Vorlesung 7a - Organisationsebenen PDF

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Ebenen der biologischen Organisation Biosphäre – Ökosystem – Lebensgemeinschaft (Bioszönose) – Individuum – Organsysteme und Organe – Gewebe – Zellen – Moleküle

Biologische Erklärungen erfordern den Wechsel zwischen Organisationsebenen (Beispiel 1 aus der Vorlesung SV zum Stoffwechsel)

Ebenenwechsel:  Es muss ein Phänomen erklärt werden, das auf Ebene des Organismus präsentiert wird.  Zu Erklärung müssen physiologische Zusammenhänge herangezogen werden (Ebene der Moleküle, Ebene der Organellen, Ebene der Zellen).

Systemebenen im Biologieunterricht  „Many scientific phenomena […] can best be understood through a perspective of levels.“ (Wilensky & Resnik 1999)  „In biological systems, the explanations for, or mechanisms of, phenomena apparent at one scale often lie at a different scale.“ (Parker et al., 2012)  promoting reasoning across levels (Knipples 2000, Knippels et al 2005, Verhoeff et al. 2008) o Distinguishing different levels of organisation o Interrelating concepts at the same level of organization (horizontal coherence) o Interrelating concepts at different levels of organization (vertival coherence) o Thinking back and forth between levels o Meta-reflection about the question which levels have been transsected Zur grundsätzlichen Bedeutung von Wissensvernetzungen  Wissensvernetzung wird seit vielen Jahren als eine grundsätzliche Möglichkeit angesehen, die Effizienz des Unterrichts in den naturwissenschaftlichen Fächern zu verbessern (Bransford et al. 2000).  Zur Bedeutung von Wissensvernetzungen findet man beispielsweise im Gutachten zur Vorbereitung des BLK-Modellversuchsprogramms „Effizienzsteigerung des mathematischnaturwissenschaftlichen Unterrichts“, die Aussage, dass ein „hinreichend breites, in sich gut organisiertes und vernetztes sowie in unterschiedlichen Anwendungssituationen erprobtes Orientierungswissen in zentralen Wissensdomänen unserer Kultur“ eine Schlüsselrolle besitzt (S. 11)  Vernetztes Wissen besitzt Vorteile bei der Wissensanwendung, speziell bei der Vermeidung trägen Wissens, das u.a. auf Wissensstrukturdefizite zurückgeführt wird (Renkl 1996).

Wie denken Biologielehrkräfte über Wissensvernetzungen?  Wissensvernetzung ist aus Sicht vieler Lehrkräfte ein Merkmal guten Fachunterrichts (Neuhaus & Vogt 2008). Bei einer Befragung von Biologielehrkräften gab ein überwiegender Teil (47%) an, dass es das wichtigste Ziel des Unterrichts sei, Wissen zu vernetzen.  Ergebnisse einer Videostudie belegen aber auch, dass im Biologieunterricht wenig vernetzt gelernt und hauptsächlich unvernetztes Faktenwissen erworben wird (Wadouh et al. 2009).  Grundsätzlich wird in diversen Studien zur Vernetzung von Fachwissen zwischen zwei Typen von Wissensvernetzung unterschieden:  Wissensvernetzungen innerhalb eines Unterrichtsfaches (vertikale Vernetzungen) Wissensvernetzungen zwischen verschiedenen Unterrichtsfächern (horizontale Vernetzungen) (Wadouh et al. 2009) Wird im Biologieunterricht vernetzt gelernt?  „Das Vernetzungsniveau, das im Biologieunterricht beobachtet werden konnte, war vornehmlich auf den Niveaustufen ein Fakt bzw. mehrere Fakten einzuordnen. Zusammengenommen machten diese beiden unteren Niveaustufen 72% der fachlichen Gesamtäußerungen aus.“ (S. 77)

