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Abstract
Biotechnological research is an important future topic. The aim of the project is therefore to promote the competence of teachers in biotechnological methods using well-established research topics, e.g. theory and practice of PCR and agarose gel electrophoresis to analyze the bitter taste perception. To facilitate the implementation of biotechnological topics and methods, besides the teacher training additional didactics material is provided. The teacher training is organized regionally and free of charge. The courses are executed in the schools to demonstrate the implementation under teachers’ everyday conditions. Ideally, two teachers per school should register that they can support themselves during the implementation in their biology classes. The quality of the teacher training and the planned integration of biotechnology in biology classes were examined using a questionnaire. The five scales for self-assessment of instruction quality, material quality/benefit for biology class, biotechnological/didactic and practical expertise as well as motivation to deepen biotechnology and intended implementation show good reliabilities The positive evaluation of the instruction quality as well as the material quality/benefit for biology class indicates high acceptance and satisfaction for the teacher training. In common with the self-assessment of biological/didactic expertise, they are suitable for predicting the intended implementation. Subsequent to the teacher training the extensive loan of equipment for the biology classes further emphasizes the intended implementation.
1 Biotechnologie im Unterricht
Biotechnologische Forschung bietet Chancen, z.B. für die Verbesserung von medizinischer Diagnostik und Therapie sowie für die Ernährung einer stetig wachsenden Weltbevölkerung. Gleichwohl bergen Eingriffe in das Erbgut von pflanzlichen und tierischen Organismen Risiken. Entsprechend ist die Haltung und Akzeptanz verschiedener Stakeholder zu diesen Forschungsbereichen in der politischen und gesellschaftlichen Debatte ambivalent. Um die fachwissenschaftliche Basis einer faktenorientierten Beurteilung biotechnologischer Themen und Methoden zu gewährleisten, sind die Bereiche Genetik und Gentechnik Bestandteil des Kompetenzbereichs Bewertung (KMK, 2005) sowie der Biologielehrpläne (z.B. ISB 2015). Ziel ist es, bereits in der Schule biotechnologische Techniken und deren Einsatzgebiete kennenzulernen. Obwohl diese Themen und Methoden eine große Bedeutung haben, kann ihre Behandlung im Biologieunterricht häufig nur theoretisch erfolgen. Gründe sind fehlende Ausstattung für die praktische Arbeit sowie geringe Gelder an Schulen, um die kostspieligen Geräte und Reagenzien anzuschaffen. Darüber hinaus sind Arbeiten mit gentechnisch veränderten Organismen, z.B. bei rekombinanter DNA-Klonierung und in Bereichen der Proteinbiochemie, in Schulen nicht erlaubt. Obwohl universitäre und privatwirtschaftliche Forschungsinstitute Lehrerfortbildungen gestalten und diese Arbeitsweisen zumeist in einem professionellen Forschungslabor erproben lassen (z.B. Universität Bayreuth1, EMBL Heidelberg2 oder BASF3), sind solche Angebote in der Biotechnologie, die ebendieses praktisches Arbeiten mit seiner schulischen Umsetzbarkeit verbinden, sehr selten anzutreffen. Damit werden zeitgemäße Laborfähigkeiten sowie biotechnologische Methoden und Forschungsschwerpunkte nicht im Biologieunterricht an Schüler*innen vermittelt, sondern ebenfalls häufig an außerschulischen Lernorten (Scharfenberg und Bogner, 2014; Glowinski, 2007). Ziel des biotechnologischen Lehrerfortbildungsprogramms an der Technischen Universität München ist daher die Förderung professionsbezogener Kompetenzen bei Lehrkräften. Die gewonnene Expertise soll diese befähigen, innovativen Biologieunterricht zu gestalten, der Interesse, anwendbare Kenntnisse und praktische Fähigkeiten in den modernen Arbeitsweisen der Biotechnologie bei Schüler*innen fördert. Damit einher gehen idealerweise auch Perspektiven für den wissenschaftlichen und berufsbezogenen Nachwuchs.
