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Zoom Map –
Entwicklung und Evaluation
eines grafischen Lernwerkzeugs zum
Verstehen biologischer Phänomene durch
Einbindung biologischer
Organisationsebenen
Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigte Dissertation
von
Niklas Schneeweiß, M. Ed.
2022
Referent: Prof. Dr. rer. nat. Harald Gropengießer
Koreferent: Prof. Dr. rer. nat. Sascha Schanze
Tag der Promotion: 08.07.2022
I
Zitat
Vermutlich haben Sie plötzlich ungewöhnlich viel
Zeit, da Sie nicht zur Arbeit gehen oder
gewohnten Freizeitbeschäftigungen nachgehen
können.
[…]
Überlegen Sie, wie Sie die Zeit füllen können.
Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe:
Tipps bei häuslicher Quarantäne
Kurze Zusammenfassung
II
Kurze Zusammenfassung
Ein zentrales Ziel des Biologieunterrichts sollte es sein, Lernende dazu zu befähigen, die
(biologische) Welt erklären zu können. Biologische Phänomene sind jedoch hoch komplex, da
sie zumeist durch miteinander vernetzte Prozesse erklärt werden müssen, welche sich häufig
über mehrere der biologischen Organisationsebenen hinweg erstrecken. Aus einer
Vermittlungsperspektive kommt erschwerend hinzu, dass sich ein Großteil der
Organisationsebenen (zum Beispiel die Ebene der Moleküle und Zellen) unserer direkten
Wahrnehmung entziehen.
So zeigt sich in vielen Studien, dass Lernende bei der Erklärung komplexer biologischer
Phänomene Schwierigkeiten haben, die mit einem fehlenden Verständnis der
Organisationsebenen zusammenhängen.
Daher werden Lernstrategien und Methoden vorgeschlagen, die die Organisationsebenen im
Unterricht einbinden. Beispiele sind hierfür das Jo-Jo-Lernen und das Verfolgen von Atomen.
Dennoch müssen Lernende explizit dazu angeregt werden, die Organisationebenen zu
vernetzen und zu reflektieren.
Bisher gab es noch kein grafisches Lernwerkzeug, welches Lernende zur Reflexion und
Vernetzung der Organisationsebenen anleitet. Daher wurde in der vorliegenden Dissertation
ein neues grafisches Lernwerkzeug entwickelt und evaluiert.
Zunächst wurde anhand einer systematischen Literaturanalyse das Konzept der
Organisationebenen untersucht (PUBLIKATION 2). Darauf aufbauend wurde die Zoom Map als
neues Lernwerkzeug entwickelt (PUBLIKATION 3). Zur Evaluation wurden
Vermittlungsversuche mit dreizehn Schüler*innen durchgeführt und aufgezeichnet. Die
Transkripte der Vermittlungsversuche dienten zusammen mit den von den Lernenden
erstellten Zoom Maps als Daten für die qualitativ-inhaltsanalytische Auswertung
(PUBLIKATION 4 und 5).
Im Rahmen der Literaturanalyse in PUBLIKATION 2 konnten wir herausarbeiten, dass
Autor*innen je nach Fachgebiet unterschiedliche Organisationsebenen nennen. Auf Basis der
analysierten Literatur wurde zudem ein System der Organisationsebenen für die Vermittlung
aufgestellt.
In PUBLIKATION 3 wurde die Zoom Map als neues grafisches Lernwerkzeug vorgestellt. Dieser
vereint die Vorteile von Concept Maps mit der expliziten Darstellung von
Organisationsebenen durch die Metapher des Zoomens.
Die Evaluation der Zoom Map in PUBLIKATION 4 und PUBLIKATION 5 zeigte, dass das
Lernwerkzeug Zoom Map Lernende unterstützen kann und sie dazu anleitet, in ihren
Erklärungen Organisationsebenen zu berücksichtigen.
Insbesondere zeigte sich, dass Lernende nach der Vermittlung mit der Zoom Map in ihren
Erklärungen mehr Organisationsebenen ansprechen. Zusätzlich wechselten sie in ihren
Erklärungen nach der Vermittlung die Ebenen nach oben oder unten, während sie zu Beginn
häufig nur auf einer Ebene erklären.
Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse wurden darüber hinaus zwei
unterrichtspraktische Artikel veröffentlicht. Dabei wird in PUBLIKATION 1 der Einsatz von
Concept Mapping unter dem Einsatz von CmapTools vorgestellt. Eine unterrichtliche
Einbettung der Zoom Map wird zudem in PUBLIKATION 6 dargelegt.
Schlagworte: Biologieunterricht, Erklärungen, Organisationsebenen, Lernwerkzeuge, Concept Maps
Abstract
III
Abstract
Enable learners to explain the (biological) world is one major goal of biology education.
However, biological phenomena are highly complex, as they usually have to be explained by
interconnected processes that often span several of the biological levels of organization. From
the teaching perspective, this is further complicated by the fact that many of the levels of
organization (for example, the level of molecules and cells) are beyond our direct perception.
Thus, it is evident across many studies that explaining complex biological phenomena is
difficult for learners due to a lack of understanding of the levels of organization.
Therefore, learning strategies and methods that incorporate levels of organization in the
classroom are proposed. Examples include yo-yo learning and tracing atoms. Nevertheless,
learners need to be explicitly encouraged to connect and reflect on the levels of organization.
To date, there has been no graphic organizer that guides learners to reflect on and connect
levels of organization. Therefore, this dissertation developed and evaluated a new graphic
organizer.
First, a systematic literature review was used to examine the concept of organizational levels
(PUBLICATION 2). Based on this, the Zoom Map was developed as a new learning tool
(PUBLICATION 3). For evaluation purposes, teaching experiments were conducted and audio
recorded. The transcripts of the teaching experiments, together with the Zoom Maps created
by the learners, served as data for the qualitative content analysis evaluation (PUBLICATION 4
and 5).
Within the framework of the literature analysis in PUBLICATION 2, we found that authors
mention different levels of organization depending on the subject area. Based on the analyzed
literature, we also established a system of organizational levels for teaching.
In PUBLICATION 3, the Zoom Map was introduced as a new graphic organizer. It combines the
advantages of concept maps with the explicit representation of organizational levels through
the metaphor of zooming.
Evaluation of the Zoom Map in PUBLICATION 4 and PUBLICATION 5 showed that the Zoom
Map can support learners and guide them to consider levels of organization in their
explanations.
Specifically, it showed that learners addressed more levels of organization in their
explanations after being taught with the Zoom Map. In addition, they switched levels up or
down in their explanations after teaching, whereas they often explained at only one level at
the beginning.
Based on the findings, two instructional practice articles were also published. Thereby,
PUBLICATION 1 presents the use of concept mapping under the use of CmapTools. A teaching
embedding of the Zoom Map is also presented in PUBLICATION 6.
Keywords: biology education, explanations, levels of organisation, graphic organizer, concept maps
Danksagung
IV
Danksagung
An dieser Stelle möchte ich mich bei einigen Personen bedanken, die mich in den letzten
Jahren unterstützt und somit auf die eine oder andere Art zum Gelingen dieser Arbeit
beigetragen haben.
Zuerst möchte ich meinem Doktorvater Prof. Harald Gropengießer danken. Sein Zuspruch
nach meiner Masterarbeit hat mich motiviert, mich im Anschluss an meinen Abschluss auf
eine Promotionsstelle zu bewerben. Ich erinnere mich gerne an die gemeinsamen
Diskussionen mit Theresa - egal ob im Büro, bei Haselnüssen und Blick auf die Weser oder
telefonisch.
Danke an meinen Zweitbetreuer Prof. Sascha Schanze, dem ich meine erste Stelle als
wissenschaftliche Hilfskraft verdanke. Durch den Einblick in den Alltag am Institut wurde
mein Interesse an naturwissenschaftsdidaktischer Forschung geweckt. Für die Unterstützung
bei der Promotion sowie die Zusammenarbeit in und an anderen (Digitalisierungs-) Projekten
bin ich dankbar.
Mein Dank gilt auch allen Mitgliedern des Instituts für Didaktik der Naturwissenschaften
und insbesondere dem Nachwuchsnetzwerk. Die intensiven und kritisch-konstruktiven
Diskussionen über unsere Projekte haben mich auf vielen Ebenen weitergebracht. Vor allem
habe ich aber die kleinen Gespräche in der Mensa, Pausen in der Sonne und die
Feierabendbeschäftigungen genossen. Hier muss ich vor allem Barnd und Frank hervorheben.
Ohne die beiden wäre die Arbeit schneller fertig geworden!
Ich danke allen Schüler*innen, die sich nach ihrem Unterricht für mich und mein Projekt Zeit
genommen haben. Ohne ihre Bereitschaft wäre mein Projekt nicht möglich gewesen. Dabei
haben auch diejenigen Lehrkräfte unterstützt, die in ihrem Unterricht für das Projekt
geworben haben.
Zuletzt danke ich meiner Familie, meinen Freunden und Maren für ihre Unterstützung und
Verständnis, wenn ich mal wieder früher gegangen oder später gekommen bin, weil ich noch
etwas schreiben musste.
5
ZITAT I
KURZE ZUSAMMENFASSUNG ...................................................................................................................................... II
ABSTRACT ............................................................................................................................................................. III
DANKSAGUNG ....................................................................................................................................................... IV
ABBILDUNGSVERZEICHNIS ......................................................................................................................................... 7
TABELLENVERZEICHNIS .............................................................................................................................................. 8
VERZEICHNIS DER BOXEN .......................................................................................................................................... 9
1. EINLEITUNG .............................................................................................................................................. 10
2. STAND DER FORSCHUNG .......................................................................................................................... 13
2.1 PERSPEKTIVE DER LERNENDEN ..................................................................................................................... 14
2.2 FACHLICHE PERSPEKTIVE ............................................................................................................................ 17
2.3 FACHDIDAKTISCHE PERSPEKTIVE .................................................................................................................. 21
2.4 ZUSAMMENFASSUNG DES STANDS DER FORSCHUNG ........................................................................................ 25
3. THEORETISCHER HINTERGRUND ............................................................................................................... 26
4. FRAGESTELLUNGEN .................................................................................................................................. 28
4.1 FORSCHUNGSFRAGEN ................................................................................................................................ 28
4.2 FRAGESTELLUNGEN DER PUBLIKATIONEN UND EINORDUNG IN DAS DISSERTATIONSVORHABEN ................................. 29
5. METHODEN .............................................................................................................................................. 32
5.1 STUDIENDESIGN UND STICHPROBE ............................................................................................................... 32
5.2 DATENERHEBUNG ..................................................................................................................................... 32
5.3 DATENAUSWERTUNG ................................................................................................................................ 34
6. ERGEBNISSE UND DISKUSSION ................................................................................................................. 35
6.1 PUBLIKATION 1: CONCEPT MAPPING MIT CMAPTOOLS .................................................................................... 35
6.2 PUBLIKATION 2: LITERATURANALYSE ZU DEN ORGANISATIONSEBENEN ................................................................ 35
6.3 PUBLIKATION 3: ENTWICKLUNG DER ZOOM MAP ........................................................................................... 38
6.4 PUBLIKATION 4: EVALUATION DER ZOOM MAP IN VERMITTLUNGSVERSUCHEN ..................................................... 39
6.5 PUBLIKATION 5: BIOLOGISCHE KOMPLEXITÄT UND DIE ZOOM MAP .................................................................... 41
6.6 PUBLIKATION 6: PRAXISARTIKEL ZUM EINSATZ DER ZOOM MAP ......................................................................... 42
7. FAZIT ........................................................................................................................................................ 43
7.1 AUSGANGSLAGE ....................................................................................................................................... 43
7.2 EINORDNUNG DES DISSERTATIONSVORHABENS ............................................................................................... 43
7.3 BEITRÄGE DER PUBLIKATIONEN ZUM DISSERTATIONSVORHABEN ........................................................................ 44
7.4 EINORDNUNG ZENTRALER ERGEBNISSE DER PUBLIKATIONEN ............................................................................. 44
8. IMPLIKATIONEN UND AUSBLICK ............................................................................................................... 47
8.1 PERSPEKTIVE DER FORSCHUNG .................................................................................................................... 47
8.2 PERSPEKTIVE DES BIOLOGIEUNTERRICHTS ...................................................................................................... 49
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
6
9. LITERATURVERZEICHNIS ........................................................................................................................... 54
10. ANHANG ................................................................................................................................................. 66
10.1 PUBLIKATION 1: CONCEPT MAPPING MIT CMAPTOOLS .................................................................................... 67
10.2 PUBLIKATION 2: LITERATURANALYSE ZU DEN ORGANISATIONSEBENEN ................................................................ 77
10.3 PUBLIKATION 3: ENTWICKLUNG DER ZOOM MAP ......................................................................................... 100
10.4 PUBLIKATION 4: EVALUATION DER ZOOM MAP IN VERMITTLUNGSVERSUCHEN ................................................... 112
10.5 PUBLIKATION 5: DIE ZOOM MAP UND KOMPLEXITÄT .................................................................................... 134
10.6 PUBLIKATION 6: PRAXISARTIKEL ZUM EINSATZ DER ZOOM MAP ....................................................................... 157
10.7 LEBENSLAUF UND PUBLIKATIONSLISTE ........................................................................................................ 180
Verzeichnisse
7
Abbildungsverzeichnis
ABBILDUNG 1: BIOLOGISCHE ORGANISATIONSEBENEN IM EINFÜHRUNGSKAPITEL EINE LEHRBUCHS (CAMPBELL ET AL., 2008, P. 6F).
