Mit der KMK-Strategie „Bildung in der Digitalen Welt“ (2016) geht ein fächerübergreifender Aufbau digitalitätsbezogener Kompetenzen einher. Im Falle von Kompetenzen mit klar informatischem Bezug muss dies aufgrund des bisher nur unzureichend im Fächerkanon verankerten Informatikunterrichts auch gezielt integrativ im Biologieunterricht (BU) erfolgen. Der Kompetenzteilbereich „5.5. Algorithmen erkennen & formulieren“ macht integrative Konzepte notwendig, mit denen naturwissenschaftlich-informatischer Unterricht (NIU) umgesetzt werden kann, wozu Gelingensbedingungen erforscht werden müssten.

Aufgrund von Schnittmengen der Naturwissenschaften zum algorithmisches Problemlösen im „Computational Thinking“ (CT) mit Aktivitäten zur Konzeptualisierung von Problemen und der Operationalisierung ihrer Lösung werden im Projekt GeNIUS fachdidaktische Desiderate bzgl. der Integration digitaler Kompetenzen gemäß der KMK Strategie untersucht. Es wird analysiert in wie weit bzw. wie eine Integration der Förderung digitaler Kompetenzen synergistisch und nicht auf Kosten von Zielen des BU gelingen kann. Mittel- und langfristig können Ergebnisse Lehr- bzw. schulinterne Arbeitspläne sowie die Lehrkräftebildung beeinflussen, da die Klärung von Möglichkeiten zur Integration digitaler Kompetenzen in BU eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung darauf abgestimmter Unterrichts- und Lehrkräftebildungskonzepte sind.

Das Projekt GeNIUS untersucht nach dem Prinzip der partizipativen Aktionsforschung unter welchen Bedingungen die Integration informatischer Kompetenzen in den naturwissenschaftlichen Unterricht gelingen kann. Mit NIU-Szenarien werden analog zur digitalisierten fachwissenschaftlichen Forschung z.B. algorithmisch beschriebene Vorgehensweisen zur Messwerterfassung in Experimenten mittels einfacher Programmierumgebungen und Sensoren von Schüler*innen individuell angepasst und erfahrbar gemacht. Die Entlastung durch die automatisierte Messung erlaubt die Umsetzung bisher nicht realisierbarer didaktischer Konzepte, die wiederum einer fachdidaktischen Evaluation bedürfen.

Aus der Evaluation solcher NIU-Szenarien werden Gelingensbedingungen für NIU und untersucht, ob sich durch NIU die fachlichen Kompetenzen der Schüler*innen verbessern, inwiefern sich die Vorstellung der jeweiligen Fächer bei den Lernenden/Lehrenden verändert und ob sich auch deren fachliches Interesse und Selbstwirksamkeitserwartung weiterentwickelt. Die ähnliche Strukturierung des Unterrichts in den Naturwissenschaften sollten sich im Projekt gewonnene Erkenntnisse prinzipiell in den Unterricht anderer Naturwissenschaften übertragen lassen.

