Konzeptwechsel - Definition und spezifische Beispiele aus der Grundschule, Sonderpädagogik und Sekundarstufe 1

Pädagogische Hochschule Ludwigsburg

SoSe18: Einführung in die Fachdidaktik Biologie

Prof. Dr. Steffen Schaal

Prof. Dr. Armin Lude

Konzeptwechsel

Definition und spezifische Beispiele aus der Grundschule, Sonderpädagogik und Sekundarstufe 1

Von:

Maximilian Haberbosch, Paula Selig, Marvin Egunjobi, Marius Trucksäß

Inhaltsverzeichnis:

1. Definition Conceptual Change

2. Piagets Entwicklungsmodell und dessen Vorlage für einen Konzeptwechsel

2.1  Sensumotorische Phase

2.2. Präoperationale Phase 2.3. Phase der konkreten Operation

2.4. Phase der formalen Operation

3. Konzeptwechsel in der Grundschule

4. Konzeptwechsel in einem SBBZ

4.1. Besonderheiten SBBZ zu anderen Schulen

      4.2. Umsetzung des Konzeptwechsels für Kinder mit Förderschwerpunkt

5. Konzeptwandel in der Sekundarstufe am Beispiel der Fotosynthese

       5.1 Ausgangssituation in der Sekundarstufe

       5.2. Ermittlung von Präkonzepten zur Fotosynthese

       5.3. Typische Schülervorstellung und deren Überwindung 6. Diskussionsanstöße zum “selbst weiter denken” und kommentieren

7. Quellenverzeichnis

1.Konzeptwechsel

Ein grundlegender Aspekt des “Menschsein” ist es zu lernen und sich weiter zu bilden. Die Frage bewegt die Menschen nicht erst seit gestern. Große Denker und Philosophen, Gelehrte, Wissenschaftler, Professoren oder Lehrer und Lehrerinnen haben verschiedenste Theorien und Praktiken erprobt, weiter entwickelt und wieder verworfen. Die Wissensinhalte mögen sich über die Zeiten verändert haben, aber die Frage ist gleich geblieben:

Wie lernen wir am besten und erfolgreichsten?

Erziehungswissenschaftler und Psychologen haben sich dieser Frage gestellt und der Begriff des “Konzeptwechsels”, oder des “Conceptual Change”, ist entstanden.

“Die Conceptual Change Theorie als dem Konstruktivismus nahestehender Ansatz zum Verständnis der Lehrerrolle im Unterricht geht davon aus, dass der Lehrer die Erweiterung von Erfahrung und Wissen des Lernenden ermöglicht. Diese Theorie stellt in den Mittelpunkt, dass Lernende zu Beginn der unterrichtlichen Auseinandersetzung mit einem Gegenstand immer schon Präkonzepte zu dem Unterrichtsgestand besitzen” (Walter Stangel). Dies bedeutet, dass Schüler nicht als Tabula Rasa (= leeres, unbeschriebenes Blatt) in  die  Schulen kommen, sondern schon ein Präkonzept besitzen, das sie  durch das Elternhaus, die Medien, oder durch das Leben in einer Gesellschaft erworben haben. Hierbei ist die Herkunft im Einzelfall nicht zu klären. Dadurch besitzen sie alltagsnahe, nicht fachorientierte Vorkenntnisse, die sie in den Unterricht einbringen werden. Eine neue Sichtweise der Bildungsforschung besagt, dass Menschen Informationen aktiv sammeln und mit bestehenden Informationen verknüpfen oder versuchen sie aufgrund ihrer Vorkenntnisse zu verifizieren. So entwickelt jede Person eine subjektive (konstruktivistische) Sichtweise. Wobei es sich dabei handelt und wie es in den einzelnen Schulen angewandt werden kann, wird im Folgenden dargestellt.

„Der wichtigste Faktor des Lernens ist das, was der Lernende bereits weiß“. (D. P. Ausubel und J. D. Novack Psychologie des Unterrichts, 2. Auflage, Beltz GmbH &Co. KG, Weinheim 1980. S.5.)
Dieses Zitat bringt die hohe Bedeutung des Vorwissens der Schülerinnen und Schüler in Bezug auf deren Unterricht zum Ausdruck. Der Conceptual Change basiert auf Grundannahmen der konstruktivistischen Didaktik, welche beispielsweise von Kersten Reich vertreten wird, was nachfolgendes Zitat anschaulich widerspiegelt: „Alle so  genannten  Welten, Dinge,  sprachlich bezeichneten Objekte, alles, was wir als wirklich aussagen und dem wir Bedeutung, Werte und was auch immer zuschreiben, sind menschliche Konstruktionen von Wirklichkeiten. Allerdings  verschwinden diese  Konstruktionen  nicht einfach  mit  neuen Konstruktionen, sondern alles Neue benötigt einen Anschluss, eine Koordination, eine Rekonstruktion mit schon Vorhandenem“ (Reich 2008, S. 79f.). Reich möchte damit sagen das wir als Individuum Informationen aktiv empfangen und sammeln, und in unser Vorwissen integrieren. Daraus entwickelt jede Person eine subjektive Weltanschauung die dem konstruktivistischen Gedanken der Bildungsforschung gleichkommt.  

Die Lernenden sollen ihr bereits Erlerntes hinterfragen und so in einen kognitiven Konflikt treten, indem sie in Situationen versetzt werden, die den Rahmen ihrer bis dahin noch unwissenschaftlichen Weltanschauung und Alltagsvorstellungen überschreiten. Dadurch wird eine "Unzufriedenheit" erzeugt, da ehemals unumstößliche Theorien hinterfragt werden müssen. Um einen Konzeptwechsel erfolgreich vollziehen zu können, muss eine wissenschaftlich fundierte Vorstellung erzeugt werden, die laut Möller „verständlich“, „glaubhaft“ und „fruchtbar“ sei.  Allerdings sollte erwähnt werden, dass die Übersetzung von Conceptual Change zu Konzeptwechsel ins Deutsche nur beschränkt zutrifft. Streng genommen handelt es sich eher um eine "konzeptuelle Veränderung", beziehungsweise einen "Wandel", denn empirische Studie belegen, dass ein Wechsel in Form eines kompletten Austauschs der Annahmen selten gelingt. Stattdessen werden die neuen Theorien häufig nur unter besonderen Anlässen (beispielsweise Prüfungen) reproduziert oder es kommt zur Vermischung von Alltags- und Wissenschaftstheorie. Diese Vorstellungen werden von Duit als sogenannte "Hybride" bezeichnet.

Unterricht mit dem Gedanken des Conceptual Change zielt daher auf die Ergänzung bzw. auch Veränderung dieser bei SchülerInnen vorhandenen Vorstellungen ab. Die Berücksichtigung individueller Ausgangssituationen ist daher von großer Bedeutung, wobei diese bestehenden Konzepte durch die Konfrontation mit dem Neuen im Unterrichtsprozess neu strukturiert werden sollen.

Voraussetzungen und Einflussnahme durch den Lehrer:

Eine wichtige Vorrausetzung, um erfolgreich mit der Lerntheorie des Konzeptwechsels zu lehren, ist die Relevanz für den Lernenden. Man muss den neuen Stoff interessant gestalten und den Lernenden motivieren sich mit dem Thema auseinander zu setzen. Nur so kann der Lernende sein Präkonzept mit einbringen und zu dem neu Erlernten eine „Brücke“ schlagen. Eine weitere Bezugsgröße ist die Lehrperson, denn diese muss den Lernenden motivieren, anregen und zur Hypothesenbildung anleiten. Um die schier unüberwindbare Blockade des kognitiven Konflikts zu überwinden, können Lehrer durch eine Reihe von Methoden neue Denkstrukturen der Schüler fördern.