Weisen die Erklärungen von Schülerinnen und Schülern Wissensvernetzungen auf?  In der Schülervorstellungsforschung wurden zwei grundsätzliche Probleme beschrieben, nämlich mangelnde horizontale Kohärenz und mangelnde vertikale Kohärenz in den Erklärungen der Lernenden.  Horizontale Kohärenz bezeichnet „interrelating biology concepts at each level of organization“ und vertikale Kohärenz „interrelating biology concepts on the different levels of organization“ (Verhoeff 2003, 151).  Für die Unterscheidung zw. horizontaler und vertikaler Kohärenz ist es entscheidend, ob Lernende beim Erklären biologischer Phänomene Verknüpfungen von Konzepten vornehmen, die auf derselben Organisationsebene bzw. auf unterschiedlichen Organisationsebenen verortet sind.  Mangelnde vertikale Kohärenz in den Erklärungen von Lernenden ist der Ausgangspunkt fachdidaktischer Theorienbildung zum angemessenen Umgang mit Organisationsebenen im Biologieunterricht.  Probleme vertikaler Kohärenz zeigen sich einerseits in der Verwechslung bzw. mangelnden Unterscheidung von Organisationsebenen, die an der Entstehung eines Phänomens beteiligt sind, und andererseits in der Entkopplung von Organisationsebenen.

Definitionen (Wdh.)  horizontale Kohärenz o „interrelating concepts at the same level of biological organisation“ (Verhoeff 2003)  vertikale Kohärenz o „interrelating concepts on the different levels of biological organisation“ (Verhoeff 2003)  Beispiel für mangelnde vertikale Kohärenz in den Erklärungen von Lernenden: o „Die Stoßzahnlänge hat durch natürliche Selektion abgenommen. Da nur die Elefantenbullen mit den kurzen Stoßzähnen überlebt haben. Die Elefanten mit den langen Stoßzähnen wurden getötet.“ o (Die Erklärung bezieht sich auf phänotypische Veränderungen. Genetische Veränderungen werden nicht thematisiert.) Verwechslung von Organisationsebenen  Als ein Teilaspekt mangelnder vertikaler Kohärenz beschreibt die Verwechslung von Organisationsebenen (engl. confusion of levels) den Sachverhalt, dass Konzepte, die auf unterschiedlichen Systemebenen liegen, bei der Erklärung eines biologischen Phänomens verwechselt werden. Beispiele aus der Genetik  Schülervorstellung der Merkmalsvererbung, d.h. die Vorstellung, dass Merkmale (und keine Gene) an die Nachkommen weitergegeben werden (Manokore & Williams 2012, Marbach-Ad & Stavy 2000).  Schülervorstellung, dass genetische Dominanz – ein Begriff, der ein molekularbiologisches Phänomen beschreibt – die Häufigkeit des Auftretens eines Merkmals in einer Population bezeichnet (Slack & Stewart 1990, Smith & Good 1984 Beispiele aus der Zellbiologie und Physiologie  Es wurde über Lernende berichtet, welche die physiologischen Leistungen von Einzellern (z.B. Atmung, Verdauung) auf den Besitz von Strukturen zurückführen, die nicht bei Einzellern, sondern bei Vielzellern auftreten (z.B. Lungen, Verdauungstrakt) (Dreyfus & Jungwirth 1898, Flores et al. 2003). Somit werden die zelluläre Ebene und die Ebene des Organismus verwechselt.  Dies ist auch der Fall, wenn Lernende aufgefordert werden, Zellatmung beim Menschen zu definieren. Lernende führten zur Beantwortung dieser Frage den Gasaustausch an, der bei der äußeren Atmung zu beobachten ist. Sie verwechseln somit innere Atmung und äußere Atmung (Anderson et al 1990, Songer & Mintzes 1994, Stavy et al. 1987). Verwechslung von Organisationsebenen …  Schülervorstellung zur gerichteten Bewegung von Molekülen bei der Diffusion (Meir et al. 2005, 237). Lernende übertragen die makroskopische Beobachtung (Wandern der Farbfront) auf die Teilchenebene (Verwechslung von Organisationsebenen).  Fachwissenschaftliche Vorstellung zur ungerichteten Bewegung von Molekülen bei der Diffusion (Meir et al. 2005, 237)

