fortführung der entsprechenden Untersuchungsauf- gabe jeweils bis zu dem Punkt vor, wie es der Stand der übrigen Aufgaben erlaubt oder die Untersuchungen im Rahmen der Teilmodule fördert. Auf diese Weise können „die Analyse, die empirischen Untersuchungen und die Entwicklung der didaktischen Strukturierung [wie- derkehrend] auf erweiterter Basis aufgenommen und in ein wachsendes und vertieftes Ver- ständnis übersetzt“⁴⁶ werden. Die auf diese Weise didaktisch aufbereiteten Inhalte gestalten sich komplexer als jenes fachliche Wissen, wobei diese Komplexität erforderlich ist, „damit Schülerinnen und Schüler angemessene Vorstellungen entwickeln können.“⁴⁷ Letztendlich handelt es sich bei lebensweltlichen Vorstellungen um Ergebnisse der vergangenen Lernge- schichte, die den Schülern und Schülerinnen eine gewisse Orientierung in neuen Lernsituatio- nen bieten und die es dementsprechend als unverzichtbare Anknüpfungspunkte zu betrachten gilt, von denen ausgehend es Lernwege zu fachlichen Vorstellungen zu gestaltet gilt.⁴⁸

2.2.3. Von Schülervorstellungen zur Kompetenzerweiterung

Der Kompetenzbegriff bzw. Kompetenz-Komplex gewinnt seit 2000 in der Bildungstheorie und Schulpolitik verstärkt an Bedeutung - den diskursiven Kontext formen die Bildungsde- batten im Zusammenhang mit den Ergebnissen der internationalen Schulleistungsuntersu- chungen. Die Entwicklung von Kompetenzen in verschiedenen Domänen wird zum Bildungs- ziel ernannt, wobei diese Entscheidung aus dem Wechsel des Blickwinkels resultiert: Weg von der einseitigen Fokussierung der Lehrinhalte, hin zu den Lernprozessen selbst, sowie letztend- lich den Ergebnissen.⁴⁹

Unter Ergebnissen versteht man jedoch in diesem Zusammenhang nicht ausschließlich Wissen im Sinne der Kenntnis bspw. naturwissenschaftlicher Erscheinungen, sondern vielmehr die erworbenen Kompetenzen. Jene wiederum beschreiben, „die bei Individuen verfügbaren oder durch sie erlernten kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmte Probleme zu lösen, sowie die damit verbundenen motiva- tionalen, volitionalen und sozialen Bereitschaften und Fähigkeiten, um die Problemlö- sung in variablen Situationen erfolgreich und verantwortungsvoll nutzen zu können.“⁵⁰

Aufbauend auf dem Kompetenzverständnis nach Weinert liefert das Studienseminar in Kob- lenz ein praxisorientiertes Modell für den Lehr-Lernprozess im naturwissenschaftlichen Un- terricht, das zur Planung und Reflexion eines kompetenzorientierten Unterrichts genutzt wer- den kann. Im Rahmen des Modells gilt es, innerhalb des kompetenzorientierten Unterrichts Lehr-Lern-Prozesse herauszustellen, diese in ihren Abläufen ausführlich zu beschreiben, so- wie Rollen und Aufgaben von Lehrer und Lernen zu benennen. Dies erfolgt stets im Hinblick auf den Erwerb und die Erweiterung von Kompetenzen und unter besonderer Berücksichti- gung der Schülervorstellungen.⁵¹

Das Modell grenzt sich dahingehend von anderen Lehr-Lern-Modellen ab, insofern es den Fokus auf das Lernen setzt und mit Deutlichkeit darauf hinweist, „Lehrprozesse [seien] nur so gut wie sie den Lernprozessen förderlich sind.“⁵² Bereits in dieser Äußerung wird auf eine Trennung zwischen den Prozessen Lehren und Lernen hingewiesen. Innerhalb dieser Prozes- se, die sich in einer ständigen Wechselwirkung befinden, nehmen sowohl Lerner als auch Lehrer klar definierte Rollen ein: Das Lernen wird dem Schüler zugesprochen, während die Steuerung, Moderation und Förderung der Lernprozesse in das Aufgabenfeld der Lehrkraft fallen.⁵³

Diese klare Rollenverteilung erscheint vor dem Hintergrund nachvollziehbarer, dass Lernen auf Basis vorhandener Vorstellungen stattfindet und Vorstellungen - seien es wissenschaftli- che oder alltägliche - demnach weder weitergegeben, noch aufgenommen werden.⁵⁴ Insofern kommt dabei der Lehrkraft „die Rolle der Prozessbegleitung zu, indem sie regelt und steuert. Ihre Aufgabe ist es, Lernumgebungen zu planen und zu schaffen, in denen […] Schülerinnen und Schüler handelnd mit Wissen umgehen und zu 'definierten' Lernergebnissen kommen.“⁵⁵

Letztendlich ist die Lehrkraft nicht zur Weitergabe von Vorstellungen befähigt, jedoch zur Unterstützung der Vorstellungsänderung, woraus sich die eben dargelegte Aufgabe ergibt. Der Lernprozess umfasst insgesamt sechs aufeinander folgende Lernschritte, die wiederum je nach Unterrichtsfach, Thema oder Kompetenz gewisse Änderungen bzw. aufweisen können: Dem Modell folgend beginnt der Lernprozess mit dem Entdecken der Problemstellung - auch als Ankommen im Lernkontext bezeichnet. Im Lernkontext ankommen bedeutetet einen eige- nen Zugang zur unterrichtlichen Thematik finden und kann weiterhin durch die Anknüpfung an das Vorwissen und die Erfahrungen der Schüler und Schülerinnen realisiert werden. Häufig führt dies dazu, dass Lernende die Unterrichtsthematik eigenständig erarbeiten. Das Modell sieht vor, im Rahmen des ersten Lernschritts „das affektive und kognitive System des Lerners […] ins Ungleichgewicht [zu bringen] und damit den Lernanreiz [zu schaffen], das [...] Sys- tem wieder ins Gleichgewicht zu bringen.“⁵⁶ Ausgelöst wird dieser Prozess durch eine „Stö- rung“, wie der Äußerung einer provokanten oder irritierenden These, die man im Rahmen des Modells als kalkulierte Überforderungen bezeichnet.⁵⁷

Wie bereits in Kapitel 2.2.1. erläutert, stellt nach Strike und Posner diese „Störung“ eine wichtige Voraussetzung für die Umstrukturierung eigener bestehender Vorstellungen dar, vo- rausgesetzt, diese führt zur Unzufriedenheit mit den eigenen Vorstellungen. Schüler konstruie- ren auf Basis von Alltagserfahrungen sowie Inhalten des Unterrichts eigene Vorstellungen, die entsprechend subjektiv geprägt sind und zunächst als sinnvoll und kohärent empfunden wer- den. Erst wenn das Vertrauen in alte Vorstellungen verloren geht - bspw. infolge eines kogni- tiven Konflikts - stellt sich die Bereitschaft ein, neue wissenschaftliche bzw. wissenschafts- orientierte Anschauungen anzunehmen. In seinen Ausführungen zum Conceptual Change warnt Krüger, der kognitive Konflikt bewirke keine unmittelbare Umorganisation eigener Vorstellungen, sondern initiiere einen kontinuierlichen Konstruktionsprozess, der sich durch graduelle Veränderung auszeichnet. Weiterhin sei dieser Prozess „nicht nur ein kognitives Problem“,⁵⁸ stattdessen spielen affektive Faktoren wie Motivation, Interesse, Einstellungen, aber auch persönliche Ziele sowie das Wohlbefinden in der Sozietät eine große Rolle.⁵⁹

Es liegt nun an der Lehrkraft, unter Berücksichtigung dieser Einflussfaktoren den Lernprozess „professionell“ zu steuern. Während Aufgabenstellung, Lernmaterialien und Methoden Steu- erinstrumente materieller Art darstellen, sind wiederum Moderation, Diagnose und Rückmel- dung personaler Art. Eine angemessene Berücksichtigung der eben genannten affektiven Fak- toren zeigt sich in dem Verständnis von der Gestaltung und der Bedeutung der Steuerinstru- Original).

mente:

Aufgabenstellungen beinhalten Arbeitsaufträge, Lernmaterialien und Methoden […]. Diese Aufgabenstellungen sind [...] solche im Lernraum [...], d.h. sie lassen Fehler zu und sind nicht auf 'richtige' Lösungen hin konzipiert. Gute Aufgabenstel- lungen berücksichtigen den individuellen Kompetenzstand der Lerner [und] sind binnendifferenziert - also gestuft und individualisiert […]. Die Aufgabenstellungen sollten zudem angemessen fordernd sein, also hinreichend komplex, bedeutsam, au- thentisch, anspruchsvoll und an die Lerngruppe angepasst sein.“⁶⁰