1. Betonung der Relevanz

Weil Kinder so häufig annehmen, dass neue Informationen vor allem in der Schule erlernt' werden, muss der Lehrer neue Konzepte zum Lebensalltag der Kinder in Beziehung setzen. So soll der Lehrversuch den Bezug klar und deutlich machen. Beispielsweise kann man jüngere Kinder fragen, ob ein Handschuh im Winter wärmt oder er nur die Hände isoliert und sich die Körperwärme dadurch nicht so schnell verflüchtigt. Hierdurch wird Kindern die Bedeutung des Experiments für ihren Lebensalltag aufgezeigt, wobei darauf zu achten ist, dass auftretende Diskrepanzen nicht als Ausnahme oder Besonderheit der Naturwissenschaft abgestempelt werden, falls diese nicht eindeutig belegbar und nachvollziehbar sind.

2. Voraussagen treffen

Kinder, die aufgefordert werden, die Ergebnisse ihrer Experimente vorauszusagen sind eher gewillt ihr Denken zu ändern, als Kinder, die als passive Beobachter fungieren. Dieser häufig vernachlässigte Aspekt in den Aufgabenstellungen ist von besonderer Bedeutung. SchülerInnen, die Hypothesen bilden, werden damit aufgefordert ihr neues Wissen mit ihren Vorkenntnissen zu verbinden. Und auch wenn die Kinder mit ihrer Hypothese falsch liegen, so müssen sie sich dennoch mit der Aufgabe auseinandersetzen und können so reflektieren, warum ihre Hypothese falsch war. Diesen Punkt nennt Piaget auch "reflexive Abstraktion".

Durch das Bewusstwerden des eigenen Erkennens werden bestehende Erkenntnisstrukturen verändert und weiterentwickelt. Dadurch kommen zwei Teile zustande, ein erkennender und damit Bewusstsein konstruierender und ein konstruktiver Teil.

3. Betonung der Schlüssigkeit

Obwohl fast jeder recht komfortabel mit einer Fülle von ideologischen und politischen Widersprüchen lebt, sollte ein Lehrer Schülern, die neuen Denkmustern begegnen, darin unterstützen in ihrem Denken konsequent zu sein. So muss man Kinder komplett davon überzeugen, dass das neu Erlernte richtig ist.  Hierfür sind bestimmte Voraussetzungen erforderlich, um schließlich eine Umstrukturierung der Denkmuster zu ermöglichen. Die alten Vorstellungen müssen widerlegt und die neuen Erkenntnisse eindeutig bewiesen werden. Zudem sollte eine neue Erklärung für das fragliche Phänomen im Weltbild verfestigt werden eine Begründung, die verständlich und einleuchtend ist, muss auch überprüfbar und wiederholbar sein. Wenn diese Bedingungen im Klassenraum geschaffen werden, können Lernprozesse im Sinne des 'Conceptual change' angeregt werden.

Schlussfolgerung

Die kindlichen Präkonzepte zu widerlegen und komplett umzustrukturieren ist ein nie endender Prozess, den man nur mit sehr viel Geduld und abwechslungsreichen Strategien vorantreiben kann.  Denn nur so können Lehrer ihr Ziel erreichen, Schüler zu animieren, kritische Denkbarrieren zu überwinden und gleichzeitig offen gegenüber neuer Meinungen und Fakten zu sein.

In folgendem Abschnitt möchte ich euch noch ein paar wichtige Begriffe erläutern, die im Zusammenhang mit dem Coneceptual Change wesentlich sind:

Kognitiver Konflikt: Laut Leon Festinger sind zwei kognitive Elemente dissonant, wenn das Gegenteil des einen Elements aus dem anderen Folgen würde.  Ein kognitiver Konflikt tritt auf, wenn zwei gleich gefestigte, einander gegenseitig ausschließende kognitive Schemata gleichzeitig wirksam werden. Der Lernende ist sich unsicher, welches der beiden Schemata richtig ist und steht nun vor einem mentalen Konflikt. Nur durch eindeutige und glaubhafte Argumentation (z.B. Experiment) ist solch ein kognitiver Konflikt lösbar

Modell der didaktischen Rekonstruktion (Kattmann und Gropengießer): Das Modell der didaktischen Rekonstruktion ist keine Selbstdisziplin, sie vereint drei Parameter: Fachliche Klärung, Erfassung von Lernperspektiven und Didaktische Strukturierung.

(Miller, Wiley. Non Sequiter. WILEY INK Inc., 2016.)

Die oben dargestellte Karikatur von Comiczeichner Wiley Miller illustriert, wie die Mehrheit der Menschen es trotz des Angebots von Bildungsmöglichkeiten vorzieht, sich lieber in Richtung des Abgrunds  durch einfache, aber falsche Ansichten zu bewegen, statt sich mit diesen komplizierteren, korrekten Lösungen auseinander zu setzen. Auch im Biologie-,  beziehungsweise im Allgemeinen im naturwissenschaftlichen Unterricht, erhalten Schüler ein Angebot sich mit neuen komplexen Phänomen auseinander zu setzten. Schülerinnen und Schüler halten, wie oben bereits erwähnt, häufig dennoch an ihren einfachen, aber falschen Aussagen fest. Wie es dennoch gelingen kann, Lernende von wissenschaftlichen Theorien zu überzeugen und ihre Alltagsvorstellungen zu überwinden, soll im Folgenden für unterschiedliche Schulformen im Detail dargestellt werden.

2. Piagets Entwicklungsmodell und dessen Vorlage für einen Konzeptwechsel

An dieser Stelle soll aufgezeigt werden, wie ein Konzeptwechsel, oder zumindest eine Neuordnung der Präkonzepte, in der Grundschule vollzogen werden kann. Der Einstieg erfolgt über Piagets Einteilung der kognitiven Entwicklung. Es wird herausgearbeitet wie sich die einzelnen Stufen voneinander absetzten und auf welcher Stufe die Grundschule greift.  Anschließend soll das Prinzip des Konzeptwechsels und die einzelnen Einschränkungen sowie Bedingungen vorgestellt werden. Zum Ende wird ein praktisches Beispiel für einen Konzeptwechsel vorgestellt.

Vorweg muss grundlegend festgehalten werden, dass In der Grundschule ein echter Konzeptwechsel, ein Ablösen der Präkonzepte durch wissenschaftliche Vorstellungen, selten zu erwarten ist. Man geht davon aus, dass es sich eher um eine Entwicklung, eine Umstrukturierung, eine Veränderung von Präkonzepten handelt.

Deshalb ist die Bezeichnung "Conceptual Change" an dieser Stelle besser geeignet. Diese Einschränkung ist bei der Beobachtung von Konzeptwechseln in der Grundschule grundlegend und wird im Weiteren immer als Prämisse fest gehalten. Die beiden Begriffe werden im Folgenden synonym verwendet.

Der Psychologe Jean Piaget (*1896- + 1989) hat sich in seinen Forschungen gezielt mit der kognitiven Entwicklung der Menschen befasst. Er teilt diese in vier Stufen ein.

2.1. Sensumotorische Phase (0 -2 Jahre):

In den ersten beiden Lebensjahren sammelt das Kind Erfahrungen aufgrund seiner Sinnesorgane (senso= sinnlich, die Sinne betreffend) und durch seine Bewegung (Motorik= Bewegungsvorgänge). Während der sensomotorischen Stadiums der kognitiven Entwicklung, besteht Intelligenz nur aus dem Zusammenspiel von motorischen Aktivitäten als Reaktion auf sensorische Reize.

Piaget unterteilt diese Stufe in sechs weitere Unterstufen. Zur Vollständigkeit werden diese an dieser Stelle aufgezählt, da sie jedoch zu weit führen würden, werden diese nicht weiter im Detail erläutert.

