Weiterentwicklung der Aufgabenkultur im Unterricht und in Überprüfungen Naturwissenschaften

1. Weiterentwicklung der Aufgabenkultur im Unterricht und in ÜberprüfungenNaturwissenschaften 02.02. 2006

2. Es lohnt sich über PISA-Aufgaben nachzudenken • Semmelweis‘ Tagebuch • Mörder ermitteln • Klonen • Tageslicht

3. „Juli 1846. Nächste Woche trete ich meine Stelle als ‚Herr Doktor‘ auf der ersten Station der Entbindungsklinik im Allgemeinen Krankenhaus von Wien an. Ich war entsetzt, als ich vom Prozentsatz der Patienten hörte, die in dieser Klinik sterben. In diesem Monat starben dort sage und schreibe 36 von 208 Müttern, alle an Kindbettfieber. Ein Kind zur Welt zu bringen ist genauso gefährlich wie eine Lungenentzündung ersten Grades.“ einer ansteckenden Krankheit, an der viele Frauen nach der Geburt eines Kindes starben. Semmelweis sammelte Daten über die Anzahl der Todesfälle auf Grund von Kindbettfieber in der ersten und zweiten Station des Krankenhauses (siehe Diagramm). Die Ärzte, darunter auch Semmelweis, tappten in Bezug auf die Ursache des Kindbettfiebers völlig im Dunkeln. Semmelweis schrieb in sein Tagebuch:  „Dezember 1846. Warum sterben so viele Frauen nach einer völlig problemlosen Geburt an diesem Fieber? Seit Jahrhunderten lehrt uns die Wissenschaft, es handle sich um eine unsichtbare Epidemie, die Mütter tötet. Als mögliche Ursachen gelten Veränderungen in der Luft, irgendwelche außerirdischen Einflüsse oder eine Bewegung der Erde selbst, ein Erdbeben.“ Heutzutage würde kaum jemand außerirdische Einflüsse oder ein Erdbeben als mögliche Ursachen für Fieber in Erwägung ziehen. Zu Lebzeiten von Semmelweis taten dies allerdings viele, auch Wissenschaftler! Wir wissen heute, dass es etwas mit hygienischen Bedingungen zu tun hat. Semmelweis wusste jedoch, dass außerirdische Einflüsse oder ein Erdbeben als Ursachen für Fieber eher unwahrscheinlich waren. Er machte auf die Daten, die er gesammelt hatte, aufmerksam (siehe Diagramm) und versuchte damit seine Kollegen zu überzeugen.

4. Semmelweis‘ Tagebuch Frage 1: Nimm an, du wärst Semmelweis. Nenne einen Grund dafür (ausgehend von den von Semmelweis gesammelten Daten), dass Erdbeben als Ursache für Kindbettfieber unwahrscheinlich sind.

5. Text 2: Zur Forschung in den Krankenhäusern gehörte das Sezieren. Der Körper einer verstorbenen Person wurde aufgeschnitten, um eine Todesursache zu finden. Semmelweis schrieb, dass auf der Ersten Station tätige Studenten üblicherweise am Sezieren von Frauen teilnahmen, die am Vortag gestorben waren. Direkt anschließend untersuchten sie Frauen, die gerade ein Kind geboren hatten. Sie achteten nicht besonders darauf, sich nach dem Sezieren zu waschen. Manche waren sogar stolz darauf, dass man roch, dass sie vorher in der Leichenhalle gearbeitet hatten, weil man daran ihren Fleiß erkennen konnte! Ein Freund von Semmelweis starb, nachdem er sich beim Sezieren geschnitten hatte. Beim Sezieren seines Leichnams zeigte sich, dass er dieselben Symptome aufwies wie Mütter, die an Kindbettfieber gestorben waren. Dadurch bekam Semmelweis eine neue Idee.

6. Semmelweis‘ Tagebuch Frage 2: Semmelweis‘ neue Idee steht im Zusammenhang mit dem hohen Prozentsatz verstorbener Frauen auf den Entbindungsstationen und dem Verhalten der Studenten. Was war seine Idee?