DDer Klimawandel ist ein typisches Controversial Science Issue (CSI), zu dem es einen breiten wissenschaftlichen Konsens gibt und das als Lernkontext im Biologieunterricht genutzt werden kann. Die psychologische Distanz zum Klimawandel hängt mit dem wahrgenommenen Wissen zum Thema zusammen. Allerdings führen Wissen und positive Einstellungen allein nicht zu Handlungen im Sinne des Klimaschutzes (Climate Action). Einflussfaktoren sind psychologische Barrieren und individuelle Motivation durch affektive Faktoren. Gamification kann die Motivation durch Interesse und Engagement steigern. Effektive Klimabildung ist wissensbasiert, partizipativ und handlungsorientiert. Auf dieser Grundlage wurde die Spiele-App TRAIN 4 Science für Wissenschaftskommunikation, außerschulisches Lernen und für den Einsatz im Unterricht konzipiert. In einem gamifizierten Format werden 16 Multiple Choice Fragen zu Wissen, psychologischer Distanz und bevorzugten Handlungsmöglichkeiten im Kontext Klimawandel gestellt. Dazu werden offene Reflexionsfragen beantwortet. So lassen sich mit der App quantitative und qualitative Daten auslesen. Die Spiele-App wurde in verschiedenen Klassen der Jahrgangsstufen 7 und 8 eingesetzt (N = 78 Spieldurchläufe), um zu untersuchen, welche Handlungshemmnisse und -möglichkeiten Schüler:innen im Zusammenhang mit dem Klimawandel wahrnehmen und ob es einen Zusammenhang zwischen Wissen und psychologischer Distanz gibt. Die Ergebnisse der qualitativen Inhaltsanalyse zeigen, dass die Schüler:innen Verhaltensweisen (46,4 %) und finanzielle sowie soziale Gründe (je 10,7 %) als Hindernisse für Handlungen zur Bekämpfung des Klimawandels ansehen. Sie sehen Mobilität und Müllentsorgung (je 23,5 %) als persönliche Handlungsmöglichkeiten und Subventionen (35,3 %) sowie Restriktionen (23,5 %) als gesellschaftliche Handlungsmöglichkeiten. Es zeigte sich ein signifikanter mittlerer positiver Zusammenhang zwischen Wissen zum Klimawandel und einer niedrigen psychologischen Distanz zum Klimawandel (r = 0,369; p = <0,001). Limitationen ergeben sich aus der Datenerhebung, bei der zwei Kinder an einem Tablet arbeiten und durch eine mögliche Beeinflussung der Antwortprozesse durch die gamifizierten Elemente der App. TRAIN 4 Science wird weiter untersucht und für eine Lernumgebung an einem außerschulischen Lernort adaptiert, um den Anforderungen an effektive Klimabildung noch besser zu entsprechen.

Digitale Medien der virtuellen Realität (VR) wie VR-Brillen finden sich immer häufiger im Alltag. Dabei bieten diese Medien neuartige immersive Möglichkeiten des Erlebens digitaler Inhalte. Diese Möglichkeiten bieten auch für den naturwissenschaftlichen Unterricht neue Zugänge, um sich Phänomene zu erschließen. Im Fokus stehen dabei besonders solche, die nicht direkt erfahrbar sind, wie beispielsweise der Blutkreislauf oder das menschliche Herz. Einen wichtigen Teil im naturwissenschafltichen Arbeiten stellen hierbei vor allem Modelle als Repräsentanten dar. Im Zuge der Expansion der virtuellen Realität gibt es mittlerweile auch virtuelle Modelle. Diese gilt es fachdidaktisch auf ihren Mehrwert hin zu untersuchen und weiterzuentwickeln.

Mit diesem Betrag, der die Ergebnisse einer qualitativen Interviewstudie präsentiert, wird eine Grundlage für eine weitere fachdidaktische Untersuchung dieser Medien und ihren einzigartigen Möglichkeiten für den Biologieunterricht gelegt. Dabei wird ein Fokus auf das Lernen fachlicher Inhalte gelegt. Ferner wird eine Analyse der Einbindung von VR-Brillen in den Unterricht in den Blick genommen. Im Rahmen der Interviews interagierten Lernende eines Gymnasiums (Jahrgang 10) mit einem immersiven Herzmodell, dass auf einer VR-Brille präsentiert wurde. Diese Interaktionen wurden mittels des SAMR-Modells bezüglich ihres Einbindungsgrades kodiert und ausgewertet.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass bei ausgewählten Lernenden das Lernen fachlicher Inhalte mit einem immersiven Modell möglich ist. Außerdem deuten die Ergebnisse daraufhin, dass VR-Brillen die Möglichkeiten digitaler Repräsentationsformen durch neuartige Funktionen deutlich erweitern.