Zusammenfassung   

Woran erkennt man „Verwechslung von Ebenen“? Lernende erklären ein biologisches Phänomen auf der „falschen“ Organisationsebene Merkmale (Ebene des Organismus) und nicht das Genom (genetische Ebene) werden vererbt (siehe Vorlesung SV zur Genetik)

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Verwechslung von Dominanz eines Gens und Häufigkeit eines Gens im Genpool (Smith & Good 1984, Slack & Stewart 1990, siehe Vorlesung zum Problemlösen in der Genetik, Biologiedidaktik I) Verwechslung von äußerer Atmung und Zellatmung (siehe Vorlesung zu SV zum Stoffwechsel) Zellen besitzen Strukturen (z.B. Lunge, Darm), die auf höheren Organisationsebenen liegen (Dreyfus & Jungwirth 1989, Flores et al. 2003) Lernende erklären Diffusion, indem sie Teilchen eine gerichtete Kraft zusprechen und damit Eigenschaften der Makroebene (Farbfront wandert von Orten hoher zu niedriger Konzentration) auf die Teilchenebene übertragen

Wenn Lernende die Verbindungen zwischen Organisationsebenen nicht sehen …  Entkopplung von Organisationsebenen bezeichnet das Problem, dass Lernende ein Phänomen ausschließlich auf der einen Organisationsebene erklären, obwohl zu seiner vollständigen Erklärung die Betrachtung verschiedener Organisationsebenen und der Wechsel zwischen ihnen notwendig wäre.  Entkopplung von Organisationsebenen ist ein Teil des Problems „mangelnde vertikale Kohärenz in den Erklärungen von Lernenden“ Entkopplung von Organisationsebenen  Untersuchungen von Schülervorstellungen zu Mikroorganismen ergaben, dass Schülerinnen und Schüler bakterielle Zersetzung häufig ausschließlich als mechanische Zerkleinerung und nicht auch als physiologisches Phänomen (Stoffumwandlung) begreifen (Hilge 1999, Leach et al. 1996).  Am Beispiel des Komposthaufens lässt sich dies verdeutlichen: Mechanische Zersetzungsvorstellungen werden durch die Betrachtung der makroskopisch sichtbaren Ebene gestützt, da beobachtet werden kann, dass große Pflanzenteile zu kleinen zersetzt werden.  Die Mineralisierung, d.h. die Nutzbarmachung von z.B. Kohlenstoffdioxid im Zuge der mikrobiellen Zersetzung, bleibt den Lernenden ebenso verborgen wie die ökologische Bedeutung der mikrobiellen Zersetzung für Stoffkreisläufe.  Für den Biologieunterricht wurde daher gefordert, mechanische Zersetzungsvorstellungen physiologisch anschlussfähig zu machen (Hilge 1999).  Auf ähnliche Art und Weise können Lernende die ökosystemare Bedeutung von Photosynthese und Zellatmung häufig nicht benennen, obwohl ein Verständnis der Bedeutung dieser Stoffwechselvorgänge auf der Ebene des Organismus besteht (Brown & Schwartz 2009, Canal 1999, Waheed & Lucas 1992). Entkopplung von Organisationsebenen  Entkopplung von Organisationsebenen wurde auch im Bereich der Schülervorstellungsforschung zu genetischen Themen und Fragestellungen beschrieben. Lernende nutzen häufig die sogenannten verkürzten Erklärungen (Duncan & Reiser 2007), in denen Gene und Merkmale direkt verknüpft werden (z.B. Gene kodieren für Merkmale), ohne dass diejenigen kausalen Mechanismen von den Lernenden angeführt werden, welche für die Merkmalsausprägung verantwortlich sind (z.B. Transkription und Translation).  Es wurde daher für den Biologieunterricht gefordert, jenes Wissen zu vermitteln, welches zur Schließung der Lücke zwischen der Ebene der Gene und der Ebene der Merkmale notwendig sei, nämlich „causal mechanistic explanations of how the genetic information brings about physical effects (feature or trait“ Duncan & Reiser, 2007, 947).