Piaget unterscheidet in die "angeborenen Reflexmechanismen" (0. -1. Lebensmonat), die "Primäre Kreisreaktion" (1. - 4. Lebensmonat), die "sekundäre Kreisreaktion" (4. - 8, Lebensmonat), das "Intentionale Verhalten" (8. -12. Lebensmonat), die "tertiäre Kreisreaktion" (12. - 18. Lebensmonat) und dem "Übergang in die voroperationale Phase" (18. - 24. Lebensmonat).

2.2. Präoperationale Phase ( 2-7 Jahre):

Dem Kind wird es möglich sich komplette Handlungen auf gedanklicher Ebene vorzustellen, wenn es diese bereits im "echten Leben" gesehen hat. Das Kind imitiert die Eltern beim Autofahren, oder Personen und deren Handlungen aus dem Fernsehen oder Filmen - Aber es fehlt noch an Logik. Es wird noch von einem "magischen Denken" beherrscht. Unerklärbare Dinge werden durch Phänomene einer höheren Macht erklärt.

In dieser Phase werden oft Missverständnisse erlernt. Hierzu lassen sich viele Beispiele finden. Man zeigt einem Kind Äpfel. Bei dem ersten fängt man an zu zählen mit "eins", bei dem zweiten "zwei" und bei dem dritten mit "drei". Nun fordert man das Kind auf: "Gib mir die drei Äpfel". Das Kind reicht einem nur den dritten Apfel, anstatt alle drei. Das Kind besitzt noch keinen Mengenbegriff und hat die Zahl "drei" mit der Bezeichnung für genau diesen Apfel verknüpft.

Antropomorphismen (= Vermenschlichung von Dingen, z.B. "Sonne mit Gesicht" oder "ein Tisch ist böse, weil er absichtlich im Weg stand und ich mich deshalb daran gestoßen habe") sind fester Bestandteil in der kognitiven Entwicklung dieses Stadiums.

Überdies beherrscht der Egozentrismus noch weite Teile dieser Entwicklungsphase. Kinder diesen Alters beziehen das komplette Geschehen um sich herum immer nur auf sich selbst. Sie haben Schwierigkeiten sich Situationen aus der Sicht einer anderen Person vorzustellen.

An dieser Stelle ist es wichtig dieses Verhalten nicht mir Egoismus gleichzusetzen ist. Das Kind weiß nicht, dass seine eigene Sicht nur eine unter vielen ist, sondern hält seine eigene für die einzige.
"Egozentrismus meint hier nicht Ichbezogenheit, sondern die Schwierigkeit, sich eine Szene aus der Sicht eines anderen vorzustellen."

(Zimbardo, Phillip G. und Gerrig, Richard J. (1999). Psychologie. Berlin, Heidelberg: Springer. (S.465).)

Ein Beispiel zur Verdeutlichung:

" - Hast du einen Bruder?

 - Ja.

 - Wie heißt denn dein Bruder?

 - Hans.

 - Hat Hans auch einen Bruder?

 - Nein." (Mönks, Franz J. und Knoers, Alphons M.P. (1996). Lehrbuch der Entwicklungspsychologie. München, Basel: Reinhardt. (S. 157).)

Das Kind ist noch nicht in der Lage, aus seiner eigenen Position in eine zweite zu schlüpfen und sich die Situation aus einem anderen Winkel vorzustellen.
(Plaßmann & Schmitt: Lern-Psychologie. URL: http://www.lern-psychologie.de/kognitiv/piaget.htm . (Stand: 9.7.18).)

Piaget führt an dieser Stelle einen weiteren wichtigen Begriff, den der Zentrierung, ein. Kinder können in dieser Phase nur auf ein Merkmal eingehen und achten. Er führt dazu diesen Versuch an. Kinder erhalten unterschiedlich lange Stäbe und sollen diese der Länge nach sortieren. Das Ergebnis von Kindern in der präoperationalen Phase sieht in etwa so aus:

                                       

Der zweite Stab ist kürzer als der erste und der vierte ist auch kürzer als der dritte, aber die Ordnung in der Gesamtheit ist noch nicht gegeben. Kinder haben in dieser Entwicklungsstufe noch Probleme sich mehr als auf ein Merkmal in der Gesamtheit zu konzentrieren.

2.3. Phase der konkreten Operation (7 -12 Jahre):

Ab dieser Phase werden konkrete Denkvorgänge möglich. Ab ungefähr dem siebten Lebensjahr wirkt sich die Wahrnehmung nicht mehr in so hohem Maß auf die Urteilsbildung aus. Das Kind ist in der Lage mehrere Dimensionen einer Situation zu beachten. Von nun an können Serien, Klassen und Zahlen verstanden werden.

Piaget fand dies durch den "Umschüttversuch" heraus. In diesem Versuch zeigte er dem Kind zwei Gefäße die mit Flüssigkeit gefüllt sind. Die Gefäße sind identisch groß und auch gleich weit gefüllt. Also gleiche Gläser mit gleich viel Flüssigkeit. Nun schüttet er, vor den Augen des Kindes, das Wasser des einen Gefäßes, in ein dünneres, aber dafür höheres Gefäß. Das Kind wird anschließend gefragt, ob sich nun mehr, weniger oder gleich viel Wasser in dem neuen Gefäß befindet, wie in dem anderen Gefäß.

(Dr. Sigrid Graumann- Brunt: 14 - Der Versuch Piagets zur Mengenkonstanz, URL: http://www.dunkelfuehlraum.de/piagetversuch.htm (Stand: 10.7.18.))

                                            "Während sich das voroperational denkende Kind zumeist noch von seinem

Wahrnehmungseindruck täuschen lässt, kennt es als konkret operationaler Denker die richtige Antwort. Wenn einer Menge nicht hinzugefügt oder weggenommen wird, so erklärt es seine Antwort, bleibt sie unverändert (Aspekt der Identität). Auch wenn die Flüssigkeitssäule in dem einen Glas höher, im zweiten Glas niedriger aussieht, berücksichtigt das sieben- oder achtjährige Kind sowohl Höhe als auch Breite (Aspekt der Kompensation)." (Mienzel, Gerd (1998). Pädagogische Psychologie des Lernens und Lehrens. Göttingen, Bern, Toronto, Seattle: Hogrefe. (S.86). )

Dieses Experiment stellt den Konzeptwechsel, oder den Conceptual Change, deutlich dar. Die fest verwurzelte Annahme, dass das höhere und damit "größere" Gefäß mehr Wasser fasst, wie das flachere "kleinere" Gefäß wird an dieser Stelle aufgebrochen und ist, auf der Stufe der kognitiven Entwicklung, an dieser Stelle überhaupt erst möglich.  Genau in dieser Entwicklung kommt das Kind in die Grundschule. Deshalb ist der Konzeptwechsel, auf den ich weiter unten genauer eingehen werde, an dieser Stelle besonders wichtig und wirkungsvoll für das Lernen des Kindes.

2.4. Phase der formalen Operation (ca. 12 - 15 Jahre - Jugendalter)

Kinder sind in der Lage, Probleme in ihrer Vollständigkeit und auf einer hypothetischen Ebene zu lösen. Logische Schlussfolgerungen und geistiges variieren von Variablen werden möglich. Für den Jugendlichen wird es möglich sich mit hypothetischen Annahmen auseinander zu setzten und sich diese vorstellen zu können. Dies wird immer wichtiger im Auseinandersetzten mit Wissenschaften. Es wird möglich über hypothetische Fragen wie "was wäre wenn..." nachzudenken und sich abstrakte Antworten und Lösungen auszudenken, vorzustellen und nachzuvollziehen.