2 Theoretischer Hintergrund
2.1 Entwicklung professioneller Handlungskompetenzen in der Lehrerfortbildung
Lehrkräfte werden als zentrale Akteure im Bildungswesen gesehen, ihre Qualifizierung ist entscheidend für das Gelingen von schulischen Bildungsprozessen (Baumert und Kunter, 2011). Als Wirkungskette wird angenommen, dass das Professionswissen von Lehrkräften vermittelt durch die Unterrichtsqualität einen Einfluss auf die Lernleistung von Schüler*innen hat (Schmelzing, 2010; Helmke, 2015). Seine fachspezifischen Bereiche Fachwissen und fachdidaktisches Wissen gelten als erklärungsmächtigste Faktoren von Expertenleistung (u.a. Shulman, 1987). Weil Fachwissen und fachdidaktisches Wissen stark korrelieren, wird angenommen, dass Fachwissen eine Bedingung für fachdidaktisches Wissen ist, jedoch das fachdidaktische Wissen einen wesentlichen Einfluss auf Unterrichtsgestaltung und Lernleistung der Schüler*innen hat (Baumert et al., 2010). Lehrkräfte sind daher herausgefordert, ihre berufsspezifischen Kompetenzen kontinuierlich zu entwickeln, um fachlichen und didaktischen Innovationen im Schulsystem sowie den Anforderungen eines zeitgemäßen Biologieunterrichts gerecht zu werden. Gleichzeitig stehen sie in der Kritik, nicht hinreichend über diese Handlungskompetenzen zu verfügen. Fortbildungsmaßnahmen sollten daher regelmäßig durchgeführt werden (Blömeke, 2005), allein weil das Studium zur Erlangung von Professionalität im Lehrberuf nicht ausreicht und ihr Erwerb als lebenslanger Prozess verstanden werden muss (Reusser und Tremp, 2008).
Die Wirksamkeit von Lehrerfortbildungen wird durch vier aufeinander aufbauende Ebenen bestimmt (Kirkpatrick und Kirkpatrick, 2006; Lipowsky, 2010). Auf der Ebene 1 lassen sich Reaktionen und Einschätzungen der teilnehmenden Lehrkräfte anhand ihrer Zufriedenheit und Akzeptanz identifizieren. Letztere sind dann hoch, wenn die Professionalisierungsmaßnahme relevante Thematiken des Unterrichts aufgreift, z.B. durch expliziten Lehrplanbezug. Je stärker die Akzeptanz, je nützlicher und realisierbarer die Inhalte erscheinen, desto eher werden die Neuerungen umgesetzt (Blumenfeld et al., 2000). Auf Ebene 2 folgen kognitive Veränderungen, z.B. Erweiterung der Expertise. Lehrkräfte tendieren aus didaktischen Erwägungen oder Selbstschutz häufig zur Überschätzung ihrer Fähigkeiten (Desimone, 2009), während sich Lehrkräfte mit geringer Berufserfahrung eher unterschätzen (Kunter und Klusmann, 2010) oder aber ihre Kompetenzen weniger kritisch und daher milder beurteilen (Rauin und Maier, 2007). Auf Ebene 3 werden Veränderungen im unterrichtspraktischen Handeln beschrieben, auf Ebene 4 werden die Veränderungen bei Schüler*innen hinsichtlich eines höheren Lernerfolgs, einer günstigeren Motivationsentwicklung oder einem veränderten Lernverhalten sichtbar.