Wenn Lernende die Verbindungen zwischen Organisationsebenen nicht sehen …  Entkopplung von Organisationsebenen bezeichnet das Problem, dass Lernende ein Phänomen ausschließlich auf der einen Organisationsebene erklären, obwohl zu seiner vollständigen Erklärung die Betrachtung verschiedener Organisationsebenen und der Wechsel zwischen ihnen notwendig wäre.  Entkopplung von Organisationsebenen ist ein Teil des Problems „mangelnde vertikale Kohärenz in den Erklärungen von Lernenden“ Beispiele:  mikrobielle Zersetzung wird als rein mechanische Zerkleinerung begriffen. Die (Entkopplung von Stoffumwandlungen; Mineralisierung bleibt ebenso verborgen wie die ökologische Bedeutung der mikrobiellen Zersetzung für Stoffkreisläufe (Hilge 1999)  „verkürzte“ Erklärungen in der Genetik, d.h. Erklärungen, bei denen die genetische Ebene und die Ebene der Merkmale direkt verknüpft werden (Gene kodieren für Merkmale), ohne dass die Mechanismen der Merkmalsausprägung angegeben werden können. (Duncan & Reiser 2007)  keine Anwendung genetischen Wissens (träges Wissen), beim Erklären evolutionsbiologischer Phänomene (Halldén 198, z.B. bei der Frage: Wie verändert sich das Erbgut beim Artwandel? Einem evolutionären Phänomen begegnet man zunächst auf der Ebene der Population/des Organismus  Größenselektiver Fischfang  Abnahme der Körpergröße Ziele 

Anschauliche Darstellung der Wirkung des Faktors Selektion aiuf Artwnadel Typen von Selektion

Typ 1 Alleinige Betrachtung des Phänotyps

Typ 2 Betrachtung des Phänotyps und des Genotyps

Dargestellt werden die Auswirkungen von Selektion auf Phänotyp Maret & Rissing 1998 Stebbins & Allen 1975 Scheersoi & Kullmann 2007

Dargestellt werden die Auswirkungen von Selektion auf Phänotyp und Genotyp Allen & Wold 2009 Fifield & Fall 1992 Christensen-Dalgaard & Kanneworf 2009

Selektionsspiel (Typ 1) Verschiedenfarbige Plättchen (Organismen) werden auf einer gemusterten Unterlage (Habitat) verteilt. Die Lernenden spielen Beutegreifer und selektieren Organismen. Was wird dargestellt? In einer Population, in der ein Merkmal variiert (diskrete Merkmalausprägungen), kommt es durch Selektion zu einer Veränderung der Pänotypen in der Population. Selektionsspiel (Typ 2) Klare Trennung der Ebene des Organismus (Ermittlung der Körpergröße) und der genetischen Ebene (Ermittlung von Allelfrequenzen). Lernende erkennen, dass sich Allelfrequenzen aufgrund von Selektion verändern.