Multimedia User Experience Books, MuxBooks, sind weitgehend unerforschte, adaptive und vorstrukturierte multimediale Arbeitshefte, die von Lernenden unterrichtsbegleitend und individuell ergänzt werden können. Ziel der vorliegenden Studie ist, herauszufinden wie MuxBooks aufgebaut und gestaltet sein sollten, um im Sachunterricht nutzbar zu sein. Dies wurde mit einer ersten Pilotierung nach dem Verfahren des Design-Based Research (Wilhelm & Hopf 2014) zunächst rein qualitativ erhoben. Dazu wurde auf Grundlage des moderaten Konstruktivismus (Riemeier 2007) und der Cognitive Theory of Multimedia Learning (Mayer 2014) ein MuxBook erstellt (Larsen & Raab 2023). Anschließend wurden sechs Lehrkräfte mit den Methoden des Lauten Denkens (Frommann 2005) und eines leitfadengestützen Interviews (Bortz & Döring, 2016) befragt, um die für diese wichtigsten Gestaltungskriterien zu erfassen. Die erhobenen Daten wurden zunächst mit der qualitativen Inhaltsanalyse (Mayring 2010) ausgewertet und anschließend wechselseitig mit Gestaltungskriterien für digitale Schulbücher und Arbeitsblätter (Brettschneider 2001, Neumann 2012) verglichen. Im Folgenden wurde eine Liste von 75 Gestaltungskriterien erarbeitet. Diese sind in die Kategorien „Grundsätzliche Gestaltung“; „Mediale Gestaltung“; „Icons“, „Visualisierung“, „Interpretationsanweisungen“, „Videos“, „Leitfiguren“; „Inhalt“ und „Methodik“ eingeordnet. Als besonders wichtig werden von den Lehrpersonen Signalisierungen, räumliche Nähe von Inhalten und vielfältige Aufgabenformate eingeschätzt. Im weiteren Verlauf können weitere Zyklen des Design-Based Research angeschlossen werden: die Materialien werden dafür zunächst überarbeitet und anschließend wieder von Expert*innen aus der Praxis (Lehrkräften und/oder Schüler*innen) begutachtet.

Biologielernen mit Schulbüchern - insbesondere in der SII - erfordert fast immer eine aktive Integration von Informationen aus Texten und korrespondierenden (komplexen) Abbildungen. Aus der Multimedia-Forschung sind zahlreiche Prinzipien bekannt, mit denen sowohl die Informationsentnahme als auch die Integration der Inhalte gesteigert werden können (u.a. Kontiguität, Signaling, Segmenting, Sequencing). Diese werden aber bisher kaum in Schulbüchern und der schulischen Praxis genutzt. Am Beispiel einer Schulbuchseite zur chemischen Synapse untersuchen wir in zwei Experimenten, inwiefern die Lernergebnisse von Lernenden am Ende der EF durch Anwendung ausgewählter Multimedia-Prinzipien (Studie A: Kontiguität, Signaling, Segmenting; Studie B: Sequencing) im Vergleich zum Ausgangsmaterial gesteigert werden können. Dafür wurden im Vortest relevantes Vorwissen aus den Bereichen Cytologie (Studie A) bzw. Neurobiologie (Studie B) und im Posttest das Verständnis der Prozesse an der chemischen Synapse (6 MC-Items, 1 offene Aufgabe), die wahrgenommene kognitive Belastung (Mental load) und der Einsatz bei der Bearbeitung (Mental efford) erfasst. In Experiment A (n=56) zeigte sich ein erwartungsgemäß höherer Lernerfolg, sowie ein geringerer Mental load für die Experimentalgruppe, welche mit dem durch Multimediaprinzipien modifizierten Material gearbeitet hatte. Der Mental efford, d.h. der Einsatz der Lernenden bei der Bearbeitung, sowie das Vorwissen unterschieden sich nicht von der Kontrollgruppe. Ähnlich zeigte sich auch in Experiment B (n=65) ein höherer Lernerfolg bei denjenigen Lernern, die zuerst mit dem Bild und dann mit dem Text gearbeitet hatten, wobei auch die kognitive Belastung etwas geringer ausfiel. Unterschiede im mental efford gab es auch hier nicht. Allerdings fanden sich in dieser Studie signifikante Unterschiede im Vorwissen, deren Berücksichtigung als Covariate mittels ANCOVA zum Wegfall der Signifikanz des Effekts auf das Verständnis führte. Grundsätzlich liefern beide Studien Evidenzen dafür, dass die Anwendung der Prinzipien das Lernen von Biologie positiv unterstützen kann. Die Aussagekraft der Ergebnisse und die Übertragbarkeit auf weitere biologische Beispiele werden im Beitrag diskutiert.