Lernmaterialien (Experimentiermaterialien, Texte, Zeichnungen, etc.) werden in die Aufga- benstellung eingebunden. Sie unterliegen einer didaktischen Aufbereitung und sind dahinge- hend auszuwählen, dass ein gewisses Potential zur Kompetenzentwicklung erkennbar ist. Die Lernmaterialien werden moderierend in den Lernprozess einbezogen, während die Moderati- on abhängig vom Lernschritt stattfindet - „zurückhaltend und diagnostizierend im 1. und 2. Schritt, beratend und unterstützend im 3. Schritt, diagnostizierend und zusammenbindend im 4. Schritt, [sowie] kategorisierend und strukturierend im 5. und 6. [Lern]schritt.“⁶¹

Dem ersten Lernschritt schließt sich die öffentliche Mitteilung bestehender Erfahrungen und dem Wissen der Schüler an, welches durch die Entwicklung und Verbalisierung von individu- ellen Vorstellungen zur unterrichtlichen Problemstellung ermöglicht wird. Neben Vorerfah- rungen und Vorwissen werden ebenfalls Meinungen und Einstellungen geäußert.⁶² Nach Gropengießer bedeutet Lernen neben der „Bildung neuer, fachlich orientierter Vorstel- lungen, die Strukturierung und Bewertung verfügbarer Vorstellungen [sowie] deren angemes- sene Anwendung.“⁶³ Dieser Umgang mit bestehenden Vorstellungen dürfte ein gewisses Be- wusstsein eigener Anschauungen sowie jener der Mitschüler voraussetzen, das durch ein Dar- legung und Diskussion von Vorkenntnissen und Erfahrungen im Plenum geschaffen werden könnte. Letztendlich dürften die jeweiligen Perspektiven durch die Verbalisierung für die Schüler und Schülerinnen fassbar werden, sodass diese mit ihnen weiterarbeiten können. In einer Studie haben weiterhin Franke und Bogner Auswirkungen der Einbeziehung von Schülervorstellungen in den Unterricht auf die situationsbezogenen Emotionen Wohlbefinden, Interesse und Angst untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Auseinandersetzung der Schüler und Schülerinnen mit ihren eigenen sowie fremden Vorstellungen ein erhöhtes situationsbezogenes Interesse und Wohlbefinden bewirkt wurden. Das Gefühl des Wohlbefin- dens bzw. der Sicherheit in einer Lernumgebung wirkt sich wiederum förderlich auf die Vor- stellungsänderung der Schüler aus. Vor diesem Hintergrund wird die Bedeutung des Lern- schritts Vorstellungen entwickeln besonders deutlich.⁶⁴

Der dritte Lernschritt sieht die Erstellung des Lernprodukts, die Bearbeitung des Lernmateri- als und die Auswertung der Informationen vor. Neue Daten, Erfahrungen und Anstöße von Außerhalb nutzen die Schüler und Schülerinnen als Bausteine für die Rekonstruktion von Vorstellungen. Hierzu werden ihnen Lernmaterialien in Form von Texten, Arbeitsblättern, Experimentiermaterialien, Lehrervorträgen etc. zur Verfügung gestellt, wobei dies entweder durch Medien, Methoden-Werkzeuge oder die Lehrperson selbst erfolgt. Die Bearbeitung der Lernmaterialien führt zur Erstellung von Lernprodukten, die sowohl materieller Art (Bild, Skizze, Experiment, etc.) als auch immaterieller Art (Erkenntnisse) sein können. Das Resultat sind neue Vorstellungen - häufig Hybridvorstellungen - die auf den grundlegenden Mecha- nismen der Erweiterung und Präzisierung bereits vorhandener Vorstellungen basieren.⁶⁵

Die Annahme neuer Vorstellungen durch den Schüler ist neben der Unzufriedenheit an drei weitere Bedingungen geknüpft, zu denen Strike und Posner die Verständlichkeit, die Plausibi- lität und die Fruchtbarkeit zählen. Demzufolge muss es den Schülern möglich sein, die neue Perspektive rational zu begreifen, wobei Analogien zu bereits vorhandenen Konzepten für das Verständnis förderlich sind. Plausibel erscheinen wiederum jene Vorstellungen, die zumindest in Teilen konsistent mit der bisherigen Sichtweise des Schülers sind, sowie den Anschein er- wecken hinsichtlich der Problemlösung geeigneter bzw. effektiver zu sein als alte Vorstellun- gen. Mit der Fruchtbarkeit von Vorstellungen ist zuletzt gemeint, dass diese eine Anwendung auf andere Bereiche ermöglichen und demzufolge neue Entdeckungen eröffnen.⁶⁶

Innerhalb des dritten Lernschritts erfolgt letztendlich zwar ein wichtiger Lernzuwachs (bzw. eine bedeutende Kompetenzerweiterung), dieser befindet sich jedoch noch in einem Stadium der Instabilität und bedarf einer Festigung im Verlauf des vierten Lernschritts. Für die Um- strukturierung eigener Vorstellungen bedeutet dies, dass die neue wissenschaftsorientierte Perspektive den Schülern nicht sogleich und im Ganzen verständlich, plausibel und fruchtbar erscheint - es liegt kein abrupter Vorstellungswechsel vor. Vielmehr lassen sich in den folgen- den Lernschritten sowie darüber hinaus graduelle Veränderungen beobachten.⁶⁷

Der vierte Lernschritt sieht wiederum eine Präsentation der neu erworbenen Vorstellungen vor, indem diese vonseiten der Schüler in Worte gefasst sowie mit den Sichtweisen der Mit- schüler verglichen werden. Es folgt eine Umwälzung und Verhandlung der dargelegten Vor- stellungen, sodass schließlich als Resultat der Diskussion die Einigung auf eine gemeinsame Erkenntnis erzielt wird. Letzteres wird durch das Herausstellen eines gemeinsamen Kerns realisiert.⁶⁸

Im darauffolgenden Lernschritt wird den Schülern und Schülerinnen der erzielte Lernzuwachs durch den Vergleich mit den Vorstellungen aus Phase 2 deutlich, sodass eine gewisse Lernbe- wusstheit entwickelt werden kann. Zu diesem Zweck gilt es vonseiten der Schüler, den Lern- zuwachs an neuen Aufgaben zu „testen“, wobei dieser als handelnder Umgang mit Wissen erprobt wird. Hierzu wenden die Lerner die erworbenen Kenntnisse auf neue Aufgabenstel- lungen (womöglich auch in neuen Kontexten) an und können auf diese Weise feststellen, in- wieweit der erreichte Kompetenzzuwachs ihnen ein sicheres und erfolgreiches Handeln mit Wissen erlaubt.⁶⁹

Durch den Vergleich der individuellen Vorstellungen vor und nach dem Lernprozess, können der Lernzuwachs ermittelt und die Lernvorgänge, sowie das eigene Können reflektiert wer- den. Im Zusammenhang mit den Ausführung zur Conceptual Change Theorie betont Krüger neben der Bedeutung affektiver Elemente ebenfalls die besondere Rolle der Metakognition. Diese sei ein wichtiger Bestandteil von Lernprozessen, „um über den Erkenntnisweg zu re- flektieren“,⁷⁰ sowie sich der begrenzten „Haltbarkeit des eigenen Wissens, dessen Hypothe- sencharakter und dessen Falsifizierbarkeit bewusst zu sein.“⁷¹ In den metakognitiven Defizi- ten vieler Lerner sieht er die Ursache einer geringen Kohärenz von Alltagswissen und schuli- schem Wissen, da Schüler und Schülerinnen nur selten die Zusammenhänge ihres Wissens überprüfen und demnach dieses nicht als bruchstückhaft oder widersprüchlich wahrnehmen.⁷² Die Annahmen hinsichtlich der besonderen Relevanz metakognitiver Erfahrungen teilt auch das Lehr-Lern-Modell, stellt jedoch nicht die Kohärenz von Alltagswissen in den Mittelpunkt, sondern das Bewusstsein eigener Fähigkeiten, das Vertrauen in diese und die Persönlichkeit:

„Von der Lehrkraft angeleitete Reflexionen über die Lernvorgänge (Metareflexionen) und individuelle qualifizierte Rückmeldungen […] sind im Lernprozess wichtig zur Entwicklung eines Könnensbewusstseins, einer Lernerpersönlichkeit und eines Selbstvertrauens.“⁷³