Diese Erklärung soll durch die zwei folgenden Beispiele veranschaulicht werden:

"Das erste (Piaget, 1961) ist ein einfacher Test zum verbalen Denkenden des Typs: A > B; A < C; wer von A, B oder C ist der größte? (z.B. John ist dünner als Bill; John ist dicker als Sam; wer ist der Dickste von den dreien? Kinder, die jünger als 11 oder 12 Jahre sind, haben große Schwierigkeiten mit solchen Aufgaben, außer wenn es sich um Objekte handelt, die sie sehen können. Der Grund ist, dass die Lösung der Aufgabe propositionales Denken erfordert, d. h. Nachdenken über hypothetische Aussagen." (Lefrancois, Guy R. (1994). Psychologie des Lernens. Berlin, Heidelberg: Springer. (S.138).)

Problemlagen werden systematisch abgearbeitet, was ein Versuch von Piaget und Inhelder aus dem Jahr 1958 verdeutlicht, in dem die Versuchspersonen fünf Glasgefäße mit farbloser Flüssigkeit erhielten. Sie sollten herausfinden, welche beiden Flüssigkeiten miteinander vermischt eine gelbe Flüssigkeit ergäben. Viele formale Denker fanden die Lösung, indem sie planmäßig sämtliche Kombinationsmöglichkeiten ausprobierten

Entwicklungshilfe laut Piaget:

Man sollte dem Kind eine selbständige Entwicklung ermöglichen und diese auch anregen. Nur das Kind selbst ist bei seiner Entwicklung aktiv. Je mehr Möglichkeiten sich dem Kind bieten sich mit der Umwelt auseinander zu setzen, desto positiver verläuft dessen Entwicklung. Piaget versteht Intelligenz als besonderen Fall biologischer Anpassung.

Die Aufgabe der Umwelt (also auch uns als Lehrern) besteht darin, anregende Probleme, Materialen und Aufgaben zur Auseinandersetzung für das Kind zu schaffen. Es muss das kindliche Interesse geweckt werden und zu einer selbständigen und aktiven Problemlösung animiert werden.

3.Konzeptwechsel in der Grundschule

"Als Gegenstand des Unterrichts sollten Phänomene des Alltags gewählt werden,

die Grundschulkinder in Erstaunen versetzen." (Möller, Kornelia und Jonen, Angela und Hardy, Ilonca und Stern, Elsbeth: Die Förderung von naturwissenschaftlichem Verständnis bei Grundschulkindern durch Strukturierung der Lernumgebung, in : Zeitschrift für Pädagogik, Beiheft; 45, 2002, Seite: 189), URL: https://www.pedocs.de/volltexte/2013/7862/pdf/ZfPaed_45.Beiheft.pdf#page=193 (Stand: 28.7.18).)

Wie nun oben dargelegt, befindet sich das Kind in der Grundschule in der "Phase der konkreten Operation".

Das Kind fängt an seine Umwelt wahr zu nehmen und Logik zu entwickeln. Gerade an dieser Stelle ist es wichtig mit dem Konzeptwechsel teilhaftes oder falsches  Wissen aufzubrechen und zu "überschreiben".

Es ist wichtig zu verstehen, dass wir als Lehrer nicht versuchen Nichtwissen aufzudecken, sondern das, was schon vorhanden ist (=Präkonzepte) zu erfassen, und somit den Lernrahmen abzustecken, in welchen Wissen neu eingebettet oder verändert werden soll. In den meisten Fällen ergibt sich eher die Herausforderung schon bestehendes Wissen zu ändern und anzupassen.

Die schlechte Nachricht an dieser Stelle ist, dass Konzeptwechsel sehr schwer zu erreichen sind. Die gute Nachricht, dass jedes normal entwickelte Kind in der Lage ist einen Konzeptwechsel vollziehen zu können. Es bleicht nur noch die Frage wie dies zu bewerkstelligen ist.

Kinder besitzen Präkonzepte schon aus dem Kindergarten, aus der Familie oder aus Freundeskreisen. Teilweise bestehen diese Präkonzepte aus Halbwissen, Unwahrheiten oder auch nur schlechte Erklärungen, welche aufgearbeitet, korrigiert oder neu sortiert werden müssen.

Hinzu kommt an dieser Stelle, dass Kinder, beim Zusammentreffen mit Naturphänomenen, häufig eigene, robuste Erklärungen finden, welche jedoch ebenso unvollständig oder adäquat sind. Der Schlüssel an dieser Stelle ist, das Kind auf diese Lücken aufmerksam zu machen und ihnen die Möglichkeit zur Konstruktion einer adäquaten, qualitativen [...] Erklärung zu bieten.

Gerade wenn Schüler falsche Strukturen aufgebaut haben, sollen sie mit Gegenkonzepten konfrontiert werden und zu konzeptionellen Konflikten geführt werden. Erkenntnisfortschritt besteht nicht einfach aus dem Errichten neuer Denkgebäude, sondern zugleich auch im Ablegen und Beiseite räumen älterer Überzeugungen.

Lernen wird als Veränderung von Präkonzepten interpretiert. Laut der "Conceptual-Change-Theorie", müssen vier Parameter erfüllt sein um eine erfolgreiche Umstrukturierung zu ermöglichen:

Erstens muss der Lernende unzufrieden mit seiner bestehenden Vorstellung sein. Zweitens muss die neue Vorstellung logisch, verständlich, einleuchtend und fruchtbar sein, das heißt dass sie sich in einer neuen Situation als erfolgreich beweisen muss. Drittens der Lehrende muss motiviert sein

und mit geeignetem Material den Lernprozess unterstützen. Viertens muss das neue Wissen in einem gemeinsamen Prozess (soziale Ko-Konstruktionen) ausgehandelt werden.

Das problematische ist die Komplexität der Probleme die Konzeptwechsel schwierig machen. Hinzu kommt an dieser Stelle, dass der Vorgang des Konzeptwechsels durch ein zu großes Maß von Selbststeuerung der Kinder zu Problemen führen kann.

Eine gute Verknüpfung von Selbststeuerung und Fremdsteuerung, durch eine Lehrperson zum idealen Gelingen, ist zu gewährleisten.

Die Rolle der Lehrposition, wird quasi mäeutischer Charakter wie bei Sokrates zugesprochen. Er soll zu einer "Geburt" neuen Verständnisses beitragen und dieses unterstützen.

Wie sieht ein Konzeptwechsel (= Conceptual Change) in der Grundschule konkret aus:

Frage: "Was ist ein Lebewesen?"

Wie bereits dargelegt, beschreibt Piaget Kinder mit dem kindlichen Egozentrismus. Kinder interpretieren alles aus ihrer Position heraus und beziehen alles, was um sie herum passiert, auf sich. Allem um sie herum werden menschliche Motive unterstellt und dem Kind ist es noch nicht möglich zwischen eigenem inneren Erleben und dem äußeren Erleben in der Welt zu unterscheiden. Dieses Verhalten wird durch den Animismen unterstützt. Hierbei wird den Tieren, Pflanzen und den Gegenständen eine Seele zugesprochen. Piaget beschreibt dies als "Die Tendenz, die Körper als lebendig oder mit Absichten ausgestattet zu betrachten" . Laut Piaget geht das Kind davon aus, dass äußere Objekte gleich oder zumindest ähnlich wie sie selbst sind.

Gegenständen, Pflanzen und Tieren werden also Absichten zugesprochen.

Dieses Denken wird durch Anthropomorphismen unterstützt. Gegenständen, Himmelskörpern (wie Sonne oder Mond), Tieren oder Pflanzen werden vermenschlicht. (z.B. Wolke mit Gesicht oder Sonne die lacht).