ABGEBILDET WERDEN DIE ORGANISATIONSEBENEN BIOSPHÄRE, ÖKOSYSTEM, LEBENSGEMEINSCHAFT, POPULATION,
INDIVIDUUM, ORGANE UND ORGANSYSTEME, GEWEBE, ZELLEN, ORGANELLEN UND MOLEKÜL (VON LINKS OBEN NACH RECHTS
UNTEN). .......................................................................................................................................................... 18
ABBILDUNG 2: ABSTRAKTE, HIERARCHISCHE DARSTELLUNGEN DER ORGANISATIONSEBENEN. LINKS: ODUM AND BARRET (2005, P. 1),
RECHTS: ROWE (1961, P. 422) ........................................................................................................................... 18
ABBILDUNG 3: VERGLEICH VON EBENEN IN VERSCHIEDENEN WISSENSCHAFTLICHEN DISZIPLINEN ............................................... 20
ABBILDUNG 4: ADVANCE ORGANIZER FÜR MOLEKULARE MECHANISTISCHE ERKLÄRUNGEN AUF VERSCHIEDENEN
ORGANISATIONSEBENEN (VAN MIL ET AL., 2016, P. 524) ........................................................................................ 23
ABBILDUNG 5: SELBSTREFERENTIELLE CONCEPT MAP ÜBER CONCEPT MAPS ......................................................................... 24
ABBILDUNG 6: ERKLÄRUNGSKONSTRUKTION DURCH INTERAKTION (PFEILE) MIT DEN DREI INSTANZEN REFERENZOBJEKT, PERSONEN
UND DEM KOGNITIVEN SYSTEM ............................................................................................................................ 26
ABBILDUNG 7: BEITRÄGE DER PUBLIKATIONEN 1 - 6 ZUR FORSCHUNGSFRAGE ....................................................................... 28
ABBILDUNG 8: FLUSSSCHEMA DER RECHERCHE- UND AUSWAHLPROZESSE (SCHNEEWEIß & GROPENGIEßER, 2019, P. 3) .............. 32
ABBILDUNG 9: DAS STUDIENDESIGN VON PUBLIKATION 3 - 5 ENTSPRICHT DEM EINES VERMITTLUNGSVERSUCHS .......................... 33
ABBILDUNG 10: VORGEHEN ZUR DATENANALYSE ANHAND DER QUALITATIVEN INHALTSANALYSE NACH (KUCKARTZ, 2010),EIGENE
DARSTELLUNG BASIEREND AUF BORN (2007, P. 137) .............................................................................................. 34
ABBILDUNG 11: SYSTEM VON NACH BEZIEHUNGEN GEORDNETEN ORGANISATIONSEBENEN FÜR BILDUNGSZWECKE AUF DER
GRUNDLAGE VON MACMAHON ET AL. (1978). DAS SYSTEM MACHT DIE BEZIEHUNGEN ZWISCHEN DEN EBENEN EXPLIZIT UND
BEINHALTET DIE IDEE DES HERANZOOMENS. DURCH DIE UNTERSCHEIDUNG DER BEZIEHUNGEN WIRD DEUTLICH, WELCHE
EBENEN FÜR WELCHES PHÄNOMEN GEEIGNET SIND (SCHNEEWEIß & GROPENGIEßER, 2019, P. 14). ................................ 37
ABBILDUNG 12: ALLGEMEINE DARSTELLUNG DES FUNKTIONSPRINZIPS EINER ZOOM MAP. DARGESTELLT WERDEN ZWEI EBENEN,
EBENE N UND DIE DARUNTER LIEGENDE EBENE N-1 (SCHNEEWEIß & GROPENGIEßER, 2021, P. 6). ................................... 38
ABBILDUNG 13: ANZAHL DER LERNENDEN, DIE DIE JEWEILIGE EBENE IN IHRE ANFANGSERKLÄRUNG (E1) ODER DER FINALEN
ERKLÄRUNG (E2) NUTZTEN ................................................................................................................................. 40
ABBILDUNG 14: DER EBENENWECHSEL KANN IN DER ZOOM MAP PRINZIPIELL AUF VERSCHIEDENE ARTEN DARGESTELLT WERDEN. ROTE
PFEILE STELLEN MÖGLICHE HORIZONTALE UND VERTIKALE VERNETZUNGEN DAR. ............................................................ 41
Verzeichnisse
8
Tabellenverzeichnis
TABELLE 1: FACHDIDAKTISCHE ERKENNTNISSE ZU SCHWIERIGKEITEN VON SCHÜLER*INNEN IM UMGANG MIT ORGANISATIONSEBENEN;
ERGÄNZT NACH JÖRDENS ET AL. (2016) ................................................................................................................ 14
TABELLE 2: KRITERIEN ZUR FÖRDERUNG DER SYSTEMKOMPETENZ NACH VERHOEFF ET AL. (2008) UND JÖRDENS ET AL. (2016, P.
961), MIT EIGENEN ERLÄUTERUNGEN ................................................................................................................... 21
TABELLE 3: ÜBERSICHT ÜBER DIE FRAGESTELLUNGEN UND ZIELE DER PUBLIKATIONEN 1 - 6 ..... FEHLER! TEXTMARKE NICHT DEFINIERT.
TABELLE 4: EBENENWECHSEL IN DEN ERKLÄRUNGEN DER LERNENDEN OHNE ZOOM MAP (E1) UND NACH VERMITTLUNG UNTER
EINSATZ DER ZOOM MAP (E2), (O: ONE LEVEL ONLY, D: DOWNWARDS, U: UPWARDS, D-U: DOWNWARDS-UPWARDS, U-D:
UPWARDS-DOWNWARDS). ................................................................................................................................. 42
TABELLE 5: EXEMPLARISCHE UNTERRICHTSEINHEIT ........................................................................................................... 51
TABELLE 6: VERLAUFSPLAN DER ERSTEN DOPPELSTUNDE (IMPULSE DER LEHRKRAFT SIND UNTERSTRICHEN, ANTIZIPIERTE ANTWORTEN
DER LERNENDEN SIND KURSIV.) ............................................................................................................................ 52
Verzeichnisse
9
Verzeichnis der Boxen
BOX 1: ANGABEN ZU DEN ZUGRUNDELIEGENDEN PUBLIKATIONEN ....................................................................................... 11
BOX 2: ZUSAMMENFASSUNG DER ZENTRALEN ERKENNTNISSE DER LITERATUR ........................................................................ 25
BOX 3: ZUSAMMENFASSUNG OFFENER FORSCHUNGSFRAGEN ............................................................................................. 25
BOX 4: ÜBERSICHT ÜBER DIE FRAGESTELLUNGEN DER PUBLIKATIONEN 1-6 ........................................................................... 31
BOX 5: ANGABEN ZU DEN ZUGRUNDELIEGENDEN PUBLIKATIONEN ....................................................................................... 66
BOX 6: LITERATURANGABEN VON PUBLIKATION 1 – CONCEPT MAPPING .............................................................................. 67
BOX 7: LITERATURANGABEN VON PUBLIKATION 2 - LITERATURANALYSE ................................................................................ 77
BOX 8: LITERATURANGABEN VON PUBLIKATION 3 – ENTWICKLUNG DER ZOOM MAP ............................................................ 100
BOX 9: LITERATURANGABEN VON PUBLIKATION 4 – EVALUATION DER ZOOM MAP ............................................................... 112
BOX 10: LITERATURANGABEN VON PUBLIKATION 5 – KOMPLEXITÄT .................................................................................. 134
BOX 11: LITERATURANGABEN VON PUBLIKATION 6 - PRAXISARTIKEL .................................................................................. 157
BOX 12: ANGABEN ZUR PERSON ................................................................................................................................. 180
BOX 13: BILDUNGSGANG .......................................................................................................................................... 180
BOX 14: BERUFLICHER WERDEGANG ........................................................................................................................... 180
BOX 15: ARTIKEL MIT PEER REVIEW ............................................................................................................................ 181
BOX 16: BUCHKAPITEL UND ANDERE PUBLIKATIONEN ..................................................................................................... 181
BOX 17: KONFERENZBEITRÄGE ................................................................................................................................... 182
10
„Die meisten Probleme, mit denen die Menschheit konfrontiert ist, haben mit unserer Unfähigkeit zu
tun, die immer komplexeren Systeme unserer Welt zu verstehen und zu steuern.“
Senge (1990, p. 14, übersetzt)
Die Menschheit steht vor einer Reihe komplexer Probleme, sei es die Klimakrise oder das
Artensterben. Diese Probleme sind deshalb schwierig zu verstehen, da sie durch ein
kompliziertes Netz aus Wechselwirkungen innerhalb verschachtelter Systeme entstehen (Dor-
Haim & Assaraf, 2022).
Einen großen Anteil an der Komplexität der biologischen Systeme haben die zahlreichen
Organisationsebenen, da biologische Systeme aus zahlreichen Subsystemen bestehen und auf
unterschiedlichen Organisationsebenen betrachtet werden können (Housh et al., 2022;
Mitchell, 2012).
„In biologischen Systemen liegen [daher] die Erklärungen oder Mechanismen eines
Phänomens häufig auf einer anderen Ebene“ (Parker et al., 2012, pp. 12, übersetzt). Biologische
Phänomene wie das Artensterben können deshalb selten auf eine Organisationsebene
reduziert werden (Langlet, 2016) und kausale Erklärungen umfassen mindestens zwei
Organisationsebenen (Wimsatt, 2006).
Wissenschaftler*innen fällt es leicht, komplexe biologische Phänomene unter Bezug auf die
richtigen Organisationsebenen zu erklären, Lernende haben damit jedoch Schwierigkeiten
(z.B. Brown & Schwartz, 2009; Düsing et al., 2018; Jördens et al., 2016; Knippels, 2002; Wilensky
& Resnick, 1999). Als Reaktion auf die Schwierigkeiten der Lernenden werden Lernstrategien
wie zum Beispiel Jo-Jo-Lernen oder das Verfolgen von Atomen vorgeschlagen (Düsing et al.,
2019; Jördens et al., 2016; Knippels et al., 2005). Den Lernstrategien ist gemein, dass
Organisationsebenen im Unterricht berücksichtigt werden sollten (Jördens et al., 2016;
Knippels et al., 2005) und Lernende Organisationsebenen sowohl vertikal als auch horizontal
vernetzen sollten (Hammann, 2019; Verhoeff, 2003). In der Praxis müssen Lernende dennoch
angeregt werden, sich explizit mit den Organisationsebenen auseinanderzusetzen
(Hammann, 2019).
Bisher gibt es jedoch noch kein Lernwerkzeug, mit dem Lernende explizit angeregt werden
können, Organisationsebenen zu berücksichtigen. Ziel der Arbeit ist es somit, ein
Lernwerkzeug zu entwickeln und zu evaluieren, welches es ermöglicht, im Unterricht
Organisationsebenen explizit einzubinden.
Um dieses Ziel zu erreichen, führten wir eine systematische Literaturanalyse zum Konzept
der Organisationsebenen durch. Auf Basis der Ergebnisse erfolgte mit der Entwicklung eines
neuen Lernwerkzeug, der Zoom Map, der zentrale Schritt der Arbeit. Die Zoom Map ist ein
neuartiges grafisches Lernwerkzeug, der Aspekte des Concept Mappings aufgreift und dabei
Zoomen als Darstellungsform von Organisationsebenen einbindet. Zur Evaluation der Zoom
Map setzten wir sie in Vermittlungsversuchen ein.
1.
1. Einleitung
1. Einleitung
11
Das Dissertationsvorhaben wurde bereits in sechs Publikationen veröffentlicht. Die
vorliegende Arbeit ist eine Zusammenfassung und Rahmung der zugrundeliegenden
Publikationen. Die Publikationen werden in Kapitel 10 abgedruckt. Eine Übersicht zu den
Arbeiten bietet Box 1.
Box 1: Angaben zu den zugrundeliegenden Publikationen
Publikation 1
(Kapitel 10.1)
Schneeweiß, N. & Schanze, S. (2020). Wissen organisieren und
visualisieren – Erstellung von Concept Maps mit CmapTools.
Unterricht Chemie. (177/178). 92-95.
Zeitschrift mit HerausgeberInnen-Review.
Publikation 2
(Kapitel 10.2)
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2019). Organising Levels of
Organisation for Biology Education: A Systematic Review of
Literature. Education Sciences. 9(3). 207.
Zeitschrift mit Blind-Peer-Review.
Publikation 3
(Kapitel 10.3)
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2021). The Zoom Map: A New
Graphic Organizer to Guide Students' Explanations Across the
Levels of Biological Organization. Bioscene. 47(1). 3-14.
Zeitschrift mit Peer-Review.
Publikation 4
(Kapitel 10.4)
Schneeweiß, N., Mölgen, L. & Gropengießer, H. (2022). Guiding
students’ explanations across the levels of biological organisation:
The case of wilted plants. Journal of Biological Education.
Zeitschrift mit Blind-Peer-Review.
Publikation 5
(Kapitel 10.5)
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2022). The Zoom Map:
Explaining Complex Biological Phenomena by Drawing
Connections between and in Levels of Organization. In: Assaraff,
O. B. Z. & Knippels, M. C. (Hrsg.). Fostering Understanding
of Complex Systems in Biology Education. Cham: Springer
Verlag. 123-149.