Schließlich findet im letzten Lernschritt eine Dekontextualisierung der erworbenen Kenntnis- se statt, welche eine Voraussetzung für die beliebige Verfügbarkeit des neuen Wissens dar- stellt. Dies umfasst die Anwendung dessen in neuen Kontexten, sodass eine Verankerung der Kenntnisse in Begriffs- und Wissensnetzen bewirkt wird, das ihnen eine gewisse Nachhaltig- keit verleiht. Mit dem sechsten Lernschritt wird letztendlich das zu Beginn ausgelöste Un- gleichgewicht des affektiven und kognitiven Systems wieder ins Gleichgewicht gebracht.⁷⁴

Wie bereits durch die Anwendung der konstruierten Vorstellungen in neuen Aufgabenstellungen (Lernschritt 5) können die Lerner die Erfahrung machen bzw. erneut bestätigen, die neu erworbenen Vorstellungen seien auf andere Bereiche anwendbar, und sind „eine verständliche und plausible Alternative zu [den] bisherigen Vorstellungen.“⁷⁵

2.2.4. Zum Forschungsgegenstand

Schwerpunkt der Forschung in der Biologiedidaktik bildeten in den vergangenen Jahren Analysen „der Inhaltsstruktur und der kognitiven und motivationalen Organisation [vom] biologischen Wissen […], sowie Untersuchungen zu experimentellen oder Freilandunterricht.“⁷⁶ Unter empirisch-sozialwissenschaftliche Projekte dieser Forschungsarbeiten fallen u.a. Untersuchungen zur Entwicklung von Vorstellungen, da die Annahme existiert, der beschränkte Erfolg unterrichtlicher Vermittlungsversuche sei auf die Unterschiede zwischen konstruierten Schülervorstellungen und vom Lehrer intendierten Vorstellungen zurückzuführen. Neben der Optimierung des Biologieunterrichts dienen diese Arbeiten jedoch zudem der Gewinnung von allgemeinen Erkenntnissen über Lehr- und Lernprozesse.⁷⁷

Auch wenn Schülervorstellungen einen bedeutenden Gegenstand aktueller Forschung formen, handelt es sich bei Forderung, Schülervorstellung als Ansatzpunkt der Unterrichtsplanung zu nutzen um keine neue Einsicht. Im Gegenteil, so lassen sich die ersten Ansätze auf einen Zeit- raum vor ca. 180 Jahren datieren. Im Wegweiser für Lehrer findet diese Erkenntnis bereits 1835 durch die Worte von Diesterweg ihren Ausdruck, der unmissverständlich erklärt, „ohne die Kenntnis des Standpunktes des Schülers [sei] keine ordentliche Belehrung desselben mög- lich.“⁷⁸ 133 Jahre später werden diese Worte von Ausubel aufgegriffen, welcher zusammen- fassend darlegt, „der wichtigste Faktor, der das Lernen beeinflusst, [sei], was der Lernende schon weiß. Man berücksichtige dies und lehre entsprechend.“⁷⁹ Dieser Konsens hinsichtlich der Bedeutung von Schülervorstellungen im Lernprozess konnte jedoch zu dieser Zeit in der Schulpraxis keinen Fuß fassen.⁸⁰

Erst Anfang des 20. Jahrhunderts werden empirische Untersuchungen zu den lebensweltlichen Vorstellungen von Schülern und Schülerinnen durchgeführt, beziehen sich jedoch zunächst ausschließlich auf Phänomene und Begriffe aus der Naturwissenschaft. Ab Mitte der 1970er Jahre steigt das Interesse an der Erforschung von Schülervorstellungen, beschränkt sich jedoch ebenfalls auf Untersuchungen im Rahmen der Naturwissenschaftsdidaktiken. Den zentralen Schwerpunkt der Forschungsarbeit bildet zunächst lediglich die Erhebung von Schülervorstellungen, während Konsequenzen für den Unterricht erst mit Verzögerung an Bedeutung gewinnen. Ab Anfang der 90er Jahre kann weiterhin eine Tendenz zur zunehmenden Untersuchung von Lehrervorstellungen sowie von wissenschaftstheoretischen und metakognitiven Vorstellungen bezüglich Schülern und Lehrern beobachtet werden.⁸¹

Eine Übersicht hinsichtlich internationaler Veröffentlichungen aus dem Bereich naturwissenschaftlicher Unterrichtsforschung bietet die Bibliografie STCSE - Students' and Teachers Concepetions and Science Education, dessen Zusammenstellung Reinders Duit übernommen und März 2009 beendet hat. Die Forschungsbibliographie enthält ca. 8400 Einträge - hiervon zahlreiche Beiträge zum Forschungsfeld Schülervorstellungen in den Fächern Biologie, Chemie, Physik und den Geowissenschaften.⁸²

Schülervorstellungen werden zu unterschiedlichen Themen erhoben, wobei innerhalb der Didaktik der Geowissenschaften die Themenfelder Astronomie, Geologie und Geomorphologie, Atmosphäre (Wetter und Klima) und Hydrosphäre Schwerpunkte der Forschung bilden.⁸³ In der Physikdidaktik gilt es, Schülervorstellungen zu den Bereichen Mechanik, Thermodynamik, Teilchenvorstellungen, Optik und Elektrizitätslehre zu ermitteln.⁸⁴ Eine Übersicht jener Themen des Chemieunterrichts, zu denen Erhebungen von Schülervorstellungen vorgenommen wurden bzw. werden, liegt nicht vor.

Neben der Bibliographie STCSE kann über die Fachsektion Didaktik der Biologie ein Verzeichnis biologiedidaktischer Dissertationen und Habilitationen aufgerufen, sowie über den Erkenntnisweg Biologiedidaktik auf ausgewählte Beiträge der Frühjahrsschule des VBios (Tagung für Nachwuchswissenschaftler/innen in der Biologiedidaktik) zugegriffen werden, die einen Überblick der Forschungsbeiträge zum Fach Biologie - unter anderem im Bereich Schülervorstellungen - liefern.⁸⁵

Forschungsansätze, die sich mit Schülervorstellungen zu den Anpassungen an extreme Hitze und Trockenheit auseinandersetzen bzw. zu den Angepasstheiten der Tiere in extremen Lebensräumen, können nicht verzeichnet werden.

Zwar liegen Untersuchungen zu den extremen Lebensräumen Wüste und Polargebiete vor, jedoch handelt es sich dabei um Forschungsbeiträge innerhalb der Geografiedidaktik, sodass typische Inhalte des Geografieunterrichts Gegenstand der Erhebung sind. Während die Untersuchungen der Dissertation Schülervorstellungen zu Wüsten und Desertifikation Themenbereiche wie die Entstehung von Wüsten, klimatische Verhältnisse sowie Prozesse und Folgen der Desertifikation abdecken,⁸⁶ gilt es im Rahmen der explorativ angelegten Studie Schüler vorstellungen zur eisigen Welt der Polargebiet e lebensweltliche Vorstellungen zu Aspekten wie der Gestalt von Polargebieten, Landeismassen, Meereis, sowie Ursachen und Folgen eines Schmelzens der Polkappen zu erfassen.⁸⁷

Stattdessen werden einige Konzepte und Denkfiguren, die es im Zusammenhang mit den Vorstellungen zu den Anpassungen an Wüstengebiete herauszustellen gilt, als Teilaspekte verschiedener Untersuchungen in einem anderen Kontext thematisiert.

Als Beispiel seien die Untersuchungen von Baalmann et al. genannt, die eine Erhebung der Schülervorstellungen zu den Prozessen der Anpassung umfassen, jedoch ausschließlich „mit dem Schwerpunkt auf evolutive Prozesse […] und nur mittelbar zum Zustand“⁸⁸ durchgeführt wurden. Auf Grundlage eines zuvor erstellten Leitfadens gilt es in offenen, problemzentrierten Interviews, Schüler und Schülerinnen der Klassen 11 bis 13 hinsichtlich ihrer Vorstellungen zu den Aspekten der natürlichen Selektion, der Variabilität, dem Kampf ums Überleben, etc. zu befragen. Im Rahmen der Erhebung können drei Denkfiguren herausgestellt werden, die das Denken der Schüler und Schülerinnen zu den Prozessen der Anpassung besonders prägen: Denkfigur 1: Gezieltes adaptives Handeln von Individuen.

Denkfigur 2: Adaptive körperliche Umstellung.