2.2 Implementation von Innovationen im Biologieunterricht
Implementationsforschung fokussiert Fragestellungen zu Gelingens- und Verstetigungsbedingungen einer Innovation im Zusammenspiel mit relevanten Akteuren und Strukturen, die bei ihrer Umsetzung beteiligt sind (Jäger, 2004; Gräsel, 2010). Unter Implementation wird die Verbreitung einer Neuerung in einer ersten Phase verstanden. Bei fachlichen und fachdidaktischen Innovationen stellt sich die Frage, inwieweit Lehrerfortbildungen die Implementation einer Innovation fördern können. Um einen Implementationserfolg zu gewährleisten, sollten Lehrkräfte in Bezug auf die inhaltliche Gestaltung der Innovation Vorteile gegenüber der bestehenden Praxis wahrnehmen, ferner sollte sie im Einklang mit ihren subjektiven Überzeugungen, Einstellungen und Werten stehen. Innovationen werden zügiger umgesetzt, wenn sie eine geringe Komplexität aufweisen und die üblichen Handlungsroutinen durch sie nicht beeinträchtigt werden (Gräsel, 2010). Positive Effekte der Innovation sollten nach Möglichkeit schnell sichtbar sein. Entscheidend ist weiterhin, ob Lehrkräfte über die nötige Motivation sowie die erforderlichen Kompetenzen verfügen, um die Innovationen in ihrem Unterricht umzusetzen (Gräsel & Parchmann, 2004). Veränderungen setzen i.d.R. eine Kommunikation der Fachschaft darüber voraus, wie die Neuerungen umgesetzt und an bestehende Bedingungen vor Ort angepasst werden können (Gräsel, 2010). Idealerweise können weitere Akteure bei der Implementation in sog. Learning Communities zusammenarbeiten (Bayrhuber et al., 2007; Ostermeier et al., 2004; Parchmann et al., 2006). Ein Kennzeichen dieses Ansatzes ist, dass Lehrkräfte den Erfolg und die Wirksamkeit prozessbegleitend durch Rückmeldungen z.B. einer wissenschaftlichen formativen Evaluation schnell beurteilen und von diesen Erkenntnissen profitieren können (Gräsel & Parchmann, 2004; Gräsel, 2010).
3 Ziele und Fragestellung
Ziel der Evaluation des Lehrerfortbildungsangebots war neben der Qualitätssicherung konkrete Hinweise für die Weiterentwicklung der angebotenen Unterstützungsmaßnahmen (Materialausleihe, didaktisches Begleitmaterial) sowie des Fortbildungskonzepts zur Erweiterung des Professionswissens und Kooperation mit Blick auf die schulische Implementationsabsicht der Fortbildungsthemen zu erhalten. Eine Fragebogenstudie sollte daher erste Erkenntnisse über die Voraussetzungen von Lehrkräften für eine mögliche Integration der Fortbildungsinhalte in den Biologieunterricht nach erfolgter Fortbildung liefern. Die Studie fokussierte in Anlehnung an die Modellebenen von Kirkpatrick und Kirkpatrick (2006) bzw. Lipowsky (2010) und Gräsel (2010) folgende Fragestellungen:
(1) Wie bewerten Lehrkräfte die Materialqualität und Gestaltung des Lehrerfortbildungsangebots mit Blick auf den schulpraktischen Nutzen (Ebene 1)?
(2) Wie schätzen Lehrkräfte ihre fachliche/fachdidaktische Expertise und praktische Expertise in der Biotechnologie im Anschluss an die Lehrerfortbildung ein (Ebene 2)?
(3) Sind die Lehrkräfte nach der Fortbildungsteilnahme motiviert, ihre Kenntnisse weiter zu vertiefen und die Fortbildungsinhalte in den Biologieunterricht einzubinden (Ebene 3)?
4 Methoden
4.1 Stichprobe
An der Studie nahmen 213 Biologielehrkräfte aus Bayern (N = 166) und Berlin-Brandenburg (N = 47) von 82 Schulen teil. Unter den Schulen waren 63 Gymnasien (Bayern N = 45), 5 berufliche Schulen und 2 Realschulen aus Bayern, 7 Gesamtschulen aus Berlin-Brandenburg, 5 andere. 157 TeilnehmerInnen studierten Biologie/Chemie, 52 Personen wählten Biologie/Sonstiges als Studienfächer. Auch vier fachfremde Lehrkräfte mit Chemie/Sonstiges nahmen teil. Die Berufserfahrung der Teilnehmer*innen variiert von einem bis mehr als 19 Jahren. Berufserfahrung und professionelle Kompetenzen können korrelieren, weil jeder Unterricht ein potentieller Lernanlass ist (Ericson, 2006). Gleichwohl zeigen Kompetenzmessungen in Mathematik (COACTIV, Brunner et al. 2008) und Naturwissenschaften (ProwiN; Kirschner et al., 2017), dass dies nicht immer der Fall sein muss. Auch wir sind in unserer Studie davon ausgegangen, dass sich jüngere und ältere Lehrkräfte in ihrer praktischen Erfahrung voneinander unterscheiden, weil molekularbiologische Verfahren, z.B. PCR, Anfang der 1980er Jahre in der Forschung entwickelt wurden und erst in den 1990er Jahren systematischen Einzug in die Lehramtscurricula erhielten. Die Kategorisierung nach der Berufserfahrung dient in dieser Studie daher der explorativen Untersuchung der selbsteingeschätzten Erfahrungen mit angewandter Molekularbiologie (s. FF2) und nicht als distaler Indikator zur Operationalisierung von theoretischem und methodischem Wissen a priori. Die Stichprobe teilte sich in fünf Gruppen: Referendare Plus (1–2 Jahre, N = 43), Beginner (3–5 Jahre, N = 41), Fortgeschrittene (6–9 Jahre, N = 36), Experten (10–19 Jahre, N = 42), Experten Plus (> 19 Jahre, N = 45).