Piaget teilt die Entwicklung des Verständnisses des Begriffs "Leben" in vier Entwicklungsstadien:

1. Stadium (5-7 Jahre): Leben ist mit eine für den Menschen nützlichen Aktivität im Allgemeinen verbunden.

2. Stadium (6-8 Jahre): Leben wird mit Bewegung verbunden

3. Stadium (8 1/2 - 11 1/2 Jahre): Leben wird mit Eigenbewegung verbunden.

4. Stadium (11-12 Jahre): Leben wird Tieren und Pflanzen vorbehalten.

Im Grundschulstadium wird Leben mit Bewegung gleichgesetzt. Praktisch kann man einen Conceptual Change im Unterricht der Grundschule auf diese Weise durchführen:

1. Aufgabe: Definition von Lebewesen: Was ist ein Lebewesen/ was zeichnet ein Lebewesen aus?

Es sollen die Präkonzepte von Kindern aufgedeckt werden und sich somit ein Überblick über den Wissenshorizont verschafft werden. Die SuS sollen definieren was für sie Merkmale von Lebewesen sind. ("Bewegt sich" (wird an dieser Stelle als Hauptmotiv verwendet und später für den Konflikt verwendet), "kann essen", "macht Geräusche", "atmet", etc.)

Die Ergebnisse, welche Eigenschaften die Kinder den Kategorien "belebt" und "unbelebt" zuordnen, werden in einer Mind- Map festgehalten.

2. Aufgabe:

In der Klasse werden einzelne Gegenstände gezeigt und sollen von den SuS untersucht werden. Eine Sonnenblume, ein Käfer, ein Flamme am Bunsenbrenner, der Schatten eines Gegenstands (möglich durch Bunsenbrenner und z.B. dem Lehrer selbst als Gegenstand) und ein Stein.

Die SuS sollen nun aufteilen, was ihrer Meinung nach ein Lebewesen ist und diese Zuordnung begründen.

3. Konflikt durch Versuch: Sind Pflanzen Lebewesen?

Die Pflanze bewegt sich scheinbar nicht, scheint nicht zu atmen oder zu essen. Die Kinder ordnen diese eher bei unbelebt ein.

Zeigt man nun den Kindern wie sich die Sonnenblume immer nach der Sonne/ Lichtquelle ausrichtet, wird der Konflikt zwischen Präkonzept und Gesehenem angestoßen. Auch ist eine Bewegung im Wachsen der Pflanze zu erkennen. Sie wird größer und man könnte an dieser Stelle noch auf eine Art Schlingpflanze verweisen, welche sich mit ihren Ranken um andere Pflanzen entwickelt und sich somit an diesen "entlang bewegt".  (benötigt Zeit)

Die vorher als fest verankerten Ansichten, dass Pflanzen sich nicht bewegen, lassen sich nicht mehr aufrechterhalten. Das Kind beginnt, unter der richtig balancierten Leitung durch den Lehrer, seine Präkonzepte neu zu strukturieren und das Gelernte einzuordnen. Es versteht erstens, dass Bewegung und deren Geschwindigkeit variieren können und zweitens, dass nicht alles auf den ersten Blick so ist wie es scheint. An dieser Stelle wird abermals deutlich, dass es sich nicht um neues Wissen handelt, sondern eher um eine Neuordnung der Präkonzepte und diese in dem Lehrrahmen (s. Carey, S.) neu anzuordnen.

Man könnte an dieser Stelle noch weitere Unterrichtsideen anbringen. Ein spannendes Gebiet ist beispielsweise die Farbenlehre (Grün = Blau + Gelb etc.).

Oder den Konflikt verwenden, um den Unterschied zwischen Dichte und Gewicht zu erklären. Carey führt dazu diesen Versuch an:

Ein Haufen Reis wird gewogen. Dann ein einzelnes Korn, welches ca. ein Gewicht von 2 Gramm hat. Die Klasse wird zustimmen, dass das halbe Korn dann nur noch 1 Gramm wiegt. Schreitet man auf diesem Weg voran, werden die SuS übereinstimmen, dass das Gewicht der Teilchen irgendwann auf 0 Gramm gehen wird. Nun die kritische Frage um den Konflikt herzustellen: Wenn die kleinsten Dinge 0 Gramm wiegen, wie kann dann ein Vielfaches davon so viel wie ein Reiskorn, also 2 Gramm wiegen? Eine Frage, die einen Konflikt im Rahmen der Präkonzepte provoziert.  

Die Auflösung wird erbracht, indem man ein ähnliches Problem in einer anderen Situation schafft. Zum Beispiel das Verhältnis von vielen Punkten die am Ende eine Fläche ergeben, oder durch viele Federn die am Ende auch ein Kilo wiegen können.

Es wird deutlich, dass das herbeiführen von Conceptual- Change oder Konzeptwechsel, nicht einfach zu kreieren ist, aber der Lernerfolg extrem hoch. Gerade Grundschulkinder sind offen für Selbstexperimente und als zukünftige Lehrer behaupte ich, dass so ein konzipierter Unterricht fesselt, wirkliches Umdenken und auch für die Lehrkraft Spaß bei der Arbeit bewirkt.

Im Bereich der Sonderpädagogik fällt eine Einteilung nach Piagets kognitiven Entwicklungsstufen schwerer, da geistige Entwicklungen noch individueller Voranschreiten. Ob der Konzeptwechsel an dieser Stelle umsetzbar ist und falls ja, auf welche Art und Weise wird im Folgenden untersucht.

4. Konzeptwechsel in einem SBBZ

Auch SuS in einem SBBZ sind keine tabula rasa. Sie kommen nicht als unbeschriebenes Blatt in die Schule und wollen vom Lehrer mit Wissen befüllt werden. Sie bringen ihre eigenen Alltagvorstellung und Erfahrungen mit der Umwelt in den Unterricht mit. Diese Alltagsvorstellungen können nicht nur in der Grundschule oder der Sekundarstufe, sondern auch in SBBZ´s aller Arten von Lehrerinnen und Lehrern genutzt werden um SuS zu einem kognitiven Konflikt zu bringen um bei ihnen einen Konzeptwechsel zu veranlassen.

Durch ein  Zusammenbringen der Vorstellungen von Fachwissenschaftlern und Schülern kann eine Form des  Biologieunterrichts entwickelt werden, „in welchem die Schülervorstellungen nicht als Lernhindernis angesehen, sondern für einen fruchtbaren und bedeutungsvollen Lehr-Lernprozess nutzbar gemacht werden“. (Kira Kamelger & Ulrich Kattmann: Schülervorstellungen und fachliche Vorstellungen zu den biologischen Grundlagen menschlichen Verhaltens, URL: http://www.bcp.fu-berlin.de/biologie/arbeitsgruppen/didaktik/Erkenntnisweg/2004/2004_05_Kamelger.pdf  (Stand: 01.08.18))

4.1. Besonderheiten SBBZ zu anderen Schulen:

Allerdings gibt es hier einige Dinge auf die geachtet

werden sollte.  Das Niveau des Unterrichts und somit auch des kognitiven Konflikts muss je nach Leistungsniveau der SuS angepasst werden. Je nach SBBZ ist diese Differenzierung natürlich unterschiedlich. In einem SBBZ mit Förderschwerpunkt Lernen kann ein Konzeptwechsel vermutlich ähnlich aufgebaut werden wie in der Grundschule oder der Sekundarstufe. In einem SBBZ mit Förderschwerpunkt geistige Entwicklung sollte das Niveau allerdings deutlich reduzierter sein.

Fokussieren wir uns einmal auf SuS mit einer geistigen Beeinträchtigung. Allgemein sollte der kognitive Konflikt leicht greifbar und gut zu veranschaulichen sein, da dies die SuS sonst  verwirren könnte.