Denkfigur 3: Absichtsvolle genetische Transmutation.⁸⁹

Die sich der Darstellung erhobener Ergebnisse anschließende Auswertung bildet eine Grund- lage für die Diskussion von Konsequenzen hinsichtlich der Unterrichtsplanung, von denen im Folgenden zwei vorgestellt werden. Zum einen wird die Kritik geäußert, in der Sekundarstufe I würde der Themenkomplex Anpassungen von Lebewesen an ihre Umwelt ohne Bezug zu den Vorgängen der Mutation und Selektion behandelt werden, sodass letztendlich die Schüler und Schülerinnen auf lebensweltliche Konzepte zurückgreifen und Anpassungen als zielge- richtete, intentionale Vorgänge verstehen, die vom Körper und der Natur bewusst gesteuert werden. In Anbetracht dessen wird der Vorschlag geäußert, eine Integration dieser Aspekte (Selektion und Mutation) bereits in den unteren Stufen vorzunehmen, sowie als Beispiel die Thematisierung der Zucht von Haustieren aufgeführt. Eine weitere didaktisch-methodische Konsequenz der Diskussion beinhaltet den Einwand, dass - entgegen verbreiteter Annahmen - genetische Grundkenntnisse sich eben nicht förderlich auf das Verständnis der Schüler hinsichtlich evolutionsbiologischer Phänomen auswirken. In diesem Sinne schlussfolgern Baalmann et al., dass eine Behandlung der Evolutionsthematik nicht erst im Anschluss an Unterrichtsinhalte der Genetik stattfinden sollte und schlagen stattdessen vor, beide Themenbereiche miteinander zu verknüpfen und nebeneinander zu behandeln.⁹⁰

Vorstellungen zu konkreten morphologischen, physiologischen oder verhaltensbiologischen Anpassungen, wie sie im Rahmen der vorliegenden Arbeit erhoben werden sollen, sind weder Bestandteil der Untersuchungen von Baalman et. al noch anderer Forschungsarbeiten. Hingegen ist die Evolutionsthematik selbst Bestandteil zahlreicher Untersuchungen und wird aus verschiedenen Perspektiven beleuchtet. Entsprechend werden im Rahmen der Arbeit von Lammert „ Akzeptanz, Vorstellung und Wissen von Schülern und Schülerinnen der Sekundar stufe I zur Evolution und Wissenschaft “ Studien vorgestellt, die sich mit der Akzeptanz der Evolution verschiedener Bevölkerungsgruppen auseinandersetzten. Während die Arbeit von Leditzky und Pass „ Die Bedeutung der Sexualität für Evolutionsprozesse - wissenschaftliche Konzepte, Schülervorstellungen, Lehrpläne und Schulbücher “ einen bestimmten Aspekt evolutiver Prozesse in den Blick nimmt - die sexuelle Komponente.

Weiter Themenbereiche des Untersuchungsfeldes sind die Humanbiologie („Schülervorstellungen zu Blut, Herz und Kreislauf beim Menschen“; Riemeier, T.), Ökologie ( „ Schülervor stellungen zum Stoffkreislauf “; Baisch, P.), Genetik ( „ Vorstellungen zu Gesundheit und Krankheit im Kontext von Genetik und genetischer Diagnostik “; Schwanewedel, J.), Mikrobiologie ( „ Schülervorstellungen zu Mikroorganismen und mikrobiellen Prozessen im Men schen “; Hörsch, C., Kattmann, U.), etc.

3. Wissenschaftliche Vorstellungen zu den Anpassungen an extreme Lebensbedingungen

Im Fortgang der Evolution gelang es den Organismen unseres Planeten nahezu alle existie- renden Habitate zu besiedeln - einschließlich derer, die vom Menschen als lebensfeindlich eingestuft und der Bezeichnung extrem versehen wurden. Neben Mikroorganismen, die heiße vulkanische Gewässer oder die Dunkelheit der Meerestiefen „einnehmen“ konnten, gelang es auch höheren Pflanzen und Tieren Strategien zu entwickeln, um in extreme Gebiete vorzu- dringen. Dem Menschen hingegen wurde es mit technischem und wissenschaftlichem Fort- schritt zunehmend möglich, diese Lebensräume aufzusuchen, zu erforschen und Einblicke „in die faszinierende Welt der ökologischen Herausforderungen“⁹¹ zu erhalten, sowie Vorstelllun- gen zu entwickeln und der Welt von ihnen zu berichten.⁹²

Die Erhebung und Auswertung von Schülervorstellungen, wie sie im Rahmen diese Arbeit unternommen werden, setzen einen Vergleich wissenschaftlicher und lebensweltlicher Per- spektiven voraus, sodass diese zueinander in Beziehung gesetzt werden können. Auf diese Weise gelingt es, die Eigenheiten, Gemeinsamkeiten, Unterschiede und Begrenztheiten beider Positionen herauszuarbeiten. Während eine Einsicht in die Schülervorstellungen durch die Auswertung von schriftlichen Stellungnahmen in Kapitel 4. sichergestellt wird, gilt es, im Folgenden eine Übersicht zu den wissenschaftlichen Auslegungen zu erstellen, welches in Form einer zusammenfassenden Darlegung bestehender Theorien, Konzepte und Begriffe hinsichtlich der Anpassung an extreme Lebensbedingungen realisiert wird. Zu diesem Zweck gilt es zunächst, bestehende Großlebensräume vorzustellen bzw. hinsichtlich ihrer Besonder- heiten zu erfassen, mit der Absicht auf diese Weise die Vielfalt existierende Lebensbedingun- gen aufzuzeigen. Im Anschluss daran gilt es, die Bandbreite jener Strategien vorzustellen, welche die Tierwelt als Anpassung an Trockenheit und Hitze in der Wüste entwickelt haben, da speziell diese den thematischen Kern der Schülerbefragung bilden.

3.1. Ökologische Gliederung in Zonobiome

Untersuchungsgegenstand ökologischer Forschung bilden einerseits die Interaktionen leben- der Organismen untereinander und andererseits Interaktionen mit ihrer abiotischen und bioti- schen Umwelt, welche wiederum im Hinblick auf den Energie-, Stoff-, und Informationsfluss analysiert werden.⁹³ Das Wirkungsgefüge zwischen den abiotischen Faktoren der Umwelt - bspw. Klima und Boden - und den biotischen Faktoren, zu denen Produzenten, Konsumenten und Destruenten zählen, trägt den Namen Ö kosystem. Hierbei unterscheidet man zwischen terrestrischen Ökosystemen auf dem Festland und aquatischen Ökosystemen in den Gewäs- sern. Verschiedene Ökosysteme zusammengefasst können eine größere Landschaftseinheit formen, die sich durch eine charakteristische Vegetation und Fauna auszeichnet und als Biom bezeichnet wird. Die nächst größere ökologische Einheit bildet die sog. Biosphäre, in der alle Biome zusammengefasst werden und die ebenfalls eine Einteilung in Landlebensräume (Geo- Biosphäre) und Wasserlebensräume (Hydro-Biosphäre) zulässt.⁹⁴

Zur Einteilung der Geosphäre greift man auf das Großklima zurück, da sich dieses im Gegen- satz zur Fauna durch eine bestimmte Ortsgebundenheit auszeichnet und weiterhin im Ver- gleich zur Vegetation sowie den Bodenprofilen keine historisch bedingten Merkmale aufweist.