7. Semmelweis‘ Tagebuch Frage 2: A: Wenn man die Studenten veranlasst, sich nach dem Sezieren zu waschen, so sollten weniger Fälle von Kindbettfieber auftreten. B: Die Studenten sollten nicht beim Sezieren mitwirken, weil sie sich schneiden könnten. C: Die Studenten riechen übel, weil sie sich nach dem Sezieren nicht waschen. D: Die Studenten wollten ihren Fleiß unter Beweis stellen und werden deshalb beim Untersuchen der Frauen unachtsam.

8. Semmelweis‘ Tagebuch Frage 3: Erkläre, warum hohe Temperatur (beim Waschen der Bettwäsche) dazu beiträgt, das Risiko, dass Patienten Fieber bekommen, zu senken.

9. Semmelweis‘ Tagebuch Frage 4: Worauf ist es zurückzuführen, dass in den letzten Jahren die Wirksamkeit einiger Antibiotika nachgelassen hat?

10. Semmelweis‘ Tagebuch Frage 4: A: Nach ihrer Herstellung verlieren Antibiotika allmählich ihre Wirksamkeit. B: Bakterien werden gegen Antibiotika widerstandsfähig. C: Diese Antibiotika sind nur gegen Kindbettfieber, nicht jedoch gegen andere Krankheiten wirksam. D: Der Bedarf an diesen Antibiotika hat nachgelassen, weil sich die Bedingungen im Gesundheitswesen in den letzten Jahren beträchtlich verbessert haben.

11. Vergleich mit konventionellem Unterricht Funktion des spezifischen Abwehrsystems

12. Fragen, die sich aufdrängen • Was versteht PISA unter naturwissenschaftlicher Grundbildung? • Welche Bereiche werden bei PISA erfasst? • Welche Themen werden bei PISA herangezogen? • Welche Prozesskomponenten werden in den PISA-Aufgaben gefordert?

13. Wissen • naturwissenschaft-liches Wissen • Wissen über Naturwissenschaften • Motivationale Orientierungen und Einstellungen • Unterstützung natur-wissenschaftlicher Zugänge • Interesse an Naturwissenschaften Was PISA unter naturwissenschaftlicher Grundbildung versteht („Science Framework“) • Kompetenzen • naturwissenschaftliche Fragestellungen erkennen • naturwissenschaftliches Wissen anwenden, um naturwissenschaftliche Phänomene zu beschreiben, zu erklären und vorherzusagen • naturwissenschaftliche Begründungen nutzen, um Entscheidungen zu treffen und sie zu kommunizieren Kontexte Lebens-situationen, in denen Naturwissen-schaft und Technik/ Technologien eine Rolle spielen (persönlich – sozial – global) erfordern bestimmt durch

14. Welche Bereiche werden bei PISA erfasst? • naturwissenschaftliches Wissen • physikalische Systeme • Raum- und Erdwissenschaften • lebende Systeme • Wissen über Naturwissenschaften • naturwissenschaftliche Untersuchungen (Fragestellungen, Ziele, Vorgehensweisen usw.) • naturwissenschaftliche Erklärungen (Regeln, Arten usw.) • Naturwissenschaften und Technik in der Gesellschaft (Rolle, Risiken, Grenzen usw.)

15. Welche Bereiche werden bei PISA erfasst? • „attitudinal items” motivationalen und affektiven Einstellungen zu wesentlichen Bereichen der Naturwissenschaft • Die Wertschätzung von Naturwissenschaften • Das Interesse an Naturwissenschaften (Faszination Naturwissenschaften) • Die Bedeutung, die der naturwissenschaftlichen Forschung zugemessen wird • Die Bereitschaft persönlich Verantwortung gegenüber der Natur und den Ressourcen zu übernehmen