4.2 Gestaltung der Lehrerfortbildung
Die Fortbildung zeichnet sich durch regionale Organisation, Schulen als Fortbildungsort, kollegiale Kooperation sowie durch die Equipment- und Materialausleihe zur Unterstützung der Implementation aus. Es wird sowohl fachliches Hintergrundwissen an die Lehrkräfte vermittelt als auch die praktische Erprobung von biotechnologischen Schülerversuchen mit dem für den Biologieunterricht ausleihbaren Material ermöglicht. Die biotechnologischen Versuche des Basismoduls wurden am bayerischen LehrplanPLUS Biologie der Oberstufe (ISB, 2020) ausgerichtet und für 90 Minuten konzipiert, damit die Einbindung in einer Doppelstunde möglich ist. Aufwändigere Versuche werden in mehrere Schulstunden sequenziert. Die thematisch unterschiedlichen Basismodule umfassen grundlegende Methoden der biotechnologischen Industrie z.B. DNA Extraktion, PCR, Restriktionsverdau und Agarose-Gelelektrophorese, die mit schülergerechten Geräten im Biologieunterricht praktisch durchgeführt werden sollen. Lehrkräfte können in der Fortbildung in einem Kriminalfall ermitteln, der anhand der autosomal-rezessiv vererbten Stoffwechselerkrankung Mukoviszidose aufklärt wird, oder die eigene DNA hinsichtlich der bitteren Geschmackswahrnehmung analysieren. Teilnehmer*innen, die das Basismodul absolviert haben, können mit dem Aufbaumodul zur Laktoseunverträglichkeit ihre genetische Prädisposition hinsichtlich Laktasepersistenz analysieren. Eine Erweiterung der Kompetenzen ist durch Umsetzung gebräuchlicher industrieller Methoden zur Herstellung laktosefreier Milchprodukte möglich. Bei allen Modulen wird hauptsächlich für den schulischen Gebrauch optimiertes biotechnologisches Equipment verwendet, das ausgeliehen werden kann, um die spätere Umsetzung im Biologieunterricht zu erleichtern.
Im Gegensatz zu anderen Fortbildungsmaßnahmen ist diese i.d.R. regional organisiert und findet an zwei oder drei Nachmittagen an einer Schule statt. Die regionale Organisation erhöht die Attraktivität des Fortbildungsangebots für ländliche Bereiche, insb. des Münchner und Berliner Umlands. Neben dem geringen Aufwand für die Anreise ist ein weiterer Vorteil, dass die schulische Machbarkeit direkt vor Ort sichtbar wird. Alternativ stehen die TUM-Labore in München, Garching oder das Schülerforschungszentrum Berchtesgadener Land als Veranstaltungsort zur Verfügung. Bestandteil des Professionalisierungskonzepts ist die Anmeldung von mind. zwei Lehrkräften pro Schule, um die Implementation der molekularbiologischen Methoden durch gegenseitige Unterstützung zu erleichtern (vgl. Setstruktur SINUS, Ostermeier et al., 2004 und Kontextprogramme u.a. Parchmann et al., 2006), z.T. nahmen gesamte Biologiefachschaften teil. Die praktische Durchführung erfolgt in 2er-Gruppen. Die Lehrkräfte haben des Weiteren für die praktische Umsetzung die Möglichkeit, das ihnen aus der Fortbildung bekannte Equipment und die Reagenzien vorbereitet für ihre Biologiekurse auszuleihen. Auch fachliche und didaktische Begleitmaterialien sollen den Lehrkräften die Einbindung der Fortbildungsinhalte in den Unterricht erleichtern. Digitale Medien, z.B. Demonstrations- und Lernvideos für Lehrkräfte und Schüler*innen, können zum besseren Verständnis komplexer Aspekte der biotechnologischen Themen und Methoden integriert werden. Die Berücksichtigung didaktischer Aspekte bei der Entwicklung der Fortbildung, die Behandlung lehrplanrelevanter Inhalte sowie das Beachten von Bedürfnissen und Defizite der Lehrkräfte kann merklich zur Wirksamkeit und Effektivität des Fortbildungsangebots beitragen (Lipowsky, 2010).