Entscheidend ist jedoch, dass es sich beim Großklima um einen primär unabhängigen Um- weltfaktor handelt, dessen Einfluss sowohl die Bodenbildung, als auch die Vegetation und in geringem Maße die Fauna unterliegen. Umgekehrt hingegen werden ausschließlich Veränderungen im Bereich des Mikroklimas (bspw. Mikroklima im Inneren des tropischen Regenwaldes) auf den Einfluss von Vegetation und Boden zurückgeführt. Mit den sog. ökologischen Klimadiagrammen ist es möglich, das jeweilige Gesamtklima einer Erdzone übersichtlich darzustellen, sodass diese letztendlich eine stabile Grundlage für eine klimatische Gliederung der Erde bilden. Unter Anwendung der Informationen aus 8000 Klimastationen konnten neun Haupt-Klimadiagrammtypen erfasst und auf deren Grundlage neun Klimazonen der Erde festgelegt werden. Die durch einen bestimmten Typ des Klimadiagramms charakterisierte ökologische Einheit bezeichnet man als Zonobiom. ⁹⁵

Eine klare Abgrenzung dieser Großlebensräume voneinander ist nicht möglich, stattdessen werden Zonobiome durch ökologische Spannungsräume miteinander verbunden, innerhalb derer ein allmählicher Übergang von einem Klimadiagramm zum anderen beobachtet werden kann. Sie bilden entsprechend Übergangszonen - Ö kotone genannt. Weiterhin können inner- halb besonders weit ausgedehnter oder fragmentiert vorliegender Zonobiome klimatische Un- terschiede bestehen, die sich gleichzeitig in der Vegetation und Fauna entsprechend wider- spiegeln. Diese voneinander abweichenden Teilgebiete bezeichnet man als Sub-Zonobiome. Neben Zonobiomen, die einer horizontalen Gliederung entspringen, können in vertikaler Richtung sog. Orobiome ausgemacht werden. Diese Gebirgslebensräume sind nach Höhenstu- fen gegliedert und bedürfen aufgrund der klimatischen Abhebung aus den Klimazonen einer separaten Betrachtung. Einige Lebensräume wiederum sind an bestimmte Böden gebunden und heben sich ebenfalls aus den Zonobiomen heraus; infolgedessen ist eine gesonderte Be- handlung sog. Pedobiome erforderlich.⁹⁶

Wie bereits angemerkt folgt eine Charakterisierung der zonalen Lebensräume in Anlehnung an die neun Zonobiome nach Walter/ Breckle, innerhalb deren auf die Besonderheiten des Klimas, der Vegetation und der Fauna eingegangen wird. Hierbei gilt es, jene Charakteristika der zonalen Vegetation und Fauna herauszugreifen, während Auffälligkeiten, die ausschließ- lich bestimmte Orobiome und Pedobiome betreffen vernachlässigt und nur vereinzelt aufge- griffen werden. Des Weiteren geht es im vorliegenden Kapitel lediglich darum, einen Über- blick hinsichtlich vielfältiger Lebensbedingungen und den Angepasstheiten der Natur zu lie- fern, sodass Anpassungsstrategien der Pflanzen- und Tierwelt nur skizziert werden, während eine ausführliche Darstellung in Kapitel 3.2. im Zusammenhang mit Wüstentieren vorge- nommen wird.

3.1.1. Äquatoriales Zonobiom mit Tageszeitenklima

8,4 % des Festlandes der Erde (12,5 Mio. km²) zählen zu den immerfeuchten Tropen, deren Verbreitungsgebiet sich am Äquator erstreckt und Zentralafrika, Südostasien, Sundainseln, Neuguinea, sowie Süd- und Mittelamerika umfasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Äquatoriales Zonobiom mit Tageszeitenklima⁹⁷

Auszeichnend für das äquatoriale Zonobiom ist das Fehlen von ausgeprägten Jahreszeiten, infolgedessen können tägliche Temperaturmittel zwischen 25 und 27°C über das ganze Jahr hinweg gemessen werden, wobei tägliche Temperaturamplituden jährliche Temperatur- schwankungen übersteigen. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem thermischen und solaren Tageszeitenklima, das eine Jahresperiodizität der Pflanzenentwicklungen und des Pflanzenwachstums ausschließt; stattdessen kann eine autonome Periodizität beobachtet wer- den. Diese äußert sich in einem Mosaik aus belaubten und unbelaubten, blühenden und nicht blühenden etc. Pflanzen, da zeitliche Abweichungen der Wachstumsprozesse und Entwick- lungsabläufe bei verschiedenen Arten und sogar Angehörigen einer Art vorliegen.⁹⁸

Zu den immerwährenden, hohen Temperaturen und einer entsprechend hohen Strahlungsbi- lanz kommen weiterhin enorme Niederschlagsmengen hinzu, deren Werte im Jahresdurch- schnitt zwischen 2000 und 4000 mm liegen, während die saisonalen Regenmaxima im Okto- ber und April einen monatlichen Durchschnittswert von 450 mm erreichen. Bedingt durch die hohen Lufttemperaturen und die Verfügbarkeit des Wassers kann im tropischen Regenwald eine hohe Luftfeuchtigkeit gemessen werden, die in erster Linie jedoch das Innere des Waldes betrifft ( ca. 90%), während im Kronenbereich des Waldes die Luftfeuchtigkeit infolge einer intensiven Bestrahlung auf 50 % sinken kann.⁹⁹

Weiterhin unterscheidet sich das Mikroklima des Waldinneren durch geringere Lichtmengen, ausgeglichenere Temperaturen und geringere Windgeschwindigkeiten von den zonalen Klimabedingungen des Kronendachs. Verantwortlich für diese Unterschiede ist die charakte- ristische Struktur der immergrünen tropischen Regenwälder, die wiederum den zonalen Vege- tationstyp des äquatorialen Zonobioms bilden und sich vor allem durch eine hohe Biodiversi- tät von anderen Waldformationen abheben. Die biologische Vielfalt nimmt zum Äquator hin stetig zu und kann im Zusammenhang mit einer größeren strukturellen Vielfalt der Wälder, einer engen Vernetzung mit vielen unterschiedlichen Nahrungsquellen, der ganzjährigen Akti- vität der Organismen und deren Spezialisierungen (Symbiose) erklärt werden. Die bereits erwähnte typische Struktur der tropischen Regenwälder entspricht einem vertikalen Aufbau in mehrere Stockwerke, wobei hinsichtlich der Stockwerkanzahl je nach Waldgebiet Unterschie- de beobachtet werden können. Allen Wäldern gemeinsam hingegen ist die Gliederung in eine stark belichtete (euphotische) Kronenschicht und eine darunter liegende, beschattete (oligo- photische) Zone.¹⁰⁰

Mit einem Anteil von 70% des gesamten Pflanzenbestandes dominieren im tropischen Re- genwald sowohl arten- als auch mengenmäßig die Laubbäume. Die Baumschicht kann eine Höhe von 50 - max. 60 m erreichen, wobei vereinzelt Baumriesen mit einer Höhe von bis zu 70 m aus dem geschlossenen Kronendach herausragen und über pfeilförmige Brettwurzeln ihre Stabilität erhalten. Während ein Großteil als Hygropyhten eingestuft werden kann, handelt es sich bei Kronbäumen in der obersten Schicht mehr um Mesopyhten oder Xerophyten. Lianen und Epiphyten bilden zwei weitere Phanerophyten-Typen, die in einer auffälligen Fülle vorliegen und anderen Lebensformen dahingehend überlegen sind, dass sie durch die Verlagerung des Keimungsortes (Epiphyten) oder dem „Festhalten“ an Stützbäumen (Lianen) euphotische Höhen erreichen können.¹⁰¹

Die extreme Wuchshöhe der Bäume führt dazu, dass der potentielle Lebensraum für Tiere in der vertikalen Dimension stark vergrößert wird, sodass verschiedene Strata entstehen, die wiederum von Tieren besiedelt werden können - sogar die Entstehung eigener Tiergesell- schaften innerhalb einer Schicht ist möglich. In dieser vertikalen Schichtung von Lebensräu- men - der Stratifikation - liegt auch die Ursache für die enorme Artenvielfalt der Tiere, die jedoch mit nur einer geringen Individuenzahl vertreten sind und sich auf vielzählige ökologi- sche Nischen verteilen. Eine besonders große Vielfalt kann bei landlebenden poikilothermen Vertebraten - Reptilien und Amphibien - sowie bei den Invertebraten beobachtet werden.¹⁰²

Die meisten Tierarten nehmen ökologische Nischen in den höheren Stockwerken ein, die im Gegensatz zu der spärlichen Bodenflora eine ausreichende Nahrungsgrundlage bieten. Letzte- re wird in erster Linie von staatenbildenden Insekten wie Termiten und Ameisen geprägt, die für ökosystemare Prozesse von enormer Bedeutung sind, da bspw. Termiten für das schnelle Zurückführen von totem Pflanzenmaterial in den Stoffkreislauf verantwortlich sind.¹⁰³ Besonders für die Tropen charakteristische Bodentypen werden den Oxisols und Latisols zu- geordnet - man spricht in diesem Zusammenhang von ferrallitischen Böden. Diese zeichnen sich in erster Linie durch einen geringen Nährstoffgehalt aus, dienen den Pflanzen jedoch - im Gegensatz zu anderen Ökosystemen - weniger der Nährstoffversorgung, als der mechani- schen Verankerung, der Wasseraufnahme und Nährstoffrückgewinnung. Letztere erfolgt unter Anwendung bestimmter Strategien, die darauf basieren, Abbauprodukte möglichst zeitnah und demnach ohne Verluste durch Auswaschung aufzunehmen, sodass trotz Nährstoffarmut ein reicher Pflanzenbestand beobachtet werden kann. Zu diesen Strategien gehört bspw. die Mykorrhiza - eine Symbiose mit Mykorrhizapilzen im Feinwurzelsystem der Pflanze.¹⁰⁴ Trotz ungünstiger Bodenbedingungen lässt die günstige Gesamtkonstellation von Umweltfak- toren, wie man sie im tropischen Regenwald antrifft, die Entwicklung eines prächtigen Re- genwaldes mit hoher Produktionskraft zu. Dementsprechend kann die höchste Biomasse und Nettoprimärproduktion terrestrischer Lebensräume im immergrünen tropischen Regenwald verzeichnet werden.¹⁰⁵