DigiProMIN-SimBio ist ein Teilvorhaben des Kompetenzzentrums "Digitalisierungsbezogene und digital gestützte Professionalisierung von MIN-Lehrkräften – DigiProMIN", einem vom BMBF finanzierten Verbund zur Förderung des digitalen und digital gestützten Unterrichts in Schule und Fortbildung. Ziel des Verbunds ist die modellhafte Entwicklung und prototypische Umsetzung einer multidimensionalen Strategie zur fachspezifischen und fächerverbindenden, digitalisierungsbezogenen und digital gestützten Professionalisierung von Lehrkräften für einen zukunftsorientierten MIN-Unterricht. Im Verbund ist das Teilprojekt DigiProMIN-SimBio dem Schwerpunkt „Lehrkräfte mit digitalen Medien professionalisieren“ zugeordnet und adressiert in diesem Kontext den Einsatz von zwei Simulationen (DiKoBi und SKRBIO) zur Förderung der Diagnosekompetenzen von Biologielehrkräften. Während die videobasierte, adaptive Simulation DiKoBi auf die Förderung von Diagnosekompetenz mit Blick auf allgemeine und fachspezifische Unterrichtsqualität fokussiert, ermöglicht der Simulierte Klassenraum Biologie SKRBIO unter gezielter Komplexitätsreduktion des realen Klassenraums das Diagnostizieren typischer Lernschwierigkeiten von Lernenden zu fördern. Ziel des Teilprojekts ist es, in Zusammenarbeit von IPN, HU-Berlin, LMU München und der Universität Potsdam die digitalen Simulationen DiKoBi und SKRBIO für die zweite und dritte Phase der Lehrkräftebildung weiterzuentwickeln und in Fortbildungsmodulen zu etablieren. Dafür werden die Simulationen DiKoBi und SKRBIO für ihren Einsatz in diesen Phasen der Lehrkräftebildung adaptiert und anschließend in online Fortbildungsmodule integriert. Dabei wird auf die Förderung von Diagnosekompetenzen in den Bereichen Sach-, Erkenntnisgewinnungs-, Kommunikations- und Bewertungskompetenz sowie allgemeiner und fachspezifischer Unterrichtsqualität fokussiert. In einem ersten Evaluationsschritt werden die Module mit Lehrkräften erprobt und qualitativ evaluiert. Die Erkenntnisse werden zur Weiterentwicklung der Module genutzt. Im zweiten Schritt sollen einzelne Module durch Zusammenarbeit mit den Lehrkräftebildungsinstitutionen der vier Bundesländer in die Praxis der zweiten und dritten Phase der Biologielehrkräftebildung Eingang finden. Ziel dieser Poster-Präsentation ist es, das Verbundprojekt DigiProMIN sowie das Teilprojekt DigiProMIN–SimBio in der Scientific Community der FDdB bekannt zu machen und Anknüpfungspunkte für eine Vernetzung mit weiteren Kompetenzzentren und anderen Projekten im Kontext Digitalisierung von Biologieunterricht und Biologielehrkräftebildung zu identifizieren.