16. Welche Themen werden bei PISA herangezogen? („Big Ideas“) • Struktur und Eigenschaften von Stoffen (Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit) • Atmosphärische Veränderungen (Strahlung, Transmission, Druck) • Chemische und physikalische Veränderungen (Aggregatzustände, Reaktionsgeschwindigkeit, Zerfall) • Energieumwandlungen (Energieerhalt, Energieabbau, Photosynthese) • Kräfte und Bewegung (Kräfte im Gleichgewicht/Ungleichgewicht, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Impuls) • Form und Funktion (Zelle, Skelett, Anpassung) • Humanbiologie (Gesundheit, Hygiene, Ernährung) • Physiologische Veränderungen (Hormone, Elektrolyse, Neurone) • Artenvielfalt (Arten, Genpool, Evolution) • Genetische Steuerung (Dominanz, Vererbung) • Ökosysteme (Nahrungsketten, Nachhaltigkeit) • Die Erde und ihre Stellung im Universum (Sonnensystem, diurnale und saisonale Veränderungen) • Geologische Veränderungen (Kontinentaldrift, Verwitterung)

17. Welche Prozesskompetenzen werden in den PISA-Aufgaben gefordert? • Sachtexte lesen • Grafiken, Bilder, Skizzen, … interpretieren • aus Informationen Schlüsse ziehen • Vorhersagen treffen • Verstehen nw. Untersuchungen • Interpretation empirischer Evidenz (stat. Belege) • mentale Modelle bilden • Thesen argumentativ begründen • Hypothesen bilden und gegeneinander abwägen • Sachverhalte adressatengerecht verbalisieren • Stellung nehmen und Sachverhalte bewerten

18. Welchen Kategorien kann man die PISA Aufgaben zuordnen? • Prozesse • Phänomene erklären • Wissenschaftliche Untersuchungen verstehen • Schlussfolgerungen ziehen • Fachgebiete • Biologie • Chemie • Physik • Anwendungsbereiche: Naturwissenschaften ... • ... in Leben in Gesundheit • ... in Erde und Umwelt • ... in Technologie 18 7 9 13 7 14 12 10 12

19. Sind das die Kompetenzen, die unser Unterricht fördern soll? • Ja! PISA legt besonderen Wert auf: • die Anwendung des Wissens • die Kommunikation des Wissens • die Entscheidungsfindung, die Bewertung und die Risiko-Folgen-Abschätzung • Aber, es muss noch etwas dazukommen: • das systematische Fachwissen als Basiskompetenz • der kompetente Umgang mit den spezifisch naturwissenschaftlichen Arbeitsmethoden

20. Wie sind die Testaufgaben bei PISA konzipiert? • Ableitung von konkreten Themen aus den zentralen Themen ( „big ideas“) • Energie -> Atomkraftwerk • Situationen sind nicht auf das Klassenzimmer beschränkt und materialgebunden • Individuum: Nahrungsmittel, Energieverbrauch • Gesellschaft: Trinkwasseraufbereitung, Standortsuche für ein Kraftwerk • Weltbürger: globale Erwärmung, Abnahme der Artenvielfalt

21. Die Skalen der „Attitudinal Items“ • Interesse an Naturwissenschaften • Neugierde an naturwissenschaftlichen Themen • Wunsch zusätzliches naturwissenschaftliches Wissen zu erlangen • Unterstützung naturwissenschaftlicher Zugänge • Unterstützung der Wichtigkeit der Abwägung unterschiedlicher naturwissenschaftlicher Sichtweisen und ihrer Argumente • Unterstützung der Verwendung gesicherter, objektiver Informationen und Verfahren Neu in PISA 2006: Erfassung im Kontext der kognitiven Aufgaben!