3.1.2. Tropisches Zonobiom mit Sommerregen

Sommerfeuchte Tropen nehmen eine Gesamtfläche von 25 Mio. km² ein, wobei deren Verbreitungsgebiet jene Landflächen zwischen den Regenwäldern am Äquator und den tropisch/ subtropischen Trockengebieten an den Wendekreisen einnimmt. Charakteristisch für dieses Zonobiom ist „eine ausgeprägte Saisonalität im Sinne eines Wechsels […] von Trockenzeit und [...] Regenzeit, “¹⁰⁶ die sich wiederum in einer warmen, perhumiden Jahreszeit mit heftigen Regenfälle und einer kühlen Jahreszeit mit einer ausgeprägten Aridität äußert. Das monatliche Temperaturmittel liegt über 18°C, während entsprechende Maxima (40°C) vor Beginn der Regenzeit und Minima in der Mitte der Trockenzeit (16°C) gemessen werden. Der jährliche Niederschlag, der sich hauptsächlich aus den Regenmonaten ergibt umfasst Werte zwischen 500 bis 1500 mm und bestimmt im Wesentlichen die zonale Vegetation.¹⁰⁷

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Tropisches Zonobiom mit Sommerregen¹⁰⁸

Diese wird wiederum von regengrünen Wäldern und Savannen gebildet, wobei die entspre- chende Ausprägung zum einen von dem jährlichen Gesamtniederschlag abhängt, zum anderen stark von den Bodenverhältnissen bestimmt wird.¹⁰⁹ Längere Trockenzeiten lassen Grasländer und Dornensavannen entstehen, indessen werden bei kürzeren Trockenzeiten laubabwerfende Wälder gebildet. Während Waldformationen des ZB I durch eine autonome Periodizität ge- prägt sind, kennzeichnet Wälder der sommerfeuchten Tropen eine jahreszeitliche Gebunden- heit periodischer Erscheinungen der Pflanzen, wie des Laubabwurfs oder des Blühens.¹¹⁰

Vielerorts fehlt jedoch die zonale Waldvegetation und wird durch die Savanne als dominie- renden Vegetationstypen ersetzt, deren Vorkommen wiederum nicht durch das Klima, sondern den Boden bedingt wird - demgemäß eine edaphische Vegetation darstellt. So kann die Ent- stehung von Savannen auf wasserundurchlässige, harte Schichten im Boden (Latikrusten u.a.) zurückgeführt werden, die den Wasserhaushalt derart verändern, dass die Ausbildung einer zonalen Waldvegetation verhindert wird. Die Stauschichten bewirken, dass ein Eindringen des Niederschlagswassers in tiefe Bodenschichten nur beschränkt möglich ist, sodass ein Großteil des Wassers durch oberflächliches Abfließen oder Verdunstung verloren geht. Weiterhin kann eine vergleichbare Wirkung der Staukörper auf das Eindringen von Wurzeln beobachtet wer- den, die gemeinsam mit der Nährstoffarmut der Böden die Entstehung von Wäldern er- schwert.¹¹¹

Letztendlich entstehen Savannen, bei denen es sich nach Walter um eine „natürliche, homo- gene, zonale Vegetation […] mit einer geschlossenen Grasschicht und darin gleichmäßig ver- teilten Holzpflanzen, Sträuchern und Bäumen“¹¹² handelt. Prägend für die Savanne ist ein sich ausbildendes ökologische Gleichgewicht zwischen Holzpflanzen und Gräsern, die sonst auf- grund der Verschiedenheit von Wurzelsystem und Wasserhaushalt als Antagonisten auftre- ten.¹¹³

Letztendlich unterscheidet Walter drei Vegetationsformen: Neben zonalen laubabwerfenden Wäldern und trockenen Savannen führt er weiterhin in der Regenzeit nasse Parklandschaften auf. Denn vielerorts weist das ebene Savannengelände Unterschiede im Relief auf, die wäh- rend der Trockenzeit zwar kaum auffallen, in der Regenzeit hingegen ein Mosaik aus Waldin- seln und Graslandschaften entstehen lassen. Starke Regenfälle führen zur Überschwemmun- gen tieferer Reliefs, die wiederum ein Wachstum von Bäumen verhindern, stattdessen die Ent- stehung von Grasland erlauben. Andererseits nimmt das Gehölz höhere Gebiete der Savan- nenlandschaft ein, die nicht überschwemmt werden und tiefgründige Böden besitzen.¹¹⁴

Ein wichtiger ökologischer Faktor, der die Struktur dieser Landschaften, insbesondere die Savanne prägt, ist das Feuer - natürlich entzündet durch Blitze oder durch den Menschen. Die variierende Häufigkeit und Intensität der Savannenbrände bilden wichtige Selektionsfaktoren, die im Wesentlichen die Zusammensetzung der Flora und Fauna bestimmen. Entsprechend weisen zahlreiche Pflanzen Eigenschaften auf, die als Anpassungen an regelmäßige Brände aufgefasst werden können. Hierzu zählen isolierende Borken, unterirdische Speicher- und Regenerationsorgane, die Hitzeresistenz bei Gräsern etc. Bei den Tieren überdauern die Inver- tebraten das Feuer meist in Dormanzstadien, während Großsäuger und Vögel die Flucht ange- hen. Einige Tiere nutzen diese, um auf Beutefang zu gehen, so kann man beobachten wie Fal- ken, Störche etc. fliehende Insekten aufsammeln.¹¹⁵

Mit der zunehmenden Verbreitung von Savannen und einem Rückgang von Waldgebieten verschiebt sich der Aktionsbereich der Tierwelt vom Kronen- hin zum Bodenbereich. Charak- teristisch für das tropische ZB sind neben in Herden lebenden Herbivoren wie den Kaffern- büffeln weiterhin kleinere Säugetiere (Erdmännchen, Schleichkatzen), die in sozialen Verbän- den leben. Mit dieser sozialen Lebensweise begegnen die Tiere dem extrem ungleichmäßigen Nahrungsangebot, das aufgrund räumlich und jahresperiodisch variierender Vegetation beo- bachtet werden kann. Andere Tiere hingegen haben ihren Aktionsbereich nicht nur vom Kro- nenraum hin zum Boden verlegt, sondern eine unterirdische Lebensweise entwickelt und kön- nen so auf das Angebot der unterirdischen, pflanzlichen Überdauerungsorgane zurückgreifen.

Weiterhin besitzen viele herbivore Tiere unterschiedliche Präferenzen hinsichtlich der pflanzlichen Nahrung, unterscheiden sich hinsichtlich ihres Nahrungs- und Trinkwasserbedarfs sowie ihrer Hitzetoleranz, sodass „verschiedene räumliche und tageszeitliche Verteilungs- und Aktivitätsmuster“¹¹⁶ entstehen, die eine Konkurrenz minimieren. Einige Tiere wie Gnus und Gazellen nehmen hingegen aufgrund des räumlich variierenden Nahrungs- und Wasserangebot in Trockenzeiten lange Wanderungen auf sich.¹¹⁷

3.1.3. Subtropisches Zonobiom mit Wüstenklima

Die Wüste im ökologischen Sinne existiert nicht, vielmehr differenziert man zwischen sechs verschiedenen Wüstentypen, die sich klimatisch und insofern auch hinsichtlich der vorherrschenden Vegetation sowie Fauna voneinander unterscheiden.¹¹⁸

Etwa 20,8 % der Erde fallen auf eben diese heißen Wüstengebiete, die daher mit 31 Mio. km² Gesamtfläche das größte Zonobiom bilden. Zur Differenzierung zwischen Halb- und Vollwüste werden Niederschlagssumme- und spitze, sowie Dauer und Häufigkeit von Regenperioden herangezogen, wobei lediglich dann von einem Wüstengebiet die Rede ist, wenn die jährliche Niederschlagsmenge 200 mm oder weniger beträgt.¹¹⁹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Subtropisches Zonobiom mit Wüstenklima¹²⁰