4.3 Fragebogen und Skalendokumentation
Für die Evaluation der Lehrerfortbildung wurden die Skalen Struktur und Didaktik, Relevanz und Kursleitung aus FEOM (Szymanski und Bruder 2012) ausgewählt und z.T. für den Verwendungszweck spezifiziert, um die Wirksamkeit der Lehrerfortbildung zu überprüfen (Lipowsky, 2010, Ebene 1 s.o.). Diese Skalen wurden um weitere Items zur Selbsteinschätzung der fachlichen, fachdidaktischen und praktischen Expertise zur Biotechnologie und zur Implementationsabsicht ergänzt (z.T. in Anlehnung an Pohlmann und Möller, 2010; s. auch Lipowsky, 2010; Ebene 2 und 3). Als Antwortformat wurde eine vierstufige Likert-Skala (0 = trifft nicht zu bis 3 = trifft voll zu) gewählt. Die Daten wurden mit SPSS 25 ausgewertet. Nach Rekodierung negativ formulierter Items wurde die Skalengüte mit Item-, Faktoren- und Reliabilitätsanalysen überprüft. Das resultierende Instrument umfasst fünf Skalen zur Beschreibung der Fortbildungsqualität zur Biotechnologie. Alle fünf Skalen (Tabelle 1) wiesen gute bis sehr gute Reliabilitäten auf (Bühner, 2011).
Tabelle 1: Skalendokumentation mit Itembeispielen; angegeben sind Anzahl der Items (N), Skalenmittelwerte (M/SD) und Cronbachs α.
4.4 Durchführung der Evaluation
Die Lehrerfortbildungen und ihre Evaluation fand von Juni 2017 bis März 2019 statt (entspricht zwei Schulhalbjahren). 23 Lehrerfortbildungen wurden in Bayern zwei in Berlin-Brandenburg durchgeführt. Von den insgesamt 25 Fortbildungen wurden gut dreiviertel an jeweils einer der teilnehmenden Schulen veranstaltet. Die Evaluation der Lehrerfortbildung fand per Fragebogen am Ende jeder Veranstaltung statt. Zur Ermittlung von Unterschieden wurden Mittelwertanalysen (t-Test, ANOVA) durchgeführt. Der Einfluss der Instruktionsqualität, der Materialqualität/des schulpraktischen Nutzens sowie der Selbsteinschätzung von Fachwissen/fachdidaktischer Expertise auf die Motivation zur Vertiefung der Biotechnologie und Implementationsabsicht wurde durch eine schrittweise Regressionsanalyse untersucht.
5 Ergebnisse
Die Lehrkräfte bewerteten die Gestaltung des Lehrerfortbildungsangebots sowie die Materialqualität mit Blick auf den schulpraktischen Nutzen als sehr gut. Zwei Personen machten keine Angaben zur Skala Materialqualität/schulpraktischer Nutzen.
Tabelle 2: Deskriptive Statistik zu den Skalen der Ebenen 1–3; angegeben sind Stichprobenumfang (N), Mittelwerte (M) mit Standardabweichungen (SD) sowie die Spannweite (Min/Max).