22. Person A Person B Beispielaufgabe „Den Mörder ermitteln“ Neustadt, gestern:Gestern starb ein Mann in Neustadtan mehreren Stichverletzungen. Die Polizei berichtet, dass es Anzeichen für einen Kampf gibt und dass ein Teil des Blutes, das am Tatort gefunden wurde, nicht vom Opfer stammt. Vermutlich stammt dieses vom Mörder. Um den Mörder zu ermitteln, haben Wissenschaftler der Polizei ein DNS-Profil der Blutprobe erstellt. Beim Vergleich dieses DNS-Profils mit den Profilen bereits verurteilter Straftäter wurde keine Übereinstimmung gefunden. Foto eines typischen DNS-Profils zweier Personen. Die Streifen sind verschiedene Fragmente von der DNS der jeweiligen Person. Jede Person hat ein anderes Streifenmuster. Genauso wie mit Fingerabdrücken kann mananhand dieser Muster Personen identifizieren. Die Polizei von Neustadt fordert nun alle Einwohner auf, freiwillig ihre DNS analysieren zu lassen. Kommissar Berger von der Polizei in Neustadt sagte: „Wir brauchen nur einen harmlosen Abstrich von der Innenseite der Wange zu nehmen. Aus diesem können Wissenschaftler dann die DNS extrahieren und ein DNS-Profil wie das abgebildete erstellen“. Außer bei eineiigen Zwillingen liegt die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Menschen das gleiche DNS-Profil besitzen, bei lediglich eins zu hundert Millionen. Lies den folgenden Zeitungsartikel und beantworte die nachfolgenden Fragen.

23. Beispielaufgabe „DEN MÖRDER ERMITTELN“ • Frage 1: DEN MÖRDER ERMITTELN Der Zeitungsartikel bezieht sich auf die Substanz DNS. Was ist DNS? A Eine Substanz in Zellmembranen, die verhindert, dass Zellbestandteile auslaufen. B Ein Molekül, dass die Anleitung zum Aufbau unseres Körpers enthält. C Ein Protein im Blut, das hilft, Sauerstoff in das Gewebe zu transportieren. D Ein Hormon im Blut, das zur Regelung des Zuckerspiegels in den Zellen unseres Körpers beiträgt.

24. Beispiel für „Interesse an Naturwissenschaften

25. Beispiel für „Unterstützung naturwissenschaftlicher Zugänge“

26. Wie gut haben deutsche Schüler PISA Aufgaben gelöst?

27. KLONEN  Lies den folgenden Zeitungsartikel und beantworte die anschließenden Fragen. Ein Kopierapparat für Lebewesen? Hätte es Wahlen zum Tier des Jahres 1997 gegeben, wäre Dolly ohne Zweifel der sichere Sieger gewesen. Dolly ist das schottische Schaf, das Sie auf dem Foto sehen können. Dolly ist allerdings kein gewöhnliches Schaf. Sie ist ein Klon eines anderen Schafs. Ein Klon bedeutet: eine Kopie. Klonen heißt kopieren „von einem einzigen Original“. Es ist Wissenschaftlern gelungen, ein Schaf (Dolly) zu erschaffen, das mit einem Schaf identisch ist, das als „Original“ ausgewählt worden war. Es war der schottische Wissenschaftler Ian Wilmut, der die „Kopiermaschine“ für Schafe entworfen hat. Er nahm ein sehr kleines Stück vom Euter eines erwachsenen Schafs (Schaf 1). Diesem kleinen Stück hat er den Zellkern entnommen, den er in eine Eizelle eines zweiten (weiblichen) Schafs (Schaf 2) eingepflanzt hat. Zunächst entfernte er aber aus dieser Eizelle das ganze Material, das Eigenschaften von Schaf 2 in einem aus dieser Eizelle entstehenden Lamm bestimmt hätte. Ian Wilmut implantierte die manipulierte Eizelle von Schaf 2 in ein weiteres (weibliches) Schaf (Schaf 3). Schaf 3 wurde trächtig und gebar ein Lämmchen: Dolly. Manche Naturwissenschaftler glauben, dass es in wenigen Jahren möglich sein wird, auch Menschen zu klonen. Doch viele Regierungen haben bereits beschlossen, das Klonen von Menschen gesetzlich zu verbieten.