Kennzeichnend für alle Wüstengebiete sind neben schwankenden, beschränkten Regenfällen, die trockene Luft, eine starke Sonneneinstrahlung sowie ein schwankender Tagesgang der Temperatur. Die jährlichen Temperaturmittel betragen ca. 20 °C, dabei können auch maximale Werte von 50 °C überschritten werden. Mit abnehmender Niederschlagssumme, kann eine erhöhte Unregelmäßigkeit der Regenfälle beobachtet werden, die obendrein zumeist als Sturz- regen auftreten.¹²¹

Die Wasserversorgung der Pflanzen wird nur zu einem geringen Teil von der Niederschlags- höhe bestimmt, vielmehr hängt sie von der Beschaffenheit des Bodens ab; respektive von der Haftwassermenge, die im Boden gespeichert werden kann. In ariden Gebieten gelten Tonbö- den als besonders trockene Standorte, da sie nur wenig Haftwasser zurückhalten, sandige Bö- den hingegen als feuchte Standorte. Zerklüftete Felsböden dagegen ermöglichen ein problem- loses Eindringen sowie ein ausreichende Speicherung von Wasser in Felsspalten, sodass ihnen die beste Wasserversorgung zugesprochen wird. Im Hinblick auf die Charakterisierung der zonalen Vegetation gilt es anzumerken, dass Wüstenböden dem Typ der Syroseme entspre- chen - Böden deren Ausgangsmaterial (massives Gestein) kaum verwittert ist - und demzu- folge die Eigenschaften des Muttergesteins, nicht klimatische Verhältnisse ausschlaggebend sind. Eine klimatische zonale Vegetation existiert demzufolge nicht - insofern gilt es, Wüs- tengebiete als Pedobiome zu betrachten.¹²²

Trotz klimatischer und edaphischer Unterschiede ist allen Wüstengebiete ein Merkmal ge- meinsam: die geringe Dichte der Pflanzendecke. In Gebieten mit jährlichen Niederschlags- mengen bis zu 100 mm kann eine lineare Abhängigkeit zwischen Niederschlagshöhe und Pro- duktion von Pflanzenmasse (oberirdische Trockenmasse) festgestellt werden. Entsprechend beschränkt sich das Vorkommen der Wüstenvegetation auf Standorte, an denen Wasser in aus- reichenden Mengen zur Verfügung steht - etwa auf Ränder von Trockentälern.¹²³

Eine weitere Erscheinung, die mit dem eingeschränkten Wasserangebot zusammenhängt ist eine „diffuse Vegetation mit einer gleichmäßigen Verteilung der ausdauernden Pflanzen.“¹²⁴ Diese stellt sich aus dem Grund ein, da für eine ausreichende Wasserversorgung ein entspre- chend ausgedehnter Wurzelraum bzw. ein entsprechend großer Abstand zur Nachbarpflanze erforderlich ist. Im Gegensatz zur starken Entwicklung des Wurzelsystems, die sich wiederum in flach liegenden, jedoch weit verzweigten Wurzeln äußert, bewirkt die zunehmende Aridität eine Reduktion transpirierender Oberflächen. In besonders ariden Gebieten mit einem durch- schnittlichen Jahresniederschlag unter 100 mm weicht die diffuse Vegetation einer kontrahier- ten Vegetation, bei der sich das Wachstum ausdauernder Pflanzen lediglich auf sandige Erosi- onsrinnen und Senken beschränkt, während auf höheren Flächen jegliche Vegetation fehlt. Ursache hierfür ist, eine bei extremen Wüsten häufig auftretende schwer benetzbare Kruste, die das Eindringen von Regenwasser in den Boden erschwert - das Wasser fließt oberfläch- lich ab.¹²⁵

Zu den „Spezialisten“ der Wüste gehören poikilohydre Moose, Flechten und trockenresistente Farne, denen die Poikilohydrie erlaubt, bei Dürre vollkommen auszutrocknen (Plasma im latenten Zustand), um anschließend bei ausreichender Feuchtigkeit Lebensaktivitäten wieder aufzunehmen (Plasma gequollen und aktiv). Entsprechend sind diese Pflanzen zu einer schnellen Reaktion auf günstige Umweltbedingungen fähig. Homoiohydre Pflanzen hingegen können ihren Wasserhaushalt derart kontrollieren, dass sie weithin unabhängig vom Wasserhaushalt der Umgebung sind. Sie verfügen über eine Vielfalt an Anpassungsstrategien, mit denen sie extreme Trockenheit in der Wüste überstehen.¹²⁶

Als Beispiel seien xeromorphe Pflanzen genannt, die u.a. durch die Verkleinerung der transpi- rierenden Oberfläche, eine Verdickung der Kutikula und Außenwände der Epidermis, Behaa- rungen und eingesenkte Spaltöffnungen die Wasserverluste infolge der Transpiration minimie- ren können. „Eine konsequente Reduktion der transpirierenden Oberfläche führt […] zu ei- nem kompakten, xeromorphen Habitus […], welcher hervorragend zur Wasserspeicherung geeignet ist.“ Die Sukkulenz stellt eine weitere Angepasstheit dar und kann innerhalb der Gruppe der Xerophyten auftreten. Je nachdem in welchen Organen der Pflanze Wasser ge- speichert wird, kann zwischen Blattsukkulenten, Stammsukkulenten und Wurzelsukkulten (mit nicht sichtbaren, unterirdischen Speichern) unterschieden werden. Neben morphologi- schen Anpassungen begegnet ein Großteil der Pflanzen der Gefahr eines extremen Wasserver- lusts mit einem diurnalen Säurestoffwechsel - einer physiologischen Anpassung. Die Spalt- öffnungen sind bei diesen CAM-Pflanzen nur nachts geöffnet, sodass die Aufnahme von CO2 nur innerhalb dieser Zeitspanne stattfindet und Transpirationsverluste möglichst gering gehal- ten werden. Überdies wird das CO2 an C3-Säuren gebunden, dieserart gespeichert und kann tagsüber bei Licht assimiliert werden.¹²⁷

Auch die Fauna der Wüste tritt der extremen Hitze und Trockenheit der Wüste mit einer enormen Vielfalt von Strategien entgegen, mit dem die Wasserabgaben gedrosselt und die Körpertemperatur reguliert werden können. Es handelt sich um morphologische Besonderhei- ten wie der Ausbildung großer Körperanhänge für eine effektive Wärmeabgabe, um physiolo- gische Anpassungen wie die Reduzierung von Wasser in Ausscheidungsprodukten und Verhal- tensanpassungen wie die Nachtaktivität.¹²⁸ Auf eine ausführlichere Darstellung der jeweiligen Strategien wird an dieser Stelle verzichtet, da diese in Kapitel 3.2. Gegenstand einer detaillierter Darlegungen sind.

[...]

---

¹ Lehrplan Biologie[1998], S. 23, S. 55.

² Rahmenplan Naturwissenschaften für die weiterführenden Schulen in Rheinland-Pfalz[2010], S. 29.

³ Vgl. Ebd., S. 29ff., S. 33ff.

⁴ Eckert[2003], S 11, (Herv. i. Original).

⁵ Baalmann[2004], S. 8.

⁶ Vgl. Baalmann[2004], S. 8.

⁷ Gropengießer [1997a], S. 27.

⁸ Vgl. Gropengießer [1997b], S. 74f. ; Gropengießer [1997a], S.26f.

⁹ Vgl. Bayrhuber[1995], S. 311f.

¹⁰ Krüger[2007], S.83.

¹¹ Gropengießer [1997a], S. 24.

¹² Vgl. Häußler[1998], S. 177.

¹³ Vgl. Franke, Bogner[2012], S. 172.

¹⁴ Duit[1995], S. 910.

¹⁵ Kattmann[2007], S. 93.

¹⁶ Vgl. Duit[1995], S. 910, Kattmann[2007], S. 93.

¹⁷ Duit[1995], S. 905.

¹⁸ Vgl. Ebd.

¹⁹ Duit[1995], S. 905.

²⁰ Ebd.

²¹ Kattmann[1997], S. 6.

²² Kattmann[1997], S. 6.; Vgl. Duit[1995], S. 905, S. 910f., Kattmann[1997], S. 4, Krüger[2007], S. 82.