Auch die eigene fachliche/fachdidaktische Expertise in der Biotechnologie wurde überdurchschnittlich eingeschätzt. Weniger Zutrauen hatten die Lehrkräfte da-gegen in ihre praktischen Fähigkeiten (Tabelle 2), was jedoch zwischen den Gruppen mit unterschiedlicher Berufserfahrung variierte (Tabelle 3). Sechs Personen machten dabei keine Aussage zu ihrer bisherigen Berufserfahrung (Nges = 207).
Tabelle 3: Deskriptive Statistik für die Selbsteinschätzung Fachwissen/fachdidaktische sowie praktische Expertise Biotechnologie getrennt nach Berufserfahrung.
Eine einfaktorielle Varianzanalyse ergab einen Haupteffekt für die Anzahl der Berufsjahre bei der Selbsteinschätzung Fachwissen/Fachdidaktische Expertise Biotechnologie (F(4,202) = 6,649, p < 0,001, η2 = 0,116, N = 202). Die subjektive Einschätzung fällt bei Teilnehmer*innen mit längerer Berufserfahrung höher aus als bei den Referendaren Plus, dabei schätzen die Fortgeschrittenen ihr biotechnologisches Wissen und ihre Vermittlungskompetenz am höchsten ein. Post-hoc-Tests mit LSD-Korrektur zeigten paarweise Unterschiede: Referendare Plus unterschieden sich signifikant von den Beginnern und den Experten. Ein höchst signifikanter Unterschied besteht zwischen den Referendaren Plus und den Fortgeschrittenen. Auch die Mittelwertunterschiede bei der Selbsteinschätzung der praktischen Expertise Biotechnologie sind statistisch bedeutsam (F(4,202) = 3,605, p < 0,01, η2 = 0,0,67, N = 202). Hier sind die Verhältnisse umgekehrt: Die geringste Selbsteinschätzung haben die Experten, während sich die Referendare plus als überdurchschnittlich praktisch erfahren einstufen. Die Post-hoc Untersuchung mit LSDKorrektur zeigt einen signifikanten Unterschied zwischen diesen beiden Gruppen.
Im Anschluss an die Fortbildung sind die Lehrkräfte motiviert, ihre Kenntnisse zu vertiefen und die Fortbildungsinhalte in den Biologieunterricht einzubinden (Tabelle 2). Zur Vorhersage möglicher Einflussfaktoren auf die Implementationsabsicht in den Biologieunterricht wurde eine Regressionsanalyse durchgeführt. Für die Kriteriumsvariable Motivation zur Vertiefung der Biotechnologie/Implementationsabsicht werden drei Prädiktoren Instruktionsqualität, Materialqualität/schulpraktischer Nutzen und Selbsteinschätzung Fachwissen/Fachdidaktische Expertise Biotechnologie in der Regressionsanalyse signifikant; diese Prädiktoren klären 29,3 % der Varianz auf (Tabelle 4).
Tabelle 4: Regressionsanalyse für die Kriteriumsvariable Motivation zur Vertiefung der Biotechnologie/Implementationsabsicht (Ebene 3).
Viele der Lehrkräfte implementierten die molekularbiologischen Themen und Arbeitsweisen 1–10 Monate nach Teilnahme an der Lehrerfortbildung. Die Ausleihe der Materialkisten erfolgte an eine Schule eines regionalen Netzwerks und wurde von dort aus ggf. weitertransportiert. Die Lehrkräfte organisierten die Implementation unterschiedlich: neben (mehreren) Doppelstunden im Biologieunterricht fanden auch Projekttage zur Biotechnologie mit mehreren Klassen oder sogar einer ganzen Jahrgangsstufe statt. Zum jetzigen Zeitpunkt lässt sich daher die Zahl der Lehrkräfte, die (mit bzw. ohne Fortbildung) implementiert haben, nicht genau bestimmen. Hierzu soll eine Interviewstudie Aufschluss geben, die im März 2020 angelaufen ist. Durch die portionierten Verbrauchsmaterialien bei der Ausleihe konnte zumindest bestimmt werden, dass in den Schuljahren 17/18 und 18/19 knapp 2000 Schüler*innen an der Umsetzung der Fortbildungsthemen im Biologieunterricht teilgenommen haben.