Es sollte darauf geachtet werden, dass die SuS die Alltagsvorstellung wie auch die fachliche Vorstellung nicht nur erklärt bekommen, sondern dass sie es anhand eines Versuches oder einer eigenen Erfahrung erleben können. Dies festigt das Verständnis. Die Grundvoraussetzung, dass es zu einem kognitiven Konflikt kommen kann, besteht darin, dass die SuS den Zusammenhang und Unterschied zwischen ihrer Alltagsvorstellung und der kontroversen Aussage des Lehrers verstehen. Dies gelingt nicht nur durch eine sprachliche Einführung sondern sollte bei SuS mit einer geistigen Beeinträchtigung unbedingt auch visuell und taktil dargestellt sein.

4.2. Konkrete Umsetzung des Konzeptwechsels für Kinder mit Förderschwerpunkt:

Der beste Weg bei SuS mit Förderschwerpunkt geistige Entwicklung einen Konzeptwechsel herbeizuführen, mit ihnen einen durch Symbole unterstützten Versuch durchzuführen. SuS in diesem Förderschwerpunkt haben oft Schwierigkeiten Informationen im Kurzzeitgedächtnis zu verarbeiten und sie langfristig im Langzeitgedächtnis abzuspeichern. Eine Strategie Informationen im Kurzzeitgedächtnis zu enkodieren und die begrenzte Kapazität besser nutzen zu können nennt sich Rehearsal (Wiederholung). Mithilfe dieser Strategie des Wiederholens kann Information besser im Kurzzeitgedächtnis behalten und auch besser in das Langzeitgedächtnis weitergegeben werden. Bei SuS mit einer geistigen Beeinträchtigung ist diese Strategie häufig eher beschränkt benutzbar, da mit einer geistigen Beeinträchtigung häufig ein Sprachdefizit einhergeht, was bei dieser Strategie eine große Einschränkung ist. Gerade deshalb ist es sehr wichtig die Versuche mit Symbolen zu unterstützen und so wenig sprachlichen Input wie möglich zu geben. Der Schlüssel zu einem lang anhaltendem Lernergebnis liegt in der Wiederholung dieser Symbole, welche leichter wiederholt werden können und so die Erinnerung an den kognitiven Konflikt immer wieder auffrischen.

Gelingt dem Lehrer die SuS in einen kognitiven Konflikt zu stürzen aus dem ein Konzeptwechsel hervorgeht, werden die Informationen außerdem mit diesem Konflikt verknüpft. Da dieser Konflikt im Besten Falle mit Gefühlen, wie z.B. Verwunderung verbunden ist, werden die Informationen im episodischen Teil des Langzeitgedächtnisses abgespeichert. Bei SuS mit dem Förderschwerpunkt geistige Entwicklung wäre das eine große Hilfe, da sie Informationen die im episodischen Gedächtnis gespeichert sind, besser behalten als die Informationen die als reines Faktenwissen im semantischen Teil des Langzeitgedächtnisses liegen. Ereignisse bleiben also besser im Gedächtnis wenn sie eine semantische Bedeutung für die SuS haben, das heißt wenn sie mit der Information Gefühle verbinden.

Das Hauptziel ist es den SuS den Unterrichtsinhalt so zu vermitteln, dass er langfristig im Gedächtnis verankert wird. Verwirrt man die SuS allerdings zu sehr, verlieren sie ihre Motivation und/oder Aufmerksamkeit- sie schalten ab.

Eine weitere Hürde in der Einführung eines kognitiven Konflikts könnte sein, dass die Lehrperson nicht davon ausgehen kann, dass ihre Ausgangsvorstellung des Problems oder des Themas dieselbe ist wie die der SuS. SuS mit dem Förderschwerpunkt geistige Entwicklung nehmen je nach Schwere ihrer Behinderung ihre Umwelt häufig anders wahr. Man kann also nicht davon ausgehen, dass sie dieselben Alltagsvorstellungen haben wie SuS in der Grundschule oder der Sekundarstufe und man kann nicht auf ihre Erfahrungen mit der Umwelt bauen. Bevor also ein Konzeptwechsel gelingen kann muss  zuerst die Ausgangsvorstellung der SuS abgeklärt werden. Je nachdem wie groß der Wissensstand des SuS über das Thema ist, bzw. wie gefestigt die gewünschte Annahme ist, kann sich nun eine Methode zur Einleitung des kognitiven Konflikts überlegt werden.

(Rott, Lisa; Marohn, Annette: Entwicklung und Erprobung einer an Schülervorstellungen orientierten Unterrichtskonzeption für den inklusiven Unterricht, URL: https://www.uni-hildesheim.de/ninu/images/publikationen/GFD_Rott.pdf ( Stand: 01.08.18))

Vorstellung eines konkreten Konzeptwechsels - Handschuhversuch:

Material:

• Handschuhe 
• Mind. 2 Eiswürfel 
• Symbole zur Unterstützung 

Überprüfung und Festigung der Alltagsvorstellung:

1. Frage an die SuS: „ Was denkt ihr passiert wenn ihr den Handschuh anzieht“
   
2. Sammeln der Antworten
3. Selbstversuch mit Handschuh: SuS dürfen den Handschuh anziehen und beschreiben was sie fühlen. 
4. Ergebnis: „ Unter dem Handschuh wird meine Hand warm.“/ „Mir wird warm mit dem Handschuh.“ 

Einführung des kognitiven Konflikts:

1. Frage der Lehrperson an die SuS: „Was denkt ihr? Welcher Eiswürfel schmilzt schneller, der Eiswürfel auf dem Tisch oder der Eiswürfel im Handschuh?“ 
2. Sammeln der Vermutungen 
3. Wette oder Aussage des Lehrers: „ Ich wette, der Eiswürfel im Handschuh schmilzt langsamer.“ 
4. Abschließung der Wette 

Durchführung des Versuchs:

1. Man legt beide Eiswürfel auf denselben Tisch und stülpt über einen von beiden einen Handschuh. 
2. Nach ca. 5- 10 min hebt man den Handschuh an und vergleicht die Größe der beiden Eiswürfel. 

Ergebnis:

Der Eiswürfel ohne Handschuh ist kleiner geworden und schneller geschmolzen als der Eiswürfel im Handschuh, da der Handschuh eine isolierende Funktion hat und so die Kälte länger bestehen bleibt.

Die SuS sind nun unzufrieden mit ihrer existierenden Vorstellung, so dass die Lehrperson ihren kognitiven Konflikt nutzen kann um die neue Vorstellung (dass  der Handschuh nicht wärmt, sondern nur die vorhandene Wärme/ Kälte isoliert) einzuführen. Durch diesen kognitiven Konflikt wird die Aktivität und die Aufmerksamkeit der SuS erhöht, so dass der gelernte Inhalt besser im Gedächtnis verankert werden kann.

Resümee:

Abschließend lässt sich sagen, dass ein Konzeptwechsel in der Sonderschule zwar mit einigen Schwierigkeiten verbunden ist und sehr gut vorbereitet werden muss, aber durchaus sinnvoll ist. Jede Methode die den SuS hilft Unterrichtsinhalte besser zu verstehen und zu behalten, ist auf jeden Fall einen Versuch wert.

Allerdings lässt sich keine einheitliche Aussage treffen, ob ein Konzeptwechsel in einem SBBZ funktioniert oder nicht, da es zu viele verschiedene Arten von SBBZ´s gibt, die jeweils individuelle Anforderungen an die Lehrer stellen.

Außerdem sind die Klassen in einem SBBZ von großer Heterogenität geprägt, vor allem im Förderschwerpunkt geistige Entwicklung, weshalb es durchaus schwierig werden könnte mit einem Versuchsaufbau oder einer Problemstellung alle Kinder gleichzeitig zu erreichen.  Hier muss unbedingt auf eine ausreichende Differenzierung geachtete werden.