Hülsenfrüchte als Organismen und Allele Größenselektiver Fischfang (Kabeljau) Sehr problematischer Aspekt: Die Mischung Hülsenfrüchte wird verwendet um in einer Phase des Simulationsspiels unterschiedliche Phänotypen darzustellen. Anschließen repräsentieren die unterschiedlichen Hülsenfrüchte unterschiedliche Allele und

Typen von Erklärungen  Erklärungen, die ausschließlich den Phänotyp berücksichtigen o (Beispiel: Folie 11, Entkopplung von Organisationsebenen)  Erklärungen, in denen die genetische Ebene berücksichtigt wird (wenig differenziert) o Das Erbgut für größere Fische ist ausgestorben oder nur teilweise erhalten geblieben. Die Nachkommen erben also nur das Erbgut zum klein sein. […] (Person 26-15)  Erklärungen, in denen die genetische Ebene berücksichtigt wird (differenziert) Die Merkmalsausprägung der Größe setzt sich (aus) verschiedenen Genen zusammen. Durch das Fischen der großen Fische werden die Allele für die Größe dezimiert. Die Allele der kleinen Fische werden weitergegeben. Somit werden von Generation zu Generation immer weniger Allele für „einen großen Kabeljau“ in der Population vorhanden sein. […] (Person 26-12) Wirkungen von Simulationen Typ 1 und Typ 2  Findings indicate that the lab activity (type 2) which allowed students to explore the interplay between the different levels provided vertical coherence and enhanced the student’s ability to explain evolutionary change in both reproduction and transfer tasks. The lab activity in the comparison group, in contrast, failed to do so, with the majority of the students unable to improve their ability to explain evolutionary change. Disconnect between levels and confusion of levels remained typical of student explanations in the comparison group, but not in the experimental group. Genetik: Wissen vernetzen  Wichtige Hierarchiebenenin der Biologie: o Populationsebene o organismische Ebene o zelluläre Ebene o molekulare Ebene  Ein Unterrichtsverfahren, bei dem die Lernenden explizit aufgefordert werden, Ebenen zu wechseln und zu verknüpfen, wird als Yo-Yo Lehr-Lernstrategiebezeichnet.  Der Begriff wurde erstmals 2002 von Marie-Christine Knippelsbenutzt  Hirarchieebenen vernetzten führt zu kumulativem Lernen  Yo-Yo Lehr-Lernstrategie: verknüpft werden die Ebenen Population, Organismus, Zelle und Moleküle  Vokabeln: ascend = aufsteigen; descend = absteigen; LT-strategy = learning and teaching strategy Yo-Yo Lehr-Lernstrategie im Bereich der Zellbiologie: Warum welken Pflanzen?  Der Unterricht beginnt mit der Präsentation zweier Buntnesseln (organismische Ebene). Dann werden die Ursachen des Welkens erarbeitet. Dabei wird mikroskopiert (zelluläre Ebene) und es werden die Ursachen für den Wasserverlust der Vakuole mit einem Osmosemodell erarbeitet (molekulare Ebene). Anschließend folgt der „Wiederaufstieg“ zur zellulären und organismischen Ebene. Die Schüler sollen erklären, warum welke Blätter schlaff sind und beim Gießen wieder turgeszent werden. Abschließend: Traglufthalle.

Zusammenfassung  

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Es wird zwischen vertikalen (zwischenfachlichen) und horizontalen (innerfachlichen) Wissensvernetzungen unterschieden. Die Schülervorstellungsforschung beschrieb zahlreiche Beispiele mangelnder vertikaler Kohärenz in den Erklärungen der Lernenden, d.h. mangelnde Vernetzung von Konzepten, die auf unterschiedlichen Systemebenen verortet sind. Zwei spezifische Probleme mangelnder vertikaler Kohärenz sind „Verwechslung“ und „Entkopplung von Organisationsebenen“ Empfohlen wird der Einsatz von Lernangeboten und Lehr-Lernstrategien zur Vernetzung von Organisationsebenen, z.B. Simulationen zum Thema „Selektion und Artwandel“, in denen sowohl die makroskopische Ebene (Populationen, Individuen) als auch die mikroskopische Ebene (Gene, Allele) Berücksichtigung finden. Lernende müssen im Unterricht erkennen, dass Selektion zur Veränderung von Allelfrequenzen im Genpool führt....