Eingeladenes Buchkapitel. Referierter Sammelband.
Publikation 6
(Kapitel 10.6)
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2022). Komplexe biologische
Phänomene durch Zoomen und Jo-Jo-Lernen auf allen Ebenen
erklären. BU-Praktisch. 5(2). 1
Zeitschrift mit HerausgeberInnen-Review.
In Kapitel 2 (Stand der Forschung) werden zunächst die forschungsrelevanten Grundlagen
zusammengefasst. Dabei wird zunächst erläutert, welche Lernschwierigkeiten von Lernenden
im Zusammenhang mit biologischer Komplexität bestehen. Daran anknüpfend wird
dargestellt, worin die Komplexität der Biologie besteht und welche zentralen fachdidaktischen
Erkenntnisse zum Umgang mit den Schwierigkeiten der Lernenden bekannt sind. Da
1. Einleitung
12
Erkenntnisse aus dem Stand der Forschung in der unterrichtspraktischen PUBLIKATION 1
mündeten, werden die Ergebnisse bereits im Rahmen des Stands der Forschung (Kapitel 2)
vorgestellt. Der dieser Arbeit zugrundeliegende Theorierahmen wird in Kapitel 3 erläutert.
In Kapitel 4 werden die anhand des Stands der Forschung hergeleiteten zentralen
Fragestellungen vorgestellt und die Beiträge der PUBLIKATIONEN 2 bis 5 zu den
Fragestellungen erläutert. Kapitel 5 gibt eine Übersicht über die in dieser Arbeit verwendeten
Methoden.
Den Hauptteil dieser Arbeit bilden die Darstellung und Diskussion der zentralen Ergebnisse
der vier Publikationen in Kapitel 6. Mit einem Fazit in Kapitel 7 sowie einem Ausblick für
Biologieunterricht und Forschung (Kapitel 8) schließt die Arbeit. In diesem Rahmen werden
auch wesentliche Inhalte des Praxisartikels PUBLIKATION 6 vorgestellt.
13
„Wenn ich weitergesehen habe als andere, so deshalb,
weil ich auf den Schultern von Riesen stehe.“
Dieser fälschlicherweise Newton zugeordnete antike Leitspruch (Merton, 1989) prägt das
Selbstverständnis von Wissenschaft und findet sich in den Titeln vieler Veröffentlichungen
wieder (z.B. Gaidos et al., 2013; White et al., 2020). Doch auch für die vorliegende Arbeit gilt,
dass sie an zahlreiche Ergebnisse vorangegangener Studien anknüpft.
Ziel der Arbeit ist es, ein Lernwerkzeug zu entwickeln und zu evaluieren, das es ermöglicht,
im Unterricht Organisationsebenen explizit einzubinden. Daher wird der Stand der Forschung
aus drei Perspektiven in den Blick genommen:
• Aus der Perspektive der Lernenden wird beleuchtet, welche
Anknüpfungsmöglichkeiten und Lernschwierigkeiten vorliegen. Bei der
Vorbereitung und Planung von Unterricht sollte prinzipiell die Perspektive der
Lernenden berücksichtig werden (Ausubel, 1968; Kattmann et al., 1997).
• Aus der Perspektive der Fachwissenschaft wird untersucht, welche
Charakteristika die Biologie und biologische Erklärungen komplex machen.
• Aus der Perspektive der Fachdidaktik werden Erkenntnisse zu Lernmethoden
und -strategien zusammengefasst, die sich für die Unterstützung bei
komplexen Phänomenen bewährt haben.
Um nachvollziehbarer zu machen, welche Forschungslücken dieser Arbeit zugrunde liegen,
werden offene Fragen mit einem Symbol ( ) markiert.
Der Stand der Forschung sowie die offenen Fragen werden am Ende des Kapitels
zusammengefasst.
2.
2. Stand der Forschung
2. Stand der Forschung
14
2.1 Perspektive der Lernenden
2.1.1 Lernende haben Schwierigkeiten komplexe biologische Phänomene zu erklären
Lernende stellt die Komplexität biologischer Phänomene und insbesondere die
Berücksichtigung der Organisationsebenen vor Herausforderungen (Schönborn & Bögeholz,
2013). Erkenntnisse zu Verständnisschwierigkeiten im Zusammenhang mit Ebenen gibt es aus
Studien zu verschiedensten Themenbereichen (Kapitel 2.1.2). In der Tabelle 1 werden zu fünf
großen Themenbereichen der Biologie Veröffentlichungen zusammengefasst, die
Verständnisschwierigkeiten im Zusammenhang mit Ebenen beschreiben.
Tabelle 1: Fachdidaktische Erkenntnisse zu Schwierigkeiten von Schüler*innen im Umgang mit
Organisationsebenen; ergänzt nach Jördens et al. (2016)
Thema
Veröffentlichungen
Zellbiologie
(Dreyfus & Jungwirth, 1988, 1989; Flores et al., 2003; Hilge, 1999; Southard et
al., 2017; Ummels et al., 2014; van Mil et al., 2016; Zamorra & Guerra, 1993)
Genetik
(Duncan & Reiser, 2007; Knippels, 2002; Knippels et al., 2005; Marbach-Ad &
Stavy, 2010; Slack & Stewart, 1990; Williams et al., 2012)
Physiologie
(Anderson et al., 1990; Assaraf et al., 2011; Brown & Schwartz, 2009; Lira &
Gardner, 2017; Schwartz & Brown, 2013; Songer & Mintzes, 1994; Stavy et al.,
1987)
Ökologie
(Alparslan et al., 2003; Düsing et al., 2018; Ebert-May et al., 2003; Hilge, 1999;
Liu & Lesniak, 2006; Unger, 2017)
Evolution
(Bishop & Anderson, 1990; Ferrari & Chi, 1998; Shtulman, 2006; Smith &
Good, 1984)
Im Folgenden werden zentrale Ergebnisse der in Tabelle 1 gelisteten Studien dargestellt.
Daran soll verdeutlicht werden, dass es Lernenden Schwierigkeiten bereitet, in ihren
Erklärungen die Organisationsebenen zu berücksichtigen. Anhand dieser Beispiele werden im
darauffolgenden Kapitel Kategorien von Verständnisschwierigkeiten gebildet und erläutert.
2.1.2 Lernende haben in unterschiedlichen Themenbereichen der Biologie Schwierigkeiten
Organisationsebenen zu berücksichtigen
Zellbiologie
Untersuchungen zu zellbiologischen Phänomenen zeigen, dass Lernende Eigenschaften von
makroskopischen Organismen auf Zellen übertragen (Flores et al., 2003). Ein Beispiel ist die
Übertragung der Strukturen und Prozesse der Nahrungsaufnahme von Tieren auf
Mikroorganismen, wie zum Beispiel kleine Lungen in Zellen (Dreyfus & Jungwirth, 1989;
Flores et al., 2003). Darüber hinaus begründen sie die Form von Zellen mit der Form des
Organs, das die Zellen bilden und nicht andersherum (Flores et al., 2003). Ummels et al. (2014)
stellten fest, dass Schüler*innen bei Erklärungen zu Stoffwechselprozessen nicht auf die
Zellebene wechseln.
Genetik
Genetik wird von vielen Schüler*innen als schwieriges Thema empfunden (Bahar et al., 1999;
Johnstone & Mahmoud, 1980). Als eine Ursache dafür werden die vielen genetikspezifischen
Termini angeführt (z.B. Bahar et al., 1999; Hackling & Treagust, 1984; Pearson & Hughes, 1988;
Venville & Treagust, 1998). Als eine andere Ursache gilt, dass Genetik auf verschiedenen
Ebenen erklärt werden muss, von der Ebene der Moleküle, über die Ebene der Zellen bis hin
zur Ebene der Organismen (Treagust & Tsui, 2013). Die Schwierigkeiten zeigen sich
2. Stand der Forschung
15
beispielsweise dadurch, dass Schüler*innen in ihren Erklärungen Gene und Merkmale
verwechseln (Kattmann, 2015; Marbach-Ad & Stavy, 2010; Williams et al., 2012).
Ein weiteres Beispiel ist, dass der genetische Terminus Dominanz von Lernenden statt auf
molekularer Ebene teilweise auf der Ebene von Populationen verwendet wird, um
Merkmalshäufigkeiten zu erklären (Slack & Stewart, 1990; Smith & Good, 1984).
Lewis and Kattmann (2004) schlagen deshalb die strikte Trennung der Ebenen Genotyp und
Phänotyp vor. Die nur in der Genetik gebräuchlichen Ebenen Genotyp und Phänotyp können
den allgemeineren Ebenen der Moleküle und Ebene der Organismen zugeordnet werden.
Physiologie
Der Terminus Mechanismus wird im Kontext der Physiologie von Lernenden häufig der
Ebene der Moleküle zugeordnet (Lira & Gardner, 2017). Zellatmung beim Menschen wird mit
dem Gasaustausch in der Lunge beschrieben (Anderson et al., 1990).
Evolution
Bei Erklärungen von evolutionärer Anpassung verwechseln Schüler*innen die Ebene von
Organismen und Population. So erklären sie den Anpassungsprozess häufig mit
gleichmäßigen Änderungen aller Individuen anstatt mit Variation und veränderten
Häufigkeiten innerhalb der Population (Bishop & Anderson, 1990; Shtulman, 2006).
In einer weiteren Studie wurde von Smith and Good (1984) herausgearbeitet, dass Lernende
die Ebene der Moleküle mit der Ebene der Population verwechseln. In dieser Studie äußerten
die Lernenden, dass ein Gen dann dominant sei, wenn der zugehörige Phänotyp am
häufigsten in der Population auftritt (Smith & Good, 1984).
Ökologie
Ökologische Phänomene zu erklären stellt für viele Schüler*innen eine Herausforderung dar
(Dor-Haim & Assaraf, 2022; Hogan & Fisherkeller, 1996). Die Schwierigkeiten beruhen auf der
Komplexität der Ökosysteme und fehlendem Vorwissen (Grotzer & Bell Basca, 2003; Hmelo-
Silver et al., 2007).
Im Bereich der Ökologie werden fehlende Verknüpfungen zwischen Prozessen auf
molekularer Ebene und makroskopischen Phänomenen beschrieben. Dadurch fällt es
Schüler*innen schwer, die Bedeutung von Photosynthese und Zellatmung für Ökosysteme zu
beschreiben (Brown & Schwartz, 2009; Waheed & Lucas, 1992). Anderen Autor*innen zufolge
fällt es Schüler*innen allgemein schwer zu erkennen, dass vielen verschiedenen
makroskopischen Prozessen die gleichen molekularen Prozesse zugrunde liegen (Alparslan et
al., 2003; Liu & Lesniak, 2006).
Dies zeigt sich auch bei Erklärungen zum Kohlenstoffkreislauf. Schüler*innen fokussieren vor
allem auf die Wechselwirkung von Tieren, bleiben also auf der Ebene von Organismen. Die
molekularen Prozesse Photosynthese und Zellatmung werden entweder ausgeblendet oder
nicht mit der Ebene der Organismen verknüpft (Düsing et al., 2018; Ebert-May et al., 2003;
Hlawatsch et al., 2005; Niebert, 2010).
Ein weiteres Beispiel hierfür ist die bakterielle Zersetzung, die Schüler nur als mechanische
Verkleinerung auf makroskopischer Ebene beschreiben, ohne Stoffumwandlungen auf
molekularer Ebene mit einzubeziehen (Hilge, 1999; Unger, 2017).
2.1.3 Die Verständnisschwierigkeiten der Lernenden lassen sich auf Organisationsebenen
zurückführen
Anhand von fünf Themenbereichen wurden exemplarisch Schwierigkeiten von Lernenden im
Umgang mit biologischen Phänomenen beschrieben. Die beschriebenen
Verständnisschwierigkeiten können dabei in Anlehnung an Jördens et al. (2016)
2. Stand der Forschung
16
verschiedenen Kategorien zugeordnet werden: Das Verwechseln von Ebenen, das Erklären
nur auf einer Ebene, sowie die fehlende Verknüpfung von Ebenen.
Lernende verwechseln Organisationsebenen
Dass Schüler*innen in ihren Erklärungen Ebenen verwechseln („slippage between levels“), ist
laut Wilensky and Resnick (1999, p. 3) eine Ursache für falsches Verständnis
naturwissenschaftlicher Phänomene. Vermischungen treten vor allem dann auf, wenn
Prozesse oder Konzepte unterschiedlichen Ebenen zugeordnet werden können (Bahar et al.,
1999; Halldén, 1990; Knippels et al., 2005; Penner, 2000) .
Lernende erklären nur auf einer Ebene
Jördens et al. (2016) beschreiben Lernende, die ein Phänomen teilweise nur auf einer
Organisationsebene erklären, ohne die dafür nötigen anderen Ebenen mit einzubeziehen.
Lernende konzentrieren sich dabei häufig auf sichtbare Strukturen (Gellert, 1962; Hmelo et al.,
2000; Hmelo-Silver et al., 2007; Mintzes et al., 1991).
So bleiben beispielsweise viele Lernende bei Erklärungen des Kohlenstoffkreislaufs auf der
Ebene der Organismen (Düsing et al., 2018; Ebert-May et al., 2003).
Die Präferenz für Erklärungen auf nur einer Ebene kann auch damit erklärt werden, dass
Lernende Erklärungen mit einfachen Kausalitäten oder zentraler Steuerung bevorzugen
(Resnick & Wilensky, 1998).