Im Gegensatz zu der Sonderpädagogik ist in der Sekundarstufe I davon auszugehen, dass die von Piaget beschriebene „Phase der formalen Operation“, welche bereits im oberen Abschnitt detailliert dargestellt wurde, erreicht wird. Diese ermöglicht durch einen durchdachten, sinnvoll strukturierten Unterricht ein  Konzeptwandel. Entscheidend hierfür ist die erworbene, kognitive Fähigkeit Hypothesen über den Ausgang von Experimenten durch Veränderung der Variablen zu bilden. Gerade im naturwissenschaftlichen Unterricht sollte dieses Potenzial genutzt werden.

5. Konzeptwandel in der Sekundarstufe am Beispiel der Fotosynthese

5.1 Ausgangssituation in der Sekundarstufe

Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe haben sich ihre Alltagsvorstellungen über mehrere Jahre hinweg aufgebaut. Da sie in der Praxis immer wieder bestätigt wurden und/oder fester Bestandteil der Alltagssprache sind, sehen sie keinen Grund zum Zweifeln an ihrer Richtigkeit. Diese Annahmen konkurrieren im Biologieunterricht mit naturwissenschaftlichen Gesetzmäßigkeiten. Es ist verständlich, dass es Jugendlichen schwer fällt sich von ihren unwissenschaftlichen Alltagstheorien zu trennen, welche sie all die Jahre sinnvoll nutzen konnten. Daraus folgt für guten naturwissenschaftlichen Unterricht, dass die Präkonzepte nur dann weiterentwickelt werden können, wenn die neuen Theorien, wie eingangs bereits erwähnt, für den Schüler verständlich, glaubhaft und fruchtbar sind. Solch eine erfolgreiche Umsetzung soll im Folgenden am Beispiel des Verständnisses der Fotosynthese gezeigt werden.

5.2. Ermittlung von Präkonzepten zur Fotosynthese

Die Fotosynthesegleichung lässt sich knapp in einem Satz zusammenfassen, dennoch ist es zum Verständnis der Tragweiter und der Akzeptanz ihrer Aussage ein weiter Weg.  Ausformuliert lässt sich sagen, dass es Pflanzen gelingt sich nur aus einem bestimmten Gas aus der Luft, Wasser und der Energie der Sonne selbst zu ernähren. Ganz simpel oder eben doch nicht:

            6C02 + 12H2O ---------> C6H12O6 + 6H2O

Diese großartige Gleichung, welche die Grundlage des Lebens auf der Erde darstellt, wird unabhängig von der Schulform der Sekundarstufe I behandelt.  Dennoch haben einige Studien der 90er Jahre, die beispielsweise von Teams um Anderson, Sheldon und Dubay durchgeführt wurden, bewiesen, dass Fotosynthese nur selten wirklich verstanden wird. Die Ursache dafür ist, dass die Lernenden an ihren Präkonzepten festhalten, da diese nicht plausibel und verständlich weiterentwickelt wurden oder im Lernprozess keine Beachtung fanden. Um SuS im Lernprozess individuell fördern zu können, müssen ihre Vorstellungen durch Diagnostik ermittelt werden. Geeignete Methoden sind prinzipiell schwierig zu charakterisieren, da sie an den allgemeinen Leistungsstand der Klasse oder des Schülers angepasst werden müssen. Exemplarisch werden einige Diagnostikmethoden für unterschiedliche Niveaustufen aufgezeigt:

1. Zeichnerische Erfassung

Aufgabe: Zeichne Bestandteile ein, welche diese Pflanze für das Überleben benötigt.

2. Concept - Maps:

Aufgabe: Erstelle eine Concept - Map zur Fotosynthese. Tipp: Versuche diese zu strukturieren nach Dingen, welche die Pflanze direkt für die Fotosynthese benötigt und welche sie nur indirekt beeinflusst.

3. Schaubilder:

Aufgabe: Erstelle ein aussagekräftiges Schaubild zum Kohlenstoffkreislauf! In welcher Form sind Pflanzen und Tiere auf Kohlenstoff angewiesen und was benötigen sie außerdem?

4. Offene Fragen:

Aufgabe: Bis sich ein kleiner, federleichter Samen zu einem über 1000 Tonnen schwerem Mammutbaum entwickelt, dauert es mehrere tausend Jahre. Aber woher nimmt der Baum überhaupt seine Masse?

5.3. Typische Schülervorstellung und deren Überwindung

Nach der von Lakeoff und Johnson beschriebenen Theorie des erfahrungsbasierten Verstehens sowie ihren Ausführungen über die Beeinflussung der Wahrnehmung durch Metaphern aus der Alltagssprache, transferieren Lernende die Vorstellung der eigenen Ernährung auf die Ernährung der Pflanzen. Dadurch entstehen beispielsweise Aussagen wie Folgende:

"Die Pflanzen ernähren sich aus der Erde und dem Wasser mit dem sie gegossen werden."

Diese Aussage basiert zum einen auf der Vorstellung, dass Nahrung stets aus Feststoffen und Flüssigkeiten besteht, wie es bei uns Menschen der Fall ist. Zum anderen stützt sie die Alltagserfahrung  der Schüler, welche das notwendige tägliche Gießen der Pflanzen beobachteten auch der Prozess des Saugens flüssiger Nährstoffe ist ihnen aus dem Alltag bekannt. Auch wenn Mineralstoffe und Wasser wichtig für die Pflanze und auch für die Fotosynthese sind, so hat ein Schüler, welcher die obenstehende Aussage tätigt, die entscheidende autotrophe Assimilation von CO2 zu Glukose und damit die Fotosynthese nicht verstanden. Durch eine Reihe von Versuchen und Experimenten wird es den SuS ermöglicht die Fotosynthese zu verstehen und zu akzeptieren.

Bereits im 17. Jahrhundert gelang es Johan Baptista van Helmont nachzuweisen, dass die Masse des Baumes nicht aus der Erde stammen kann, indem er die deutliche Gewichtszunahme der Pflanze mit der unwesentlichen Abnahme des Gewichts des Bodens nach einem längeren Zeitraum verglichen hat.

( Lars Ebbersmeyer. Van Helomont Experiment. In: Van Helmont. 01.10.2014 unter: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Van_Helmont_Experiment.jpg (Stand. 09.08.2018).)

Das hier dargestellte Experiment eignet sich optimal für ein Langzeitexperiment in einer Klasse. Beachtet werden muss jedoch, dass dieses Experiment weder bei van Helmont noch bei den Lernenden eine nachhaltig Veränderung ihrer Vorstellungen der Fotosynthese bewirkt hat. Ein Schüler, welcher zuvor überzeugt war, dass die Masse der Pflanze aus der Erde stammen müsse, wird nun überzeugt sein, dass es anstelle der Erde das Wasser sein muss, welches für die Masse der Pflanze verantwortlich ist. So kann an der Alltagsvorstellung der, dass Nahrungsaufnahme nur über Feststoffe oder Flüssigkeiten erfolgen kann, festgehalten werden. Lernenden könnten Schwierigkeiten haben, zu akzeptieren, dass das CO2, welches sich in der Luft befindet, für die Masse der Pflanzen sorgt. Dies steht entgegen folgender Alltagsvorstellung:

"Gase haben kein Gewicht."

Schüler haben Probleme mit der Vorstellung, dass ein Gas für die tonnenschwere Masse der Mammutbäume verantwortlich sein soll, weil Gase für sie im Alltag kein Gewicht haben. Stellt man ein mit Luft gefülltes Glas auf die Küchenwaage, so wird nur das Gewicht des Glases angezeigt und Schüler würden es als leer bezeichnen. Wird Wasser in das Glas gefüllt, so erhöht sich das Gewicht. Somit haben für Schüler Flüssigkeiten durchaus Gewicht, Gase sind für sie aber gewichtslos und vernachlässigbar. Diese Vorstellung widerspricht der Fotosynthese und kann mit folgenden Versuch widerlegt werden.