²³ Entsprechend erklärt Duit, „im Bereich der Naturwissenschaftsdidaktik ist die Theorie des 'conceptual change', die Posner, Strike, Hewson und Gertzog (1982) entwickelt haben, in Form von Bedingungen für 'conceptual change' bekannt geworden.“ [Vgl. Duit (1995), S. 910, (Herv. Im Original)].

²⁴ Vgl. Krüger[2007], S. 83ff., Duit[1995], S. 914f.

²⁵ Vgl. Kattmann[1997], S. 7.

²⁶ Vgl. Krüger[2007], S. 84f.

²⁷ Vgl. Krüger[2007], S. 85.

²⁸ Vgl. Ebd.

²⁹ Frank, Bogner[2012], S. 175.

³⁰ Vgl. Frank, Bogner[2012], S. 173 - S. 177.

³¹ Krüger[2007], S. 88.

³² Krüger[2007], S. 87.

³³ Ebd.

³⁴ Vgl. Krüger[2007], S. 87f.

³⁵ Vgl. Ebd., S. 85.

³⁶ Vgl. Kattmann[1997], S. 3f.

³⁷ Vgl. Kattmann[1997], S. 4.

³⁸ Kattmann[1997], S. 5.

³⁹ Vgl. Ebd., S. 11.

⁴⁰ Vgl. Kattmann[1997], S. 10f.

⁴¹ Gropengießer [1997a], S. 15.

⁴² Kattmann[1997], S.12.

⁴³ Vgl. Kattmann[1997], S. 11f.

⁴⁴ Vgl. Kattmann[1997], S. 12.

⁴⁵ Vgl. Kattmann[1997], S. 13.

⁴⁶ Kattmann[1997], S. 14.

⁴⁷ Ebd., S. 3.

⁴⁸ Vgl. Kattmann[1997], S. 13f.

⁴⁹ Vgl. Paechter[2012], S. 9.

⁵⁰ Weinert[2001], S. 27.

⁵¹ Vgl. http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [30.04.2013].

⁵² http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [30.04.2013].

⁵³ Vgl. http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [30.04.2013].

⁵⁴ Vgl. Gropengießer [1997a], S. 24.

⁵⁵ www.studienseminar-koblenz.de/medien/lehr-lern-modell/lernaufgaben-nawi.pdf [30.04.2013], (Herv. i.

⁵⁶ http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [30.04.2013].

⁵⁷ Vgl. Ebd.

⁵⁸ Krüger[2007], S. 86.

⁵⁹ Vgl. Krüger[2007], S. 83f., S. 86f.

⁶⁰ Vgl. http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [30.04.2013], (Herv. i. Original).

⁶¹ Vgl. Ebd.

⁶² Vgl. http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [30.04.2013].

⁶³ Kattmann[1997], S.6.

⁶⁴ Franke, Bogner[2011], S. 177f.

⁶⁵ Vgl. http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [02.05.2013].

⁶⁶ Vgl. Krüger[2007], S. 84.

⁶⁷ Vgl. http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [02.05.2013], Krüger[2007], S. 81f.

⁶⁸ Vgl. http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [02.05.2013].

⁶⁹ Vgl. Ebd.

⁷⁰ Krüger[2007], S. 88.

⁷¹ Krüger[1997], S. 88.

⁷² Vgl. Ebd.

⁷³ Vgl. http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [02.05.2013].

⁷⁴ Vgl. http://www.studienseminar-koblenz.de/inhalte/lehr-lern-modell-nawi.htm [02.05.2013].

⁷⁵ Krüger[2007], S. 84.

⁷⁶ Bayrhuber[2001], S. 11.

⁷⁷ Vgl. Ebd.

⁷⁸ Diesterweg[1835], zitiert in Häußler[1998], S. 169.

⁷⁹ Ausubel[1968], zitiert in Häußler[1998], S. 169.

⁸⁰ Vgl. Häußler[1998], S. 169.

⁸¹ Vgl. Duit[1995], S. 906ff.

⁸² Vgl. http://www.ipn.uni-kiel.de/aktuell/stcse/ [03.05.2013].

⁸³ Vgl. http://www.ph-ludwigsburg.de/llbg.html [03.05.2013].

⁸⁴ Vgl. http://www.idn.uni-bremen.de/schuelervorstellungen/Lit_Schuelervorstellungen.html [03.05.2013].

⁸⁵ Vgl. http://www.biologie.tu-dortmund.de/graf/biodid/dissertationen.htm; [03.05.2013], Vgl. http://www.bcp.fu-berlin.de/biologie/arbeitsgruppen/didaktik/Erkenntnisweg/index.html [03.05.2013].

⁸⁶ Vgl. http://miami.uni-muenster.de/servlets/DocumentServlet?id=6478 [12.06.2013].

⁸⁷ Vgl. http://compute.ku-eichstaett.de/hgd/media/archive3/Guid_3_2012_Conrad.pdf [12.06.2013].

⁸⁸ Baalmann et al.[2004], S. 7.

⁸⁹ Vgl. Baalmann et al.[2004], S. 10 - 14.

⁹⁰ Vgl. Baalmann et al.[2004], S. 19f.

⁹¹ Stetter, Haber[2011], S. 7.

⁹² Vgl. Ebd.

⁹³ Vgl. Walter, Breckle[1991], S. 1; Nentwig, Bacher, Brandl[2011], S. XV.

⁹⁴ Vgl. Walter, Breckle[1991], S. 1f.

⁹⁵ Vgl. Walter, Breckle[1991], S. 15f, S.18, S.22.

⁹⁶ Vgl. Walter, Breckle[1999], S. 97 - 101.

⁹⁷ Vgl. Schultz[2002], S. 277.

⁹⁸ Vgl. Walter, Breckle[1999], S. 142 f.

⁹⁹ Vgl. Schultz[200], S. 276 ff.

¹⁰⁰ Vgl. Walter, Breckle[1999], S. 155f., Bick[1999], S. 109.

¹⁰¹ Vgl. Walter, Breckle[1999], S. 141 f., S. 148.

¹⁰² Vgl. Schultz[2002], S. 290; Bick[1999], S.111.

¹⁰³ Vgl. Schultz[2002], S. 288 ff., Remmert[1998], S.27.

¹⁰⁴ Vgl. Bick[1999], S. 109f.

¹⁰⁵ Vgl. Ebd., S.111.

¹⁰⁶ Grabherr[1997], S. 89.

¹⁰⁷ Vgl. Schultz[2002], S. 248 ff.

¹⁰⁸ Vgl. Ebd., S. 248

¹⁰⁹ Vgl. Remmert[1998], S. 52.

¹¹⁰ Vgl. Walter, Breckle[1999], S. 181, S. 184.

¹¹¹ Vgl. Ebd., S. 181, Bick[1997], S. 114.

¹¹² Walter[1973], zitiert in Remmert[1998], S. 65.

¹¹³ Vgl. Walter, Breckle[1999], S. 188.

¹¹⁴ Walter, Breckle[1999], S. 197.

¹¹⁵ Vgl. Grabherr[1997], S. 108, Remmert[1998], S. 68.

¹¹⁶ Remmert[1997], S. 76.

¹¹⁷ Vgl. Ebd., S. 71f, 75f.

¹¹⁸ Man unterscheidet 1. Halbwüsten und Wüsten mit zwei Regenzeiten, 2. Halbwüsten und Wüsten mit Winter- regen, 3. Halbwüsten und Wüsten mit Sommerregen, 4. Halbwüsten mit spärlichen Regenfällen zu verschie- denen Jahreszeiten, 5. Nebelwüsten und 6. regenlose, vegetationslose Vollwüsten. (Vgl. Grabherr[1997], S. 140; Walter, Breckle[1999], S. 230f. )

¹¹⁹ Vgl. Grabherr[1997], S. 140.

¹²⁰ Vgl. Schultz[2002], S. 218.

¹²¹ Vgl. Grabherr[1997], S. 140f., Walter, Breckle[1999], S. 231.

¹²² Vgl. Walter, Breckle[1999], S. 232f.

¹²³ Vgl. Pott[2005], S. 541., Walter, Breckle[1999], S. 237.

¹²⁴ Vgl. Walter, Breckle[1999], S. 240.

¹²⁵ Walter, Breckle[1999], S. 240.

¹²⁶ Vgl. Pott[2005], S. 541, Nentwig, Bacher, Brandl[2011], S.18f.

¹²⁷ Vgl. Nentwig, Bacher, Brandle[2011], Walter, Breckle[1999], S. 242 - 244, Remmert[1998], S. 84.

¹²⁸ Vgl. Grabherr[1997], S. 157.