Lernende verknüpfen Ebenen nicht
Verhoeff (2003) prägt zum Umgang mit Ebenen die Termini horizontale und vertikale
Vernetzung. Horizontale Vernetzung ist dabei die Verknüpfungen zwischen Konzepten
derselben Ebene. Ein Beispiel für horizontale Vernetzung ist die Verknüpfung von Licht- und
Dunkelreaktion der Photosynthese, die beide der Ebene der Zellorganellen zugeordnet
werden können. Vertikale Vernetzung ist nach Verhoeff (2003) die Verknüpfung von
Konzepten, die unterschiedlichen Ebenen zugeordnet werden können.
Im Themenfeld Kohlenstoffkreislauf fällt es Schüler*innen beispielsweise häufig schwer, die
Ebene von Molekülen mit denen von Organismus und Biosphäre zu verknüpfen (Düsing et
al., 2018).
Verhoeff et al. (2008) selbst erläutern die Vernetzung am Beispiel Zelle. Aufgrund der
Bedeutung von Zellen für ein Verständnis multizellulärer Organismen lernen Schüler*innen
viele Strukturen und Prozesse auf zellulärer Ebene. Diese Prozesse und Strukturen werden
jedoch nicht mit darüberliegenden Ebenen, zum Beispiel der Ebene des Organismus,
verknüpft. Dadurch, so die Autoren, verstehen Schüler*innen die Zelle häufig nicht als
kleinste Einheit eines Organismus (Dreyfus & Jungwirth, 1989; Flores et al., 2003).
Auch Liu and Lesniak (2006) berichten, dass Lernende Schwierigkeiten bei der Verknüpfung
makroskopischer Beobachtungen und mikroskopischen Ursachen haben.
2. Stand der Forschung
17
2.2 Fachliche Perspektive
2.2.1 Die Biologie erklärt komplexe Phänomene
Im vorangegangenen Kapitel konnte herausgearbeitet werden, dass Lernenden die Erklärung
biologischer Phänomene Schwierigkeiten bereitet. Daher soll in diesem Abschnitt der Frage
nachgegangen werden, was die Biologie so komplex macht.
Die Diskussion über Komplexität hat in der Biologie eine lange Tradition. Mit dem
Aufkommen der klassischen Physik im 17. Jahrhundert wurden natürliche (und biologische)
Phänomene in einem mechanistischen Rahmen beschrieben: Naturphänomene können erklärt
werden, indem man ihre Teile beschreibt (De Klerk, 1979). Diese Idee, lebende Organismen
als Maschinen zu betrachten, wurde von den Vitalisten negiert. Für Vitalisten war das Leben
komplexer. Sie proklamierten eine vitale Kraft, die den Organismus beherrscht (De Klerk,
1979). Bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts war der mechanistische Reduktionismus das
vorherrschende Paradigma in der Biologie. Doch die biochemische Revolution entfachte eine
neue Diskussion über Komplexität (Grene, 1987). Auf der Grundlage dieser Debatte schlugen
Autoren wie Egler (1942) und Novikoff (1945) eine Hierarchie der Ebenen in der Biologie vor.
Die neue Position der integrativen Ebenen war weder mit dem mechanistischen, noch mit dem
vitalistischen Weltbild vereinbar:
"Das Konzept der integrativen Ebenen erkennt sowohl die Isolierung von Teilen eines Ganzen
als auch ihre Integration in die Struktur des Ganzen als gleichermaßen wesentlich für den
Zweck der wissenschaftlichen Analyse an. Es reduziert weder die Phänomene einer höheren
Ebene auf die einer niedrigeren, wie im Mechanismus, noch beschreibt es die höhere Ebene in
vagen, nicht-materiellen Begriffen, die nur ein Ersatz für das Verständnis sind, wie im
Vitalismus." (Novikoff, 1945, p. 209). Stark beeinflusst von der allgemeinen Systemtheorie
(von Bertalanffy, 1950) betrachtete das neue Paradigma des Integrationismus die Objekte und
Phänomene in der Biologie als ein System aus Systemen (De Klerk, 1979).
Heute ist es allgemein anerkannt, dass "Komplexität in der Biologie endemisch ist" (Mitchell,
2012, p. xiii), weil das Leben selbst "durch [...] mehrstufige [...] Systeme konstituiert ist."
Kurz gesagt, die Antwort auf die Frage "Was macht biologische Phänomene komplex?" könnte
lauten: Es sind die biologischen Systeme, die die Biologie komplex machen.
Diese Einsicht verschiebt die Frage zu: "Was macht biologische Systeme komplex?"
Ein System kann als komplex bezeichnet werden (Dauer & Dauer, 2016; Eilam, 2012; Mitchell,
2012), wenn es:
- offen ist
- in mehrere Organisationsebenen gegliedert ist
- viele Entitäten hat
- eine Interaktion zwischen den Entitäten innerhalb und zwischen den Organisationsebenen
aufweist
- durch das Verhalten der Entitäten beeinflusst wird
- emergente Eigenschaften hat.
2.2.2 Organisationsebenen machen biologische Phänomene komplex
Einen großen Anteil an der Komplexität der biologischen Systeme haben die zahlreichen
Organisationsebenen, da komplexe Systeme aus zahlreichen Subsystemen auf
unterschiedlichen Organisationsebenen bestehen (Housh et al., 2022). Das Konzept der
Organisationsebenen soll anhand von Abbildung 1 kurz eingeführt werden. Biologische
Phänomene konstituieren sich auf den unterschiedlichsten Organisationsebenen. In dem
Lehrbuch von Campbell et al. (2008) werden die Organisationsebenen von der Biosphäre bis
zum Molekül bildlich dargestellt (Abbildung 1).
2. Stand der Forschung
18
Abbildung 1: Biologische Organisationsebenen im Einführungskapitel eine Lehrbuchs (Campbell et al.,
2008, p. 6f). Abgebildet werden die Organisationsebenen Biosphäre, Ökosystem, Lebensgemeinschaft,
Population, Individuum, Organe und Organsysteme, Gewebe, Zellen, Organellen und Molekül (von
links oben nach rechts unten).
Die Organisationsebenen werden teilweise auch abstrakt hierarchisch dargestellt (Abbildung
2).
Abbildung 2: Abstrakte, hierarchische Darstellungen der Organisationsebenen. Links: Odum and Barret
(2005, p. 1), rechts: Rowe (1961, p. 422)
2. Stand der Forschung
19
Die in Abbildung 1 und Abbildung 2 abgebildeten Darstellungen der Organisationsebenen
benennen unterschiedliche Organisationsebenen.
Campbell et al.: Biosphäre, Ökosystem, Lebensgemeinschaft, Population, Individuum, Organe
und Organsysteme, Gewebe, Zellen, Organellen und Molekül
Odum & Barret: Ökosphäre, Biom, Landschaft, Ökosystem, Lebensgemeinschaft, Population,
Organismus, Organsystem, Organ, Gewebe, Zelle
Rowe: Universum, Ökosphäre, Regionales Ökosystem, lokales Ökosystem,
Organismus, Organ und Zelle
Teilweise werden Ebenen nach oben oder unten ergänzt, beispielsweise Universum oder
Molekül oder Ebenen mehr zusammengefasst oder ausdifferenziert, zum Beispiel Organ und
Organsystem.
Schon der Vergleich nur dieser drei Darstellungen zeigt, dass trotz der allgegenwärtigen
Verwendung des Begriffs der Organisationsebenen in der Biologie und im Biologieunterricht
der Begriff nicht so eindeutig ist, wie seine Verbreitung vermuten lassen könnte. Selbst
grundlegende Fragen wie: "Welches sind die (relevanten) Organisationsebenen?" sind noch nicht
endgültig beantwortet (Eronen & Brooks, 2018; Schneeweiß & Gropengießer, 2019). Die
Ergebnisse von PUBLIKATION 2 liefern erste Antworten auf offene Fragen.
Offene Fragen
• Welches sind die relevanten Organisationsebenen?
• Welche Eigenschaften haben Organisationsebenen?
• Wie können Organisationsebenen im Unterricht vermittelt werden?
Ein Blick auf andere Disziplinen wie Physik und Chemie legt nahe, dass die Systeme
zumindest hinsichtlich der Ebenen klarer zu sein scheinen. Die Physik verwendet Skalen in
Zehnerpotenzen, um ihre Untersuchungsobjekte einzuordnen, die Chemie verwendet die
Ebenen Makro (Substanz) und Submakro (Teilchen) (Johnstone, 1991). Selbst wenn wir die
jüngste Diskussion über eine Nanoebene in der Chemie berücksichtigen, ist dies kein Vergleich
zu der Vielzahl von Ebenen in der Biologie (Abbildung 3).
2. Stand der Forschung
20
Abbildung 3: Vergleich von Ebenen in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen
2.2.3 Biologische Erklärungen
Die Besonderheiten der Biologie als wissenschaftliche Disziplin zeigen sich nicht nur in den
Organisationsebenen, sondern auch in der Struktur biologischer Erklärungen. Die Biologie
versucht, wie andere Wissenschaften auch, die Welt zu erklären. Die Erklärungen von
Phänomenen dienen als Grundlage für Vorhersagen. Nach Hempel and Oppenheim (1948)
brauchen Erklärungen ein Explanandum, also etwas, das erklärt werden soll, und ein
Explanans, mit dem dieses erklärt wird. Das Explanans besteht wiederrum aus
Antezedenzien, also Anfangs- oder Randbedingungen, die zusammen mit allgemeinen
Gesetzen oder Regelmäßigkeiten zu kausalen Erklärungen führen. In der Biologie lassen sich
grundsätzlich zwei Formen von Explanatien unterscheiden: proximate, physiologische
Ursachen und ultimate, evolutionäre Mechanismen. Beide können und müssen angewandt
werden, um beispielsweise die Existenz eines bestimmten Merkmals innerhalb einer
Population zu erklären (Mayr, 1961).
In der Biologie ist das Explanandum häufig ein komplexes Phänomen. Daher sind auch die
Erklärungen nicht als lineare Ursache-Wirkung-Prinzipien darstellbar, anders als etwa bei der
Bewegung einer Billardkugel. Vielmehr ist das Explanandum eine Kausalkette (Mechanismus)
und noch häufiger ein Kausalnetz oder -filz, welche sich über die verschiedene
Organisationsebenen erstrecken. Mechanismen entsprechen biologischen Strukturen und
ihren Interaktionen (Darden, 2002; Machamer et al., 2000).
Die biologische Komplexität und insbesondere die Organisationsebenen in biologischen
Erklärungen zu berücksichtigen, ist eine Herausforderung (siehe Kapitel 2.1). Dies kann eine
Erklärung für die im vorangegangenen Kapitel erläuterten Lernschwierigkeiten der
Schüler*innen sein. Daher werden im nachfolgenden Kapitel fachdidaktische Leitlinien zum
Umgang mit der biologischen Komplexität erkundet.
2. Stand der Forschung
21
2.3 Fachdidaktische Perspektive
2.3.1 Unterricht muss Ebenen explizit wechseln und vernetzen
In den vorangegangenen Abschnitten wurden verschiedenste Verständnisschwierigkeiten
von Lernenden sowie die Komplexität der Biologie insbesondere durch die
Organisationsebenen erläutert. Ein Fazit, das viele Autor*innen deshalb ziehen, ist, dass
Ebenen explizit im Unterricht thematisiert werden müssen (Parker et al., 2012; Penner, 2000;
Wilensky & Resnick, 1999).
Damit einher geht die Forderung nach einer Verbesserung der Systemkompetenz der
Schüler*innen (Verhoeff et al., 2008). Denn „die Fähigkeit, zwischen Organisationsebenen zu
wechseln, [ist] eine Kernkompetenz des Biologieunterrichts“ (MNU, 2001, p. XI).
Unterrichtsreihen oder Lernangebote, die die Systemkompetenz von Lernenden fördern,
sollten nach Verhoeff et al. (2008) und Jördens et al. (2016, p. 961) fünf Kriterien erfüllen
(Tabelle 2):
Tabelle 2: Kriterien zur Förderung der Systemkompetenz nach Verhoeff et al. (2008) und Jördens et al.
(2016, p. 961), mit eigenen Erläuterungen
Kriterien
Erläuterung
1. Unterscheidung
verschiedener
Organisationsebenen
Um Ebenen wechseln und verknüpfen zu können, müssen
zunächst die Ebenen benannt und differenziert werden (Knippels
et al., 2005, p. 109).
2. (horizontale
Vernetzung)
Konzepte, die der gleichen Ebene zugeschrieben werden können,
sollten vernetzt werden. Dadurch sollte deutlich werden, in
welcher Beziehung sie stehen.