Versuch zum Nachweis des Gewichts von Gasen

Materialien:

• Duranglas (hitzebeständig) 
• Bunsenbrenner 
• Streichhölzer 
• Digitalwaage 
• Luftballon 

Durchführung:

Das Duranglas enthält Streichhölzer und wird durch einen Luftballon an der Öffnung des Glases verschlossen. Das Gesamtgewicht des Glases wird über eine Digitalwaage angezeigt und notiert. Anschließend werden die Streichhölzer durch Zugabe von Hitze verbrannt. Nachdem den Lernenden das Ergebnis präsentiert wurde, werden sie aufgefordert Prognosen über eine Veränderung des Gewichts anzustellen. Letztendlich werden diese Vermutungen durch erneutes wiegen kontrolliert.

(Maximilian Konrad. Schülerversuchspraktikum – Klassenstufe 7 & 8 (2012) unter: http://unterrichtsmaterialien-chemie.uni-goettingen.de/material/7-8/V7-19.pdf (Stand: 09.08.2018))

Vor der Verbrennung (Gewicht:  264g)      Nach der Verbrennung (Gewicht:    264g)

Deutung:

In der Schülervorstellung ist das Duranglas dadurch leichter geworden, da die Streichhölzer den Aggregatszustand von fest zu gasförmig gewechselt haben und sie ihn nun als leer annehmen. In der Realität ist der zuvor als Feststoff vorhandene Kohlenstoff, beispielsweise in Form von Cellulose, jedoch nur durch Oxidation an Sauerstoffmoleküle gebunden worden. Die Anzahl der Kohlenstoffatome und damit auch ihre Masse ist jedoch unverändert, womit bewiesen wäre, dass auch Gase ein Gewicht besitzen.

Nachdem experimentell belegt wurde, dass Gase Gewicht haben, kann mit einfachen Versuchen durch Austausch der entsprechenden Variablen die essenzielle Bedeutung von Wasser, CO2 und Licht für die Fotosynthese belegt werden. Schwierigkeiten bereitet SuS dann jedoch weiterhin die Akzeptanz, dass das Holz der Bäume grundsätzlich aus der durch die in der Fotosynthese gewonnenen Glucose besteht, welche ursprünglich aus CO2 und H2O entstanden sein soll.

"Wie soll nur aus Wasser und CO2 ein Baum entstehen der aus Zucker besteht?!"

Der Hauptbestandteil von Bäumen setzt sich je nach Baumart aus zwischen 40 und 50 % Cellulose zusammen. Dieses Polysaccharid könnte in der Schule aus Holz gewonnen werden oder ist auch als Hauptbestandteil von Papier aufzufinden. Auch ein Nachweis der einzelnen Glucosemoleküle darin ist möglich, was zweifelsohne die beste Möglichkeit darstellt, um Schülerzweifel zu beseitigen, dass auch Holz letztendlich aus Glukose aufgebaut ist. Allerdings ist der zeitliche Aufwand und das dafür benötigte chemische Verständnis zur Holzverzuckerung im Biologieunterricht einer Sekundarstufenklasse im Rahmen schwer umzusetzen.

Auch mit einer vergleichsweise einfacheren Vorgehensweise lassen sich aus Holz die Ausgangsprodukte der Fotosynthese nachweisen. Dass Holz Wasser enthält ist den Schülern aus dem Alltag meist bewusst. So entsteht bei der Verbrennung von frisch geschlagenen Bäumen oder Holz mit einer höheren Holzfeucht eine sichtbare Wasserdampfwolke. Diese kann an kalten Oberflächen durch Kondensation als flüssiges Wasser sichtbar gemacht werden. Das Wasser in Holz kann auch durch Gewichtsunterschiede und durch unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit von Holz vor und nach der Trocknung von diesem (beispielsweise im Backofen bei 75°) nachgewiesen werden.  

Der Nachweis des im Holz durch Cellulose gespeicherten Kohlenstoffs erfolgt durch die Oxidation des Kohlenstoffs im Verbrennungsprozess, welcher in einer Porzellanschale vollzogen wird. Das dadurch entstehende CO2 kann über den Auffangtrichter und einen hitzebeständigen Schlauch durch Unterdruck in die Caliumhydroxidlösung gegeben werden. Wird die Lösung durch Kalk (CaCO3) getrübt, so ist CO2 erfolgreich nachgewiesen. Es ist sinnvoll, den Versuch vorab mit der Verbrennung von Eisenwolle anstatt Holz durchzuführen, da hier das Eisen oxidiert wird und dadurch die Trübung ausbleibt.

(Anges- Pockels- Labor, TU Braunschweig. In: Luft und Verbrennung. 02.06.2006 unter:https://www.tu-braunschweig.de/Medien-DB/agnespockelslab/download/luft/verbrennung-holz-eisen.pdf  (Stand: 09.08.2018))

Auch wenn diese Versuchsreihe keinen wissenschaftlichen Nachweis der Fotosynthese darstellt, ist es dennoch sinnvoll sie zu demonstrieren, da zum einen fachübergreifende Kompetenzen gefördert werden und zum anderen der Nachweis den Schülern dennoch hilft sich langfristig an die Bestandteile von Holz zu erinnern. Außerdem können so die neu gewonnenen Erkenntnisse im Sinne von Möllers eingangs erwähnten Bedingungen des Konzeptwechsels der der Fruchtbarkeit sinnvoll weiterführend behandelt werden. Welche Bestandteile könnte die übrig gebliebene Asche enthalten und wie gewinnt die Pflanze diese? Auch der Einbezug der Folgen von Waldrodungen auf unsere Umwelt bietet interessante Diskussionsgrundlagen zum Thema Nachhaltigkeit.

Experimente als hervorragende Methode des Konzeptwechsels

Experimente und Versuche eignen sich hervorragend, um die Motivation der Schüler zu wecken. Die Lernenden können während der Durchführung von Experimenten selbst beobachten, wie ihre aufgestellten Hypothesen und Vermutungen widerlegt werden, was große Authentizität hat und dadurch Unzufriedenheit erzeugt. Wer davon ausgehend, plausible und für die Lernende verständliche neue Konzepte aufzeigt, bietet ihnen optimale Möglichkeiten zur Überwindung ihrer Alltagsvorstellungen hin zur wissenschaftlichen Weltanschauung.  

6. Diskussionsanstöße zum “selbst weiter denken” und kommentieren:

• Ist ein Konzeptwechsel, ohne Experiment oder Anschauungsmaterialien, überhaupt möglich? 
• Gibt es Präkonzepte die nicht durch einen Konzeptwechsel verändert werden können?  
• Ist der Glaube an die Schöpfungstheorie aus der Bibel ein Präkonzept? Und ist dieses veränderbar? 
• Duit beschreibt, dass es häufig zu Hybriden kommen kann und wissenschaftliche Konzepte nicht komplett übernommen werden, obwohl sie Sinn ergeben und belegt sind. Wie kann das sein? 
• Fallen euch Beispiele aus dem Alltag ein, bei denen ihr persönlich an schon widerlegten/ überarbeiteten Präkonzepten fest haltet?(z.B. die Aussage: „Draußen ist es kalt. Zieh dir lieber eine warme Jacke an“ Wie oben dargelegt, ist es nicht die Jacke die warm ist, sondern die Jacke hält nur die Körperwärme länger =isoliert den Körper nach außen)

Hier noch der vollständige Artikel mit allen Quellenangaben und Fußnoten als Wort Document.

7. Quellenverzeichnis:

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