28. Wie gut haben deutsche Schüler PISA Aufgaben gelöst? • Frage 1.1: KLONEN • Mit welchem Schaf ist Dolly identisch? • A Schaf 1 • B Schaf 2 • C Schaf 3 • D Dollys Vater 493 0.65 i / 0.67 D

29. Wie gut haben deutsche Schüler PISA Aufgaben gelöst? • Frage 1.2: KLONEN In Zeile 16 wird der Teil, der vom Euter verwendet wurde, als ein „sehr kleines Stück“bezeichnet. Du kannst dem Artikel entnehmen, was mit dem „sehr kleinen Stück“ gemeint ist. Dieses „sehr kleine Stück“ ist • A eine Zelle. • B ein Gen. • C ein Zellkern. • D ein Chromosom. 571 0.49 i / 0.47 D

30. Wie gut haben deutsche Schüler PISA Aufgaben gelöst? Frage 1.3: KLONEN Im letzten Satz des Artikels steht, dass viele Regierungen bereits beschlossen haben, das Klonen von Menschen gesetzlich zu verbieten. Zwei mögliche Gründe dafür werden unten angegeben. Beurteile, ob es sich hierbei um wissenschaftliche Gründe handelt. Kreise jeweils „Ja“ oder „Nein“ ein. Grund: Wissenschaftlich? Geklonte Menschen könnten für gewisse Krankheiten anfälliger sein als normale Menschen. Ja / Nein Menschen sollten nicht die Rolle des Schöpfers übernehmen. Ja / Nein 506 0.062 i / 0.63 D

31. TAGESLICHT Lies folgende Informationen und beantworte die anschließenden Fragen. DAS TAGESLICHT AM 22. JUNI 2002 Wenn sich heute die Leute in der nördlichen Hemisphäre über den längsten Tag des Jahres freuen, erleben die Australier gleichzeitig den kürzesten. In Melbourne* geht die Sonne um 7.36 Uhr auf und um 17.08 Uhr wieder unter: An diesem Tag ist es nur während neun Stunden und 32 Minuten hell. Vergleichen wir den heutigen Tag mit dem längsten im Jahr in der südlichen Hemisphäre, der am 22. Dezember erwartet wird: Die Sonne geht dann bereits um 5.55 Uhr auf und um 20.42 Uhr wieder unter, und spendet demnach während 14 Stunden und 47 Minuten ihr Licht. Der Präsident der Astronomischen Gesellschaft, Perry Vlahos, erklärte, dass der Wechsel der Jahreszeiten in der nördlichen und südlichen Hemisphäre mit der 23-Grad- Neigung der Erde zusammenhängt. * Melbourne ist eine Stadt in Australien, die sich ungefähr auf dem 38. Breitengrad südlich des Äquators befindet.

32. Wie gut haben deutsche Schüler PISA Aufgaben gelöst? FRAGE 2.1: TAGESLICHT Welche Aussage erklärt, warum es auf der Erde Tageslicht und Dunkelheit gibt? A Die Erde rotiert um ihre Achse. B Die Sonne rotiert um ihre Achse. C Die Erdachse ist geneigt. D Die Erde dreht sich um die Sonne. 591 0.43 i / 0.32 D

33. Wie gut haben deutsche Schüler PISA Aufgaben gelöst? FRAGE 2.2: TAGESLICHT In der Abbildung wird gezeigt, wie Lichtstrahlen von der Sonne auf die Erde scheinen. Abbildung: Lichtstrahlen von der Sonne Nimm an, es wäre der kürzeste Tag in Melbourne. Zeichne die Erdachse, die nördliche Hemisphäre, die südliche Hemisphäre und den Äquator in die Abbildung ein. Beschrifte alle Teile deiner Antwort. 692 0.19 i / 0.16 D

34. Was ist zu tun? Weiterentwicklung des Unterrichts (neue Aufgabenkultur, geänderte Unterrichtsskripte) Erwerb von Kompetenzen Umgang mit standardi-sierten Tests (Aufgabenformate, Zeitansatz, schulartübergreifende Aufgabenstellung) Nachweis von Kompetenzen