3. (vertikale
Vernetzung)
Konzepte, die auf unterschiedlichen Ebenen liegen, sollten
vernetzt werden. Am Beispiel Genetik erläutert Hammann (2019,
p. 82), dass zur Vernetzung der Organisationsebenen zusätzliches
Wissen vermittelt werden muss, damit die Erklärungen über die
Ebenen hinweg verlängert werden können. Notwendig seien dazu
„kausal-mechanistische Erklärungen wie die genetische
Information, die physische Effekte (Merkmale oder Eigenschaften)
hervorruft" Duncan and Reiser (2007, p. 947):
4. Wechseln zwischen
den Ebenen
Knippels (2002) stellte fest, dass nicht nur der Wechsel auf
niedrigere Organisationsebenen, sondern auch die Rückkehr auf
höhere Organisationsebenen Schüler*innen Schwierigkeiten
bereitet. Sie beschreibt daher das sogenannte Jo-Jo-Lernen, bei
dem Schüler*innen die Ebenen bewusst durchschreiten und das
Phänomen dadurch auf allen relevanten Organisationsebenen
betrachten. Leitend für den Abstieg sind Kausalitäten, also Fragen
nach Ursachen. Fragen nach Funktionen leiten den Wiederaufstieg
auf höhere Ebenen (Knippels, 2002, p. 92; Knippels et al., 2005)
5. Metareflexion
Jördens et al. (2016) und Verhoeff et al. (2008) ergänzten die Jo-Jo-
Lernstrategie mit einer Metareflexion. Dabei sollen die
Schüler*innen eigenständig reflektieren, welche Ebenen sie
durchschritten haben.
Diese Leitlinien ermöglichen Lehrkräften zwar Unterricht zu konzipieren, der die
Systemkompetenz von Lernenden fördert, Lehrkräfte müssen die Lernenden trotzdem aber
explizit ermutigen, mit den Organisationsebenen zu interagieren (Hammann, 2019; Reinagel
& Bray Speth, 2016).
2. Stand der Forschung
22
Offene Fragen
• Wie und mit welchen Werkzeugen können Lehrkräfte Lernende explizit
anleiten, mit den Organisationsebenen zu interagieren?
• Wie kann Jo-Jo-Lernen auf der Ebene von Lernangeboten umgesetzt werden?
2.3.2 Grafische Lernwerkzeuge können Lernen unterstützen
Eine Möglichkeit, Lernende bei der Erklärung von Wissenszusammenhängen anzuleiten, sind
grafische Lernwerkzeuge. Sie haben sich im naturwissenschaftlichen Unterricht bereits als
fruchtbar erwiesen (Aubrecht et al., 2019; Davidowitz & Rollnick, 2001; Hawk, 1986; van Dijk
et al., 2014).
Grafische Lernwerkzeuge sind visuelle Darstellungen von Wissen (Hyerle, 2008; Nesbit &
Adesope, 2006), die verwendet werden können, um "Informationen und Konzepte zu
organisieren und zu strukturieren und das Denken über Beziehungen zwischen Konzepten zu
fördern" (Zollman, 2015, p. 4). Um die konzeptionelle Organisation eines Phänomens
darzustellen, besteht ein Grafisches Lernwerkzeug aus angeordneten Wörtern oder
Wortgruppen. Die räumliche Anordnung ist oft ein Schlüsselelement (Stull & Mayer, 2007)
wie zum Beispiel bei Concept Maps (Novak & Cañas, 2006a) und Flussdiagrammen
(Chambliss & Calfee, 1998).
Von Lernenden konstruierte grafische Lernwerkzeuge können dabei helfen, Texte besser zu
verstehen (National Reading Panel, 2000) und Ideen besser zu verknüpfen (Schwendimann &
Linn, 2016). Katayama and Robinson (2000) stellen die Hypothese auf, dass von Lernenden
erarbeitete grafische Lernwerkzeuge nützlich sind, weil sie generatives Lernen fördern.
Darüber hinaus konnten Lernende und Lehrende durch die Konstruktion von grafischen
Lernwerkzeugen "fehlende Informationen oder fehlende Verbindungen im eigenen
strategischen Denken identifizieren" (Zollman, 2015, p. 4).
Um Lernende bei der Argumentation auf verschiedenen Organisationsebenen zu
unterstützen, stellen van Mil et al. (2016) einen Advance Organizer vor (Abbildung 4). Dieser
soll Lernende dabei unterstützen, neue Informationen in den jeweiligen Kontext zu setzen und
so besser zu verknüpfen. Des Weiteren sollen die Lernenden dadurch angeleitet werden, nach
Beziehungen und kausalen Verknüpfungen zu suchen.
2. Stand der Forschung
23
Abbildung 4: Advance Organizer für molekulare mechanistische Erklärungen auf verschiedenen
Organisationsebenen (van Mil et al., 2016, p. 524)
Dieser Advance Organizer kann die Lernenden bei der Untersuchung von Phänomenen
anleiten und unterstützen. Unklar bleibt jedoch, welche Verknüpfungen die Lernenden
ziehen. Dazu müssten die Lernenden ihre Vorstellungen in externen Repräsentationen
darstellen, beispielsweise mit Concept Maps, wie im nächsten Abschnitt erläutert wird.
Offene Fragen
• Mit welchem grafischen Lernwerkzeug könnte das Jo-Jo-Lernen unterstützt
werden?
• Wie muss ein solcher grafisches Lernwerkzeug gestaltet sein?
2.3.3 Durch Concept Maps kann Wissen vernetzt werden
Dieser Abschnitt beruht zum Teil auf dem Praxisartikel (PUBLIKATION 1). In diesem Abschnitt
wird nur der Stand der Forschung zum Concept Mapping dargestellt. Ein
Unterrichtsvorschlag mit Concept Mapping findet sich in PUBLIKATION 1 (Kapitel 10.1).
Ein grafisches Lernwerkzeug, das sich besonders für die explizite Vernetzung von Wissen
etabliert hat, sind Concept Maps. Concept Maps sind eine Form der Visualisierung, die
speziell auf die Darstellung von Beziehungen und Zusammenhängen ausgerichtet sind. Eine
Concept Map besteht aus untereinander vernetzten Propositionen. Eine Proposition ist die
kleinste Einheit einer Concept Map und besteht aus zwei Begriffen und einer Relation
(Fürstenau, 2011; Novak, 1990).
Beispiel:
Begriff 1 ---- Relation ---> Begriff 2
Concept Maps ---- bestehen aus ---> Propositionen
In Abbildung 5 wird eine Concept Map zum Thema Concept Maps dargestellt.
2. Stand der Forschung
24
Abbildung 5: Selbstreferentielle Concept Map über Concept Maps
Zum Nutzen von Concept Maps als Lern- und Diagnosewerkzeug gibt es bereits Erkenntnisse
aus empirischen Untersuchungen (Bergan-Roller et al., 2018; BouJaoude & Attieh, 2008;
Campbell, 2016; Dauer et al., 2013; Javonillo & Martin-Dunlop, 2019; Machado & Carvalho,
2020; Vasconcelos et al., 2019). Demnach unterstützen sie Lernprozesse durch die
Externalisierung mentaler Konzepte als externale Repräsentation. Dabei müssen
Verbindungen zwischen Begriffen hergestellt und Wissen neu organisiert werden (Dauer et
al., 2013; Fischer et al., 2002; Novak & Cañas, 2006b). Voraussetzung für die Wirksamkeit ist
jedoch, dass das Concept Mapping wie andere Lernstrategien erst erlernt wird (Sumfleth et
al., 2010).
Schwartz and Brown (2013) stellen fest, dass Concept Maps geeignet sind,
Organisationsebenen zu verknüpfen. Eine beispielhafte Umsetzung zeigen Schwendimann
and Linn (2016). Bei Concept Maps werden jedoch die Organisationsebenen und ihre
Beziehungen zueinander nicht explizit gemacht.
Offene Fragen
• Wie können Organisationsebenen in Concept Maps explizit gemacht werden?
Eine weitere Stärke von Concept Maps liegt im Bereich der Diagnose (Brandstädter et al., 2012;
Hay et al., 2008; Kinchin et al., 2019; Maker & Zimmerman, 2020; McClure et al., 1999; Plotz,
2019). Durch das Explizieren von Vorstellungen in Form semantischer Netzwerke werden
diese für Lehrkräfte sichtbar (Schanze & Brüchner, 2005). Dadurch lassen sich fehlende oder
fehlerhafte Verknüpfungen aufdecken und ermöglichen der Lehrkraft oder dem Lernenden
selbst, darauf zu reagieren. Wenn Concept Maps mehrfach überarbeitet werden, können
zudem Lernzuwächse nachverfolgt werden (Liu, 2002).
2. Stand der Forschung
25
2.4 Zusammenfassung des Stands der Forschung
Box 2: Zusammenfassung der zentralen Erkenntnisse der Literatur
• Biologische Phänomene müssen auf mehreren Organisationsebenen untersucht
und erklärt werden (s. Kapitel 2.2).
• Lernende haben Schwierigkeiten, Organisationsebenen in Erklärungen
biologischer Phänomene adäquat zu berücksichtigen (s. Kapitel 2.1).
• Um Schüler*innen bei der Erklärung von Phänomenen zu unterstützen, sollten
Lehrkräfte Lernumgebungen nach den Prinzipien des Systemdenkens
strukturieren - beispielsweise durch Jo-Jo-Lernen (siehe Tabelle 2). Der
Unterricht sollte sich auf die Verknüpfung von Konzepten innerhalb und
zwischen den Organisationsebenen konzentrieren (s. Kapitel 2.3.1).
• Schüler*innen berücksichtigen die Organisationsebenen nicht automatisch, sie
müssen ermutigt werden und die Organisationsebenen müssen explizit gemacht
werden (s. Kapitel 2.3.1).
• Grafische Lernwerkzeuge können Lernen unterstützen, indem Ideen explizit
gemacht werden (s. Kapitel 2.3.2).
Box 3: Zusammenfassung offener Forschungsfragen
• Welches sind die relevanten Organisationsebenen?
• Welche Eigenschaften haben die Organisationsebenen?
• Wie können Organisationsebenen im Unterricht vermittelt werden?
• Wie und mit welchen Werkzeugen können Lehrkräfte Lernende explizit
anleiten, mit den Organisationsebenen zu interagieren?
• Wie kann Jo-Jo-Lernen auf Ebene von Lernangeboten umgesetzt werden?
• Mit welchem grafischen Lernwerkzeug könnte Jo-Jo-Lernen unterstützt werden?
• Wie muss ein solches grafisches Lernwerkzeug gestaltet sein?
• Wie können Organisationsebenen in Concept Maps explizit gemacht werden?
26
Aus dem Stand der Forschung wurde deutlich, dass Lernende mit Erklärungen komplexer
Probleme Schwierigkeiten haben und dabei unterstützt werden müssen. Um darzulegen,
wobei Lernende unterstützt werden müssen, stelle ich im Folgenden mein Verständnis der
Erklärungskonstruktion dar.
Zunächst muss erklärt werden, weshalb im Rahmen dieser Arbeit von der
Erklärungskonstruktion und nicht etwa vom Abrufen von Erklärungen gesprochen wird.
In Studien, bei denen Lernende biologische Phänomene erklären sollten, zeigte sich, dass
Lernende ganz unterschiedliche Ideen äußerten (diSessa, 1988; Eylon & Linn, 1988; Linn &
Muilenburg, 1996). Vor allem aber zeigte sich, dass die Erklärungen nicht einfach aus dem
Gedächtnis abgerufen wurden, sondern offenbar erst in der Erklärungssituation konstruiert
wurden (Boersma & Geraedts, 2012; Lombrozo, 2006; Schwarz et al., 2008). Dies kann eine
Ursache dafür sein, weshalb Lernende für vergleichbare Probleme in unterschiedlichen
Kontexten unterschiedliche Erklärungen liefern (Geraedts & Boersma, 2006; Unger, 2017).
Auf der Grundlage dieser Ergebnisse und des dynamischen Systemansatzes von Thelen and
Smith (1994) veröffentlichen Geraedts and Boersma (2006) einen Theorierahmen für die
Konstruktion von Erklärungen, die "construction in interaction" (Boersma & Geraedts, 2012, p.
30; Southerland et al., 2001).
Dem Theorierahmen zufolge werden Erklärungen durch die Interaktion der Lernenden mit
drei Instanzen generiert:
(1) dem Referenzobjekt (dem zu erklärenden Phänomen)
(2) den Äußerungen anderer Personen (Lehrer*innen oder Gleichaltrigen)
(3) mit ihren eigenen verfügbaren kognitiven Ressourcen (ihren verinnerlichten
Vorstellungen, Konzepten, Prinzipien und Schemata) (siehe Abbildung 6)
Abbildung 6: Erklärungskonstruktion durch Interaktion (Pfeile) mit den drei Instanzen
Referenzobjekt, Personen und dem kognitiven System
Von Lernenden konstruierte Erklärungen entstehen damit nicht aus dem Nichts, sondern
beruhen auf stabilen kognitiven Strukturen wie Konzepten und Schemata. In der Regel
handelt es sich bei den daraus resultierenden Erklärungen, Mechanismen oder Theorien um
relativ komplexe Strukturen. Die Erklärungskonstruktion braucht Zeit und kann mehrere
Überarbeitungen umfassen, beispielsweise wenn die Erklärung durch Verschriftlichung
externalisiert wird und dabei Brüche bemerkt werden.
3.
3. Theoretischer
Hintergrund
3. Theoretischer Hintergrund
27
Lehren kann somit einerseits bei den kognitiven Ressourcen ansetzen, zum Beispiel indem
durch das Stiften von Erfahrungen der Aufbau neuer Konzepte unterstützt wird. Dies ist ein
Ansatz, der etwa durch die Arbeiten zu Conceptual Change (Alparslan et al., 2003; Chi, 2008;
Duit & Treagust, 2003; Novak, 2002) und Conceptual Reconstruction (Kattmann, 2007) sowie
Arbeiten zur didaktischen Rekonstruktion verfolgt wird (Gropengießer, 2007a; Kattmann et
al., 1997; Unger, 2017).
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Interaktion mit dem Referenzobjekt selbst zu
unterstützen, indem die Lernenden ein neues Denkwerkzeug erhalten, welches die
Externalisierung der Erklärungen sowie die Untersuchung des Phänomens hinsichtlich der
Organisationsebenen strukturiert und dadurch die Konstruktion von Erklärungen unterstützt.
Die auf dieser theoretischen Grundlage entwickelten Fragestellungen der Arbeit werden im
nächsten Kapitel erläutert.
28
4.1 Forschungsfragen
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, wie die Lernenden durch die
explizite Einbindung von Organisationsebenen bei der Konstruktion von biologischen
Erklärungen unterstützt werden können. Dazu wurde ein neues grafisches Lernwerkzeug
entwickelt und im Rahmen von Vermittlungsversuchen evaluiert.
Diese Fragestellung wurden im Rahmen der PUBLIKATIONEN 2 - 5 untersucht. Erkenntnisse
aus der Aufarbeitung des Standes der Forschung mündeten zusätzlich in einem Praxisartikel
zum Concept Mapping (PUBLIKATION 1). In PUBLIKATION 6 wurden in einem abschließenden
Praxisartikel die gewonnen Erkenntnisse des Dissertationsprojekts in Form einer
exemplarischen Unterrichtseinheit dargestellt (Abbildung 7).
Abbildung 7: Beiträge der PUBLIKATIONEN 1 - 6 zur Forschungsfrage
Die Fragestellungen der Publikationen werden in Box 4 zusammengefasst, vollständige
Abdrucke der Publikationen finden sich in Kapitel 10. Im nächsten Abschnitt werden
Teilfragestellungen der einzelnen Publikationen sowie deren Beiträge zum
Dissertationsvorhaben näher erläutert.
4.
4. Fragestellungen
4. Fragestellung
29
4.2 Fragestellungen der Publikationen und Einordung in das
Dissertationsvorhaben
4.2.1 PUBLIKATION 1: Concept Mapping mit CmapTools
Wie bei der Aufarbeitung des Standes der Forschung herausgearbeitet werden konnte, haben
Schüler*innen Schwierigkeiten bei der Vernetzung von Wissen (Hammann, 2019). Ein
Werkzeug, mit dem die Vernetzung von Wissen unterstützt werden kann, sind Concept Maps
(Novak & Cañas, 2006a). Diese Erkenntnisse wurden in PUBLIKATION 1 für die
Unterrichtspraxis aufgearbeitet. Am Beispiel des Themenbereichs Säuren und Basen wurde
ein Unterrichtsgang für die Sekundarstufe 1 entwickelt. Zunächst wurde das digitale
Lernwerkzeug CmapTools vorgestellt und diskutiert.
Concept Maps stellten sich im späteren Verlauf des Projekts als Ausgangspunkt für die
Entwicklung der Zoom Map heraus. In dieser Publikation wurden somit wichtige
Voraussetzungen zur späteren Entwicklung eines neuen Lernwerkzeugs gelegt (Kapitel 10.1)
4.2.2 PUBLIKATION 2: Literaturreview zu den Organisationsebenen
Im Rahmen des Standes der Forschung wurde herausgearbeitet, dass zum Konzept der
Organisationsebenen trotz der Prävalenz in der fachdidaktischen Literatur kein Konsens
herrscht (siehe Kapitel 2.2) (Brooks & Eronen, 2018). Um Organisationsebenen für das Lernen
einzubinden und explizit zu machen, mussten somit zunächst die Eigenschaften der
Organisationsebenen geklärt werden.
Daher sollte im Rahmen dieser Publikation anhand eines systematischen Literaturreviews
herausgearbeitet werden, wie die Autor*innen Organisationsebenen verstehen und welche
Organisationsebenen für biologische Erklärungen relevant sind. Dazu wurden in einem ersten
Schritt systematisch geeignete Journalartikel gesammelt und ausgewählt. Die so erhaltenen
Artikel wurden in einem zweiten Schritt anhand der Qualitativen Inhaltsanalyse hinsichtlich
der Fragestellungen analysiert. Die gebildeten Kategorien betreffen sowohl das Konzept der
Organisationsebenen selbst, wie auch die Hinweise auf Schwierigkeiten von Lernenden mit
den Organisationsebenen. Der Beitrag der Publikation besteht daher in der Klärung des
Konzepts Organisationsebenen (Kapitel 10.2)
Die Fragestellungen von PUBLIKATION 2 lauten somit:
1. Wie beschreiben die Autor*innen die Organisationsebenen?
2. Welche Organisationsebenen werden von den Autor*innen genannt?
3. Wie beschreiben die Autor*innen die Beziehung zwischen den verschiedenen
Organisationsebenen?
4. Wie beschreiben die Autor*innen die Herausforderungen, die diese Ebenen für den
Biologieunterricht mit sich bringen?
5. Wie beschreiben die Autor*innen den Nutzen dieser Ebenen für den
Biologieunterricht?
4.2.3 PUBLIKATION 3: Entwicklung der Zoom Map
Eine Kernerkenntnis aus PUBLIKATION 2 ist, dass Lernende bei der Konstruktion von
Erklärungen und bei der Vernetzung von Organisationsebenen Unterstützung brauchen.
Daher war das Ziel von PUBLIKATION 3 die Entwicklung und Evaluation eines
Unterstützungsangebots. Da grafische Lernwerkzeuge sich bereits in anderen Studien als
nützlich zur Vernetzung von Konzepten erwiesen haben (Schwendimann & Linn, 2016),
wurde im Rahmen dieser Publikation ein grafisches Lernwerkzeug zur Vernetzung von
Organisationsebenen entwickelt: die Zoom Map. Für die Zoom Map wurden die Regeln der
Concept Map adaptiert und die Organisationsebenen visuell durch Zoom-Kreise dargestellt.
4. Fragestellung
30
In Vermittlungsversuchen wurde der Umgang der Lernenden mit der Zoom Map und die
erstellten Zoom Maps betrachtet (Kapitel 10.3).
Die Fragestellungen von PUBLIKATION 3 lauten somit:
1. Wie können durch die Zoom Map Ebenen explizit dargestellt und vernetzt
werden?
2. Wie verstehen die Lernenden die Zoom Map?
3. Welche Schwierigkeiten zeigen sich im Umgang mit der Zoom Map?
4.2.4 PUBLIKATION 4: Evaluation der Zoom Map in Vermittlungsversuchen
Der Schwerpunkt der PUBLIKATION 3 lag auf der Evaluation der Zoom Map. Dazu wurde die
Zoom Map im Rahmen der Vermittlungsphase von Vermittlungsversuchen eingesetzt. Bei
den Vermittlungsversuchen handelt es sich um Untersuchungen in kleinem Maßstab unter
Laborbedingungen. Sie kombinieren eine Diagnose- und Vermittlungsphase. Zunächst
konstruierten die Lernenden in der Diagnosephase Erklärungen zum Phänomen welker Blätter.
Dies ermöglichte die spätere Analyse der Lernausgangslage. In der darauffolgenden
Vermittlungsphase interagierten die Schüler*innen mit unserem Material und der Zoom Map.
Untersucht wurde im Anschluss, inwiefern sich die Erklärungen der Lernenden vor und nach
der Vermittlungsphase unterscheiden. Es wurde erwartet, dass die Lernenden durch die
Zoom Map mehr Organisationsebenen in ihren Erklärungen berücksichtigen und vernetzen
(Kapitel 10.4).
Die Fragestellungen von PUBLIKATION 4 lauten somit:
1. Welche Ebenen haben die Schüler*innen vor und nach einer Vermittlungsphase, in der
die Zoom Map eingesetzt wurde, einbezogen?
2. Wie erklären die Schüler*innen das Phänomen vor und nach einer Vermittlungsphase,
bei dem die Zoom Map zum Einsatz kam?
4.2.5 PUBLIKATION 5: Biologische Komplexität und die Zoom Map
Der Schwerpunkt dieser Publikation lag auf der Untersuchung biologischer Komplexität aus
der Perspektive von Lehrenden und Lernenden. Wie in PUBLIKATION 2 herausgearbeitet
wurde, besteht ein Kernaspekt bei der Erklärung biologischer Phänomene im Ebenenwechsel
(Knippels, 2002). Auf der Grundlage der herausgearbeiteten Aspekte wurde erläutert,
inwiefern die Zoom Map die Erklärung komplexer Phänomene und insbesondere den
Ebenenwechsel unterstützen kann. Um zu untersuchen, wie Lernende mit und ohne die Zoom
Map in ihren Erklärungen die Ebenen wechseln, wurden Vermittlungsversuche durchgeführt
und analysiert. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Auswertung der Richtung des
Ebenenwechsels. Es wurde analysiert, auf welcher Ebene die Erklärung beginnt und in welche
Ebenen im Verlauf der Erklärung gewechselt wurde (Kapitel 10.5).
Die Fragestellungen von PUBLIKATION 5 lauten somit:
1. Was macht biologische Phänomene komplex?
2. Wie unterstützt die Zoom Map Lernende bei der Erklärung komplexer Phänomene?
3. In welche Richtung wechseln Lernende die Organisationsebenen mit und ohne die
Zoom Map?
4.2.6 PUBLIKATION 6: Praxisartikel zum Einsatz der Zoom Map
Mit PUBLIKATION 6 sollte der Transfer zwischen Forschung und Praxis vollzogen werden. Auf
Grundlage der empirischen Erkenntnisse stellt der Praxisartikel eine exemplarische
4. Fragestellung
31
Unterrichtseinheit vor. Die Einheit ist entlang der Prinzipien des Jo-Jo-Lernens strukturiert
und wird durch die Zoom Map unterstützt (Kapitel 10.6).
Box 4: Übersicht über die Fragestellungen der Publikationen 1-6
Publikation 1
Concept
Mapping
1. Welche Potentiale bietet das grafische Lernwerkzeug Concept Map für
den Chemieunterricht?
2. Wie kann Concept Mapping unterstützt werden?
Publikation 2
Literatur-
analyse
1. Wie beschreiben die Autor*innen die Organisationsebenen?
2. Welche Organisationsebenen werden von den Autor*innen genannt?
3. Wie beschreiben die Autor*innen die Beziehung zwischen den
verschiedenen Organisationsebenen?
4. Wie beschreiben die Autor*innen die Herausforderungen, die diese
Ebenen für den Biologieunterricht mit sich bringen?
5. Wie beschreiben die Autor*innen den Nutzen dieser Ebenen für den
Biologieunterricht?
Publikation 3
Entwicklung
1. Wie können durch die Zoom Map Ebenen explizit dargestellt und
vernetzt werden?
2. Wie verstehen die Schülerinnen und Schüler die Zoom Map?
3. Welche Schwierigkeiten zeigen sich im Umgang mit der Zoom Map?
Publikation 4
Evaluation
1. Was macht biologische Phänomene komplex?
2. Wie unterstützt die Zoom Map Lernende bei der Erklärung komplexer
Phänomene?
3. In welche Richtung wechseln Schülerinnen und Schüler die
Organisationsebenen mit und ohne die Zoom Map?
Publikation 5
Komplexität
1. Was macht biologische Phänomene komplex?
2. Wie unterstützt die Zoom Map Lernende bei der Erklärung
komplexer Phänomene?
3. In welche Richtung wechseln Schülerinnen und Schüler die
Organisationsebenen mit und ohne die Zoom Map?
Publikation 6
Praxisartikel
Wie kann eine Unterrichtseinheit unter Anwendung der Prinzipien
des Jo-Jo-Lernens sowie der Zoom Map gestaltet werden?
5. Methoden
32
5.1 Studiendesign und Stichprobe
Auf Grund der unterschiedlichen Fragestellungen unterscheiden sich die Studiendesigns der
Publikationen.
In PUBLIKATION 2 entsprach das Studiendesign dem einer systematischen Literaturanalyse.
Als Stichprobe wurden N = 36 Fachartikel untersucht.
In PUBLIKATION 3 - 5 entsprach das Studiendesign dem eines Vermittlungsversuchs. Als
Stichprobe wurden sechs Vermittlungsversuche mit N = 13 Schüler*innen durchgeführt.
Die Datenauswertung erfolgte jeweils anhand der Qualitativen Inhaltsanalyse und wird in
Kapitel 5.3.1 näher erläutert.
5.2 Datenerhebung
5.2.1 Systematisches Literaturreview
Der erste entscheidende Schritt bei einem systematischen Literaturreview ist die
Zusammenstellung der zu untersuchenden Quellen. PUBLIKATION 2 folgte dabei der Methode
von Rönnebeck et al. (2016) (Abbildung 8).
Abbildung 8: Flussschema der Recherche- und Auswahlprozesse (Schneeweiß & Gropengießer, 2019, p.
3)
Da das Konzept der Organisationsebenen sowohl unter Fachdidaktiker*innen als auch unter
Biolog*innen diskutiert wird, wurden sowohl Artikel aus dem Bereich der Fachdidaktik wie
auch Artikel aus biologischen Fachzeitschriften analysiert.
5.
5. Methoden
5. Methoden
33
Wir wählten drei für die Fragestellung adäquate wissenschaftliche Datenbanken aus, die auf
die untersuchten Bereiche spezialisiert sind: ERIC (für englischsprachige fachdidaktische
Artikel), BIOSIS (für englische fachwissenschaftliche Artikel) und das Fachportal Pädagogik
(für deutsche fachdidaktische Artikel). Ausgewählt wurden N=36 Artikel, die für die
Forschungsfragen relevant waren.
5.2.2 Vermittlungsversuche
Die Beantwortung der Fragestellungen in PUBLIKATION 3 - 5 erforderte ein Studiendesign, das
offen und flexibel ist und Interventionen zulässt (siehe Abbildung 9). Dies trifft auf
Vermittlungsversuche zu. Vermittlungsversuche sind Interviews, bei denen eine kleine
Anzahl von Schüler*innen mit Unterrichtsmaterial interagiert (Komorek & Duit, 2004; Steffe
& Thompson, 2000). Durch die Kombination einer Diagnose- und einer Unterrichtsphase sind
Vermittlungsversuche ein wertvolles Instrument zur Untersuchung des Vorwissens, des
Lernprozesses und der Lernergebnisse. Forschende sind dabei zu gleichen Teilen
Interviewende und Lehrende. Die Analysen des Lernprozesses haben Implikationen für den
realen Unterricht (Komorek & Duit, 2004; Steffe & Thompson, 2000).
Jeder unserer Vermittlungsversuche war in zwei Hauptabschnitte unterteilt: Die
Diagnosephase und die Vermittlungsphase. In der Diagnosephase führten wir ein Interview
mit den Teilnehmenden, um die Vorstellungen über das Phänomen zu erheben. Die dabei
geäußerten Erklärungen des Phänomens nennen wir E1.
Anschließend folgte die Vermittlungsphase, in der die Teilnehmenden die Zoom Map sowie
weiteres Material erhielten. Am Ende der Vermittlungsphase erklärten die Lernenden das
Phänomen erneut, diese abschließende Erklärung nennen wir E2.
Die Interviews wurden in Bild und Ton aufgezeichnet. Die von den Lernenden erstellten
Zoom Maps wurden eingescannt und anschließend digitalisiert.
In PUBLIKATION 3 wurde die Diskussion während des Konstruktionsprozesses der Zoom Map
berücksichtigt. PUBLIKATION 4 befasste sich vor allem mit den Erklärungen E1 und E2 und
untersucht, auf welchen Ebenen die Lernenden erklären. PUBLIKATION 5 nahm die
Erklärungsrichtungen in den Fokus.
Abbildung 9: Das Studiendesign von PUBLIKATION 3 - 5 entspricht dem eines Vermittlungsversuchs
5. Methoden
34
5.3 Datenauswertung
5.3.1 Computergestützte Qualitative Inhaltsanalyse
Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit sind individuelle Vorstellungen. In PUBLIKATION 2
waren diese die Vorstellungen von Wissenschaftler*innen zu dem Konzept der
Organisationsebenen in der Biologie. In PUBLIKATION 3 - 5 wurden Vorstellungen von
Schüler*innen zum Phänomen welkender Pflanzen untersucht. Passend zur Untersuchung
dieses Gegenstands wurde eine qualitative Methode gewählt, die sich durch
Problemzentrierung, Offenheit und Interaktivität auszeichnet: die Qualitative Inhaltsanalyse
(Gropengießer, 2008).
Durch die Anwendung der Regeln der computergestützten Qualitativen Inhaltsanalyse
wurden die Gütekriterien qualitativer Forschung hinsichtlich des systematischen und
regelgeleiteten Vorgehens umgesetzt (Kuckartz, 2010; Mayring, 2010).
Das Vorgehen gliederte sich in drei Teilschritte: Transkription, Codierung und
Kategorisierung (Abbildung 10).
Abbildung 10: Vorgehen zur Datenanalyse anhand der Qualitativen Inhaltsanalyse nach (Kuckartz,
2010),eigene Darstellung basierend auf Born (2007, p. 137)
a) Transkription
Zur weiteren Analyse mussten in der Transkription zunächst die Audio- und Videodaten
verschriftlicht werden. Bei der Transkription wurde das Material bereits zum ersten Mal
reduziert, indem nur Passagen verschriftlicht wurden, die inhalttragend waren. Im Kontext
dieser Arbeit wurden also Passagen verschriftlicht, bei denen die Lernenden zum Beispiel das
Phänomen erklärten oder Materialien diskutierten. Um Gesprächssituationen
nachvollziehbarer zu machen, wurden Rezeptionssignale (z.B. "Mhm"), Pausen (z.B. (3) für
drei Sekunden) und auffällige Betonungen (diese werden unterstrichen) oder relevante Gesten
(in Klammern) eingefügt. Die Transkripte wurden mit Absatznummerierungen versehen, um
später Textzitate verorten zu können (Kuckartz, 2010).
Zur Unterscheidung von Personen wurden die Lernenden nicht bei ihrem Klarnamen,
sondern nur mit einer fortlaufenden Nummerierung gekennzeichnet, zum Beispiel wird
Schüler 2 aus Interview 3 als I3S2 bezeichnet.
b) Codierung
Die Codierung wie auch die nachfolgenden Kategorisierungen wurden im Programm
MaxQDA vorgenommen. Bei der Codierung wurden für die Fragestellung relevante
Textstellen markiert und mit einem Namen, dem Code versehen (Kuckartz, 2010).
c) Kategorisierung
Durch den Vergleich aller Codes untereinander konnten Kategorien herausgebildet werden,
denen die Codes zugeordnet werden können. Solche Kategorien konnten beispielsweise die
Organisationsebenen umfassen, die in der jeweiligen Textstelle angesprochen werden
(Kuckartz, 2010).
6. Ergebnisse und Diskussion
35
Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Entwicklung und Evaluation eines Werkzeugs
zur Unterstützung bei der Erklärung biologischer Phänomene. Grundlegend war die Einsicht,
dass dabei Organisationsebenen explizit eingebunden werden müssen (vgl. Kapitel Jo-Jo
Lernen). Erkenntnisse aus der Aufarbeitung des Stands der Forschung zu Concept Maps
mündeten in der PUBLIKATION 1 und sind in Kapitel 2.3.3 zu finden.
Zur Beantwortung der Fragestellung wurde zunächst in einem systematischen
Literaturreview das Konzept der Organisationsebenen betrachtet (PUBLIKATION 2).
Aufbauend auf den Ergebnissen von PUBLIKATION 2 wurde in PUBLIKATION 3 bis 5 das
grafische Lernwerkzeug Zoom Map entwickelt und evaluiert. In einem Praxisartikel
(PUBLIKATION 6) wird der Transfer zwischen Theorie und Praxis vorgenommen.
Zentrale Ergebnisse der PUBLIKATIONEN 2-5 werden im Folgenden dargestellt. Die Ergebnisse
des Praxisartikels fließen in Kapitel 8.2.2 ein. Ausführliche Ergebnisse und Diskussionen
können in den jeweiligen Publikationen im Anhang nachvollzogen werden.
6.1 PUBLIKATION 1: Concept Mapping mit CmapTools
Bei PUBLIKATION 1 handelt es sich um einen unterrichtspraktischen Artikel, der aufgrund des
Stands der Forschung zu Concept Mapping ein konkretes Unterrichtsszenario skizziert. Die
Ergebnisse werden daher im Stand der Forschung dargestellt (siehe Kapitel 2.3).
6.2 PUBLIKATION 2: Literaturanalyse zu den Organisationsebenen
Zur Klärung des Konzepts Organisationsebenen in der Biologie wurde ein systematisches
Literaturreview durchgeführt. Dabei konnte herausgearbeitet werden, dass die untersuchten
Quellen selten Organisationsebenen allgemein beschreiben. Die Autor*innen fokussierten
vielmehr auf die Reihenfolge der Ebenen und emergente Eigenschaften. Bezüglich der Frage,
welche Organisationsebenen ein konsistentes System bilden, konnte in den Daten kein
Konsens festgestellt werden. Die Autor*innen nannten unterschiedliche Kombinationen von
bis zu 21 verschiedenen Ebenen, die von der Ebene der subatomaren Teilchen bis zur Ebene
des Universums reichten.
6.2.1 Ergebnisse der Literaturanalyse
Bei der Untersuchung von fachdidaktischen Artikeln konnte ich zeigen, dass die Artikel je
nach biologischem Phänomen unterschiedliche Organisationsebenen nennen.
Hinsichtlich der Eigenschaften der Organisationsebenen konnte ich herausarbeiten, dass vier
verschiedenen Beziehungen zwischen den Organisationsebenen beschrieben werden:
1. die physiologische Beziehung
2. die Materie-Energie-Beziehung
3. die koevolutionäre Beziehung
4. die phylogenetische Beziehung
Anhand der Literatur konnte keine für die Vermittlung geeignete Beschreibung von
Organisationsebenen herausgearbeitet werden. Daher schlug ich das Zoomen als geeignete
Metapher für die Organisationsebenen vor, denn Zoomen ist Lernenden aus ihrem Alltag
6.
6. Ergebnisse
und Diskussion
6. Ergebnisse und Diskussion
36
bekannt. In der Zoom Map entsprechen dabei die Zoomstufen den Organisationsebenen. Der
Ebenenwechsel entspricht dem Hinein- oder Hinauszoomen.
Auch Hinweise und Implikationen für die Vermittlung wurden untersucht. In den von mir
analysierten Artikeln gehen die Autor*innen nur selten auf die Herausforderungen der
Organisationsebenen für Lernende ein. Eine Herausforderung, die ich identifizieren konnte,
wurde von Assaraf et al. (2011) aufgezeigt: Studenten konzentrieren sich auf
Systemkomponenten und nicht auf deren Interaktionen.
Ergänzend konnten ich feststellen, dass die Organisationsebenen wissenschaftliche Probleme
strukturieren und Untersuchungen leiten können. Laut der analysierten Artikel ist dies der
Hauptnutzen der Ebenen. Die Ebenen leiten die Untersuchungen hauptsächlich durch die
Fokussierung auf das, was in Bezug auf die Forschungsfrage wesentlich ist.
6.2.2 Ein Ebenensystem für die Vermittlung
Anhand der Ergebnisse des Reviews überarbeitete ich eine Darstellung von MacMahon et al.
(1978). Dabei arbeitete ich die Metapher des Zoomens mit ein. Durch die explizit dargestellten
Beziehungen zwischen den Ebenen wird deutlich, welche Ebenen für welche Fragestellungen
herangezogen werden können (siehe Abbildung 11).
6. Ergebnisse und Diskussion
37
Abbildung 11: System von nach Beziehungen geordneten Organisationsebenen für Bildungszwecke auf
der Grundlage von MacMahon et al. (1978). Das System macht die Beziehungen zwischen den Ebenen
explizit und beinhaltet die Idee des Heranzoomens. Durch die Unterscheidung der Beziehungen wird
deutlich, welche Ebenen für welches Phänomen geeignet sind (Schneeweiß & Gropengießer, 2019, p. 14).
6.2.3 Diskussion
Unsere Arbeit war die erste Übersichtsarbeit über Organisationsebenen in den Feldern
Biologie und Biologiedidaktik. Die Ergebnisse können Lehrkräfte und
Biologiedidaktiker*Innen unterstützen, Organisationsebenen in ihren Unterricht zu
integrieren. Dadurch können die Lernenden darin gefördert werden, Systemelemente,
Prozesse und ihre Beziehungen untereinander zu identifizieren. Dies wird als wichtiger Schritt
für Systemdenken angesehen (Tripto et al., 2016; Verhoeff et al., 2018).
Das in dieser Publikation entwickelte Ebenensystem (Abbildung 11) wurde in PUBLIKATION 3
zur Zoom Map weiterentwickelt.
6. Ergebnisse und Diskussion
38
6.3 PUBLIKATION 3: Entwicklung der Zoom Map
Auf Basis der Ergebnisse von PUBLIKATION 2 wurde in PUBLIKATION 3 ein grafisches
Lernwerkzeug entwickelt und evaluiert, das die biologischen Organisationsebenen explizit
macht.
6.3.1 Funktionsprinzip der Zoom Map
Neben dem in PUBLIKATION 2 entwickelten Ebenensystem (Abbildung 11) waren Concept
Maps (Novak & Cañas, 2006b) ein weiterer Ausgangspunkt der Entwicklung des grafischen
Lernwerkzeugs. Diese haben sich bei der Unterstützung des Lernens bereits als fruchtbar
erwiesen (Dauer et al., 2013; Fischer et al., 2002).
Concept Maps wurden um die Dimension des Zoomens erweitert und so die Zoom Map
geschaffen. Die Regeln zur Erstellung einer Zoom Map (siehe Abbildung 12) wurden von
Concept Maps adaptiert (Novak & Cañas, 2006b):
1. Die Organisationsebenen werden in Anlehnung an Eronen (2015) als Ellipsen
dargestellt. Wenn man eine Struktur auf einer Ebene heranzoomt, erreicht man eine
niedrigere Ebene. Wenn man herauszoomt, gelangt man auf eine höhere Ebene.
2. Jede Ellipse enthält die Wörter, die für bestimmte Konzepte stehen.
3. Linien können die Wörter oder die Ebenen mit Verbindungswörtern verbinden.
Wenn man die Verbindungen liest, sollten die verbindenden Wörter einen Sinn
ergeben.
Abbildung 12: Allgemeine Darstellung des Funktionsprinzips einer Zoom Map. Dargestellt werden zwei
Ebenen, Ebene n und die darunter liegende Ebene n-1 (Schneeweiß & Gropengießer, 2021, p. 6).
5.3.2 Verknüpfung von Zoom Map und Jo-Jo-Lernen
Die Zoom Map ist ein grafisches Lernwerkzeug, welches die Organisationebenen explizit
macht, um dadurch vernetztes Denken nach den Prinzipien des Jo-Jo-Lernens zu unterstützen.
Sie unterstützt die Konstruktion von Erklärungen nach den Prinzipien des Jo-Jo-Lernens
(Jördens et al., 2016) auf folgende Weise:
1. Die Zoom Map unterscheidet verschiedene Organisationsebenen
Die Zoom Map stellt die verschiedenen Ebenen als breite, übereinander gestapelte
Ellipsenformen dar.
2. Durch die Zoom Map können Komponenten und Prozesse eines Systems
identifiziert und einer Ebene zugeordnet werden
Systemelemente können einer Systemebene zugeordnet werden, indem sie in die
Ellipsenformen geschrieben werden.
6. Ergebnisse und Diskussion
39
3. In der Zoom Map können Strukturen, die sich auf der gleichen
Organisationsebene befinden, verknüpft werden (horizontale Kohärenz)
Die Systemelemente werden durch Wörter oder Phrasen verbunden, die
Propositionen bilden, wenn die durch die Pfeile angegebene Leserichtung befolgt
wird. Es gelten die Regeln für die Konstruktion von Concept Maps. Propositionen
sollten sinnvoll sein.
4. In der Zoom Map können Strukturen, die sich auf verschiedenen
Organisationsebenen befinden, verknüpft werden (vertikale Kohärenz)
Der Nutzer der Zoom Map kann jede Struktur heranzoomen und dann das System
auf einer niedrigeren Ebene (n - 1) beschreiben, zum Beispiel wenn er von der
Ebene des Gewebes auf die der Zelle zoomt. Auf der Ebene der Zelle kann der
Nutzer wiederum Systemelemente zuordnen und verknüpfen. Die verschiedenen
Ebenen können vertikal miteinander verbunden werden.
5. Durch die Zoom Map kann explizit zwischen Ebenen gewechselt werden (Jo-Jo-
Lernen)
Indem ein Phänomen zunächst auf allen Ebenen beschrieben wird, kann es mithilfe
der Zoom Map umfassend erklärt werden.
6.3.3 Schwierigkeiten von Lernenden im Umgang mit der Zoom Map
In den Vermittlungsversuchen zeigte sich, dass Schüler*innen einerseits in ihren Aussagen
den Wert der Zoom Map erkannten und wertschätzten. Andererseits zeigten sich
Schwierigkeiten bei der Konstruktion der Zoom Maps. Eine Hürde stellte die adäquate
Zuordnung von Strukturen zu einer Organisationsebene dar. Andere Lernende erstellten
Zoom Maps, die eher Mindmaps glichen, also die Verbindungen der Strukturen nicht explizit
benannten. Hier zeigten sich Schwierigkeiten hinsichtlich der Regeln zur Erstellung von Zoom
Maps (Schneeweiß & Gropengießer, 2021).
6.3.4 Diskussion
Die festgestellten Schwierigkeiten der Lernenden bei der Konstruktion der Zoom Maps
können vor dem Hintergrund der Literatur erklärt werden. Ähnliche Schwierigkeiten wurden
auch im Umgang mit Concept Maps festgestellt (Kinchin, 2001; Machado & Carvalho, 2020).
Es ist anzunehmen, dass Zoom Maps wie auch Concept Maps Lernstrategien sind, die erst
erlernt werden müssen (Sumfleth et al., 2010). Für Concept Maps werden bereits
Trainingseinheiten erstellt und untersucht (Becker et al., 2021). Zukünftige
Forschungsprojekte könnten ähnliche Trainingsmethoden auch für die Zoom Map
untersuchen.
6.4 PUBLIKATION 4: Evaluation der Zoom Map in Vermittlungsversuchen
Zur Evaluation der Zoom Map wurden in dieser Publikation Vermittlungsversuche
durchgeführt. Daran wurde untersucht, welche Ebenen die Schüler*innen vor und nach einer
Vermittlungsphase, in der die Zoom Map eingesetzt wurde, einbezogen und wie sie das
Phänomen vor und nach der Vermittlungsphase erklärten.
6.4.1 Vergleich von Erklärungen vor und nach der Arbeit mit der Zoom Map
In der Analyse zeigte sich, dass nach dem Unterricht und der Arbeit mit der Zoom Map die
Organisationsebenen, auf die sich die Lernenden bezogen, zunahmen. Durch den Vergleich
der Erklärungen zu Beginn und nach der Vermittlung konnten zwei Aspekte hervorgehoben
werden: Bei der anfänglichen Erklärung erklärten die Lernenden hauptsächlich auf der Ebene
von Organismus und Organ. Bei der abschließenden Erklärung verwendeten die Lernenden
6. Ergebnisse und Diskussion
40
mehr der relevanten niedrigeren Ebenen (Abbildung 13) und konnten so das Phänomen
umfassender erklären.
Abbildung 13: Anzahl der Lernenden, die die jeweilige Ebene in ihre Anfangserklärung (E1) oder der
finalen Erklärung (E2) nutzten
Die inhärente Struktur der Zoom Map kann die Lernenden dazu motivieren, Ebenen zu
wechseln und zu verknüpfen (vertikale Kohärenz), doch das eigentliche Erleben und
Verstehen des Phänomens ergibt sich aus Beobachtungen, Zusatzmaterial, Modellen oder
Experimenten. Infolgedessen haben die Lernenden Konzepte auf verschiedenen
Organisationsebenen miteinander verknüpft (vertikale Kohärenz). Dieses Ergebnis steht im
Einklang mit der Literatur über grafische Lernwerkzeuge. Von Lernenden erstellte grafische
Lernwerkzeuge haben zu stärker vernetzten Vorstellungen geführt (Schwendimann & Linn,
2016) und sich als fruchtbar für das Lernen in den Naturwissenschaften und verwandten
Bereichen erwiesen (Davidowitz & Rollnick, 2001).
In Interaktion mit der Zoom Map und dem Begleitmaterial konstruierten die Schülerinnen
und Schüler tragfähige Erklärungen. Dies steht im Einklang mit Chi (2000). Ihr zufolge ist das
Lernen effektiver, wenn die Schüler*innen selbst Erklärungen erstellen, anstatt Erklärungen
zu erhalten.
6.4.2 Diskussion
Neben dem untersuchten Werkzeug, der Zoom Map, gibt es weitere Methoden, um
Erklärungen über Organisationsebenen hinweg zu fördern. In der Ökologie können die
Schüler*innen Materie und Energie über die Organisationsebenen hinweg verfolgen (Düsing
et al., 2018). Bei physiologischen Themen und insbesondere in der Genetik hat sich das Jo-Jo-
Lernen als fruchtbare Methode erwiesen, um die Organisationsebenen zu verbinden (Knippels
& Waarlo, 2018). Während die Regeln des Jo-Jo-Lernens (Knippels et al., 2005) den Lehrkräften
ermöglichen, den Unterricht in Bezug auf die Organisationsebenen auszurichten und zu
strukturieren, ist die Zoom Map ein Werkzeug, um die neuen Informationen zu strukturieren
und mit den Ebenen in Verbindung zu bringen. Sie kann ein wertvolles Instrument zur
Unterstützung des Jo-Jo-Lernens sein, da sie die Lernenden durch die Organisationsebenen
führt und vertikale und horizontale Zusammenhänge fördert.
Zukünftige Arbeite sollten untersuchen, ob die Zoom Map auch für andere Phänomene und
im naturwissenschaftlichen Unterricht fruchtbar sein kann.
0
2
4
6
8
10
12
organism organ tissue cell organelle
Number of students that used
specific levels in their explanation
First Explanation Final Explanation
6. Ergebnisse und Diskussion
41
6.5 PUBLIKATION 5: Biologische Komplexität und die Zoom Map
Die zentralen Erkenntnisse des Buchkapitels zur Zoom Map sind die theoretische Erweiterung
der Darstellungsmöglichkeiten der Zoom Map sowie die Untersuchung der
Erklärungsrichtungen der Lernenden.
6.5.1 Zoomarten der Zoom Map
Die Beschreibung der Zoom Map wird in PUBLIKATION 5 um verschiedene Darstellungsarten
des Ebenenwechsels ergänzt. Die grundlegende Darstellung ist der einfache Wechsel
(straight). Je nach Bedarf können auch Ebenen gegenübergestellt werden (juxtaposed) oder
zwei Strukturen auf einer Ebene dargestellt werden (diverging). Dadurch können etwa
horizontale Beziehungen zwischen verschiedenen Strukturen dargestellt werden (Abbildung
14).
Abbildung 14: Der Ebenenwechsel kann in der Zoom Map prinzipiell auf verschiedene Arten dargestellt
werden. Rote Pfeile stellen mögliche horizontale und vertikale Vernetzungen dar.
6.5.2 Richtung der Erklärungen vor und nach dem Arbeiten mit der Zoom Map
Dem Jo-Jo-Lernen zufolge sollten die Ebenen von höheren zu niedrigeren und wieder zurück
durchlaufen werden (Knippels, 2002) (Kapitel 2.3.1). Da biologische Phänomene
kontextabhängig sind, sollten Untersuchungen nicht nur abwärtsgerichtete Fragen, sondern
auch aufwärtsgerichtete Fragen berücksichtigen (Allen & Hoekstra, 2015).
Um zu untersuchen, inwiefern die Zoom Map diesen Ebenenwechsel unterstützt, analysierte
ich die Richtung der Ebenenwechsel in den Erklärungen der Proband*innen.
Grundsätzlich identifizierte ich fünf Möglichkeiten, in den Erklärungen die Ebenen zu
wechseln:
- O: Die Erklärung nur auf einer Ebene (One Level)
- D: Die Erklärung wechselt auf niedrigere Ebenen (Downwards)
- U: Die Erklärung wechselt auf höhere Ebenen (Upwards)
- D-U: Die Erklärung wechselt auf niedrigere und anschließend wieder auf höhere Ebenen
- U-D: Die Erklärung wechselt auf höhere und anschließend wieder auf niedrigere Ebenen
In unserer Analyse der Erklärungsrichtung konnte ich zeigen, dass sich die Richtung ihrer
Erklärungen änderte (Tabelle 3). Während sich die vorherrschende erste Erklärung auf eine
Ebene beschränkte (O), war die vorherrschende Richtung bei der letzten Erklärung aufwärts-
gerichtet (U), und fünf von zwölf Lernenden verwendeten sogar in gewissem Maße das Jo-Jo-
Prinzip (D-U und U-D).
6. Ergebnisse und Diskussion
42
Tabelle 3: Ebenenwechsel in den Erklärungen der Lernenden ohne Zoom Map (E1) und nach Vermittlung
unter Einsatz der Zoom Map (E2), (O: One level only, D: Downwards, U: Upwards, D-U: Downwards-
Upwards, U-D: Upwards-Downwards).
Erste Erklärung (E1)
Finale Erklärung (E2)
O
D
U
D-U
U-D
O
D
U
D-U
U-D
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
no explanation
S8
S9
S10
no explanation
S11
S12
S13
6.5.3 Diskussion
In unseren Vermittlungsversuchen gelang es den Lernenden, Zoom Maps zu erstellen, die die
aufrechtstehenden und welken Blätter der Brennnessel erklärten, auch wenn die Qualität der
Erklärungen unterschiedlich war. Die Arbeit mit einer Zoom Map führt nicht allein zu einer
angemessenen Erklärung. Dazu müssen zusätzlich die dem Phänomen zugrundeliegenden
Prinzipien oder Mechanismen den Lernenden zum Beispiel durch Modelle erfahrbar gemacht
werden.
Dennoch kann die Zoom Map die Erklärung auf den relevanten Ebenen unterstützen, indem
sie explizit angegebene Beziehungen zwischen den Entitäten auf den verschiedenen Ebenen
verlangt und nach Verbindungen innerhalb und zwischen ihnen fragt. Selbst wenn nicht alle
Aspekte einer Erklärung bekannt sind oder verstanden werden, können Lernende oder
Lehrkräfte zumindest die Wissenslücken identifizieren. Voraussetzung dafür ist eine
gründliche Bearbeitung der Zoom Map. Dann lassen sie sich leicht vergleichen und
Diskussionen können sehr strukturiert Ebene für Ebene geführt werden.
6.6 PUBLIKATION 6: Praxisartikel zum Einsatz der Zoom Map
Die Transferleistung des Praxisartikels fließt in Kapitel 8.2 ein. Eine Diskussion der Ergebnisse
entfällt aufgrund des Praxisbezugs des Artikels.
43
7.1 Ausgangslage
Bei Erklärungen komplexer biologischer Phänomene müssen die Organisationsebenen
berücksichtigt werden (Housh et al., 2022; Langlet, 2016). Lernenden fällt die
Berücksichtigung schwer, dies zeigt sich in vielen biologischen Kontexten (z.B. Brown &
Schwartz, 2009; Düsing et al., 2018; Jördens et al., 2016; Knippels, 2002; Wilensky & Resnick,
1999). In fachdidaktischen Aufsätzen wird daher gefordert, die Organisationsebenen in
Vermittlungssituationen explizit zu machen, zu vernetzen und zu reflektieren (Hammann,
2019; Jördens et al., 2016; Knippels et al