Auch im naturwissenschaftlichen Unterricht ist es erforderlich, angehende Lehrkräfte zu befähigen, digitale Werkzeuge im Unterricht zielgerichtet und reflektiert einzusetzen (Vogelsang et al., 2019). Studien zeigen, dass insbesondere Lehramtsstudierende eine geringere digitale Kompetenzeinschätzung (Farjon et al., 2019) und eine niedrige Aufgeschlossenheit in der Nutzung digitaler Werkzeuge im Studium aufweisen (Schmid et al., 2017). Im Rahmen der Förderlinie Curriculum 4.0 wurde das Modul „Digitale Kompetenz“ entwickelt und wird als Pilotprojekt an einer Universität in NRW erprobt. Es stellt für alle Studierenden im Bachelor ein Pflichtmodul mit wählbaren Lernbausteinen dar. Dieses Modul hat das zentrale Ziel, nachhaltige Formate zur Vermittlung digitaler Kompetenzen curricular zu implementieren. Ziel der Studie ist die Untersuchung, welchen Einfluss ein universitäres Lehrangebot zum digitalen Medieneinsatz im Biologieunterricht auf die digitalen Kompetenzen (Rubach & Lazarides, 2019) sowie die Einstellung von Studierenden hat, zukünftig digitale Medien im Biologieunterricht bzw. Sachunterricht einzusetzen (Vogelsang et al., 2019). Das hierfür zugrundeliegende Modell (ebd.) ist an das Modell der Theory of Planned Behavior (TPB) (Ajzen, 2005) angelehnt, welches um die Konstrukte Digitale Kompetenzselbsteinschätzungen und Werteüberzeugungen zum Einsatz digitaler Medien im Unterricht (Quast et al., 2021; Rubach & Lazarides, 2019) erweitert wurde sowie eine Operationalisierung des Konstrukts Intention vorsieht. Das entwickelte Messinstrument wurde bereits pilotiert und in mehreren Durchgängen im Pre-Post-Design eingesetzt. Die Ergebnisse der befragten N = 33 Studierenden zeigen, dass der Besuch eines universitären Lehrangebots zum digitalen Medieneinsatz im Biologieunterricht einen sichtbaren Einfluss auf die Selbsteinschätzung digitaler Kompetenzen von Studierenden sowie die untersuchten verhaltensbestimmenden Faktoren hat. Der tatsächliche Einfluss auf das direkte Verhalten der Studierenden digitale Medien (zukünftig) im Fachunterricht einzusetzen, kann nur angenommen werden. Weiterführende Untersuchungen unter Einbezug konkreter Praxiserfahrungen von Studierenden könnten hier mehr Aufschluss auf das tatsächliche Handeln im Unterricht geben.

Das Verständnis wissenschaftlicher Erkenntnisse wird immer wichtiger, insbesondere für Schüler:innen. Allerdings wurde bisher gezeigt, dass diese Zielgruppe wissenschaftliche Erkenntnisse oft als unglaubwürdig wahrnimmt und sie als eher fest und unveränderlich betrachtet. Daher ist das Ziel des VideT-Projekts mittels eines innovativen und videobasierten Transferinstrumentes Schüler:innen den empirischen, wissenschaftlichen Forschungsprozess anhand der Ökologie von Fledermäusen zu vermitteln. Ein Teilprojekt beschäftigt sich damit, wie Schüler:innen die Vorläufigkeit und Glaubwürdigkeit wissenschaftlicher Erkenntnisse wahrnehmen und unter welchen Bedingungen vorläufige Erkenntnisse und Wissenschaft als Ganzes positiv bewertet werden. Um das zu untersuchen, ist es geplant, in den Videos entweder nur die Ergebnisse oder die Ergebnisse eingebettet in den gesamten Forschungsprozess darzustellen. Außerdem werden die Forschenden im Video entweder als suchende Forschende dargestellt, die Einblicke in Abwägungsprozesse und Überlegungen zu Charakteristika naturwissenschaftlicher Forschung geben, oder als wissende Forschende, die diese Einblicke nicht geben und Entscheidungen bereits getroffen haben. Diese Videos werden dann mit Schüler:innen in Schulen getestet. Die Erkenntnisse liefern wichtige Hinweise im Hinblick auf eine adäquate Vermittlung des wissenschaftlichen Erkenntnisprozesses.

Aus dem Einbezug digitaler Medien in den Unterricht resultiert ein verstärkter Bedarf an geeigneten Aus-, Fort- und Weiterbildungsmaßnahmen im Rahmen der Lehrkräftebildung (Diepolder et al., 2021; van Ackeren et al., 2019). Zur Evaluation entsprechender Angebote hinsichtlich des digitalisierungsbezogenen Kompetenzzuwachses werden aktuell überwiegend Selbstauskünfte von Lehrkräften genutzt (Lachner et al., 2021). Diese sind jedoch kein guter Indikator für die Unterrichtsqualität (Kotzebue, 2022).

In den vom BMBF geförderten Kompetenzzentren (KomZe) werden digitalisierungsbezogene Fort- und Weiterbildungsmaßnahmen für Lehrkräfte entwickelt, ausgerichtet und evaluiert. Die Koordination und Unterstützung der KomZe erfolgt durch das Zentrum für digitalisierungsbezogene Vernetzung und Transfer im schulischen Bildungswesen (Transferstelle). Das vorgestellte Teilprojekt der Transferstelle verfolgt das Ziel, ein vignetten-basiertes Erhebungsinstrument zur Erfassung der digitalisierungsbezogenen Kompetenz von Lehrkräften zu entwickeln. Das Erhebungsinstrument soll eine objektive Evaluation der angebotenen Fort- und Weiterbildungsmaßnahmen hinsichtlich des Kompetenzzuwachses bei Lehrkräften ermöglichen und somit zur Sicherung der Fortbildungsqualität sowie zur evidenzbasierten Maßnahmenentwicklung beitragen.

Auf der Tagung sollen erste Ergebnisse einer angestrebten Übersicht zu bestehenden Konzeptualisierungen generischer sowie naturwissenschaftsspezifischer digitalisierungsbezogener Kompetenzen von Lehrkräften präsentiert werden. Ebenso sollen bereits existierende objektive und situierte Erhebungsinstrumente identifiziert und der aktuelle Entwicklungsstand selbstentwickelter Vignetten zur Diskussion gestellt werden.

Im Bildungsbereich werden zunehmend neue Technologien in den Unterricht integriert und die Interaktion von Lernenden mit diesen verstärkt. Insbesondere naturwissenschaftlicher Unterricht eignet sich dabei für die Einbindung von Technologie (Dani und Koenig, 2008; Lewis, 2014; Kramer et al., 2019). Ein Beispiel für den ergänzenden Einsatz von Technologien zu herkömmlichen Methoden im naturwissenschaftlichen Unterricht ist die virtuelle Mikroskopie (Greßler, 2019). Ein weiteres Beispiel ist der computergestützte Ansatz der Neurosimulationen, ohne den der Unterricht in Neurobiologie (z. B. Elektrophysiologie) aufgrund der begrenzten Ressourcen im Bildungssektor schwierig wäre (Chinn und Malhotra, 2002; Hofstein und Lunetta, 2004; Lewis, 2014).

Lernende können jedoch nur von den vielen verfügbaren Technologien und deren Vorteilen profitieren, wenn sie sich auch dafür entscheiden, diese tatsächlich zu nutzen (Estriegana et al., 2019). Diesbezüglich ist Technikaffinität ein wichtiges Konstrukt, welches von Franke et al. (2019) als die Art und Weise definiert wird, wie Menschen mit Technologien interagieren. Dabei wird unterschieden, ob Menschen aktiv die Interaktion mit der Technologie suchen (hohe Technikaffinität) oder dazu neigen, sie zu vermeiden (niedrige Technikaffinität). Besonders wichtig ist, dass sich die Technikaffinität positiv auf die Absicht auswirkt, eine Technologie zu nutzen (Wong et al., 2020). Die Erhebung der Technikaffinität ermöglicht daher eine potenzielle Vorhersage des Erfolgs einer Technologieeinführung, bevor diese zum ersten Mal eingesetzt wird. Ziel dieser Studie war es, mit der Inclusion of Technology Affinity in Self scale (ITAS) ein kurzes und durch eine grafische Illustration unterstütztes Instrument zu entwickeln, welches zur Erhebung von Technikaffinität allgemein im Bildungsbereich und insbesondere im naturwissenschaftlichen Unterricht eingesetzt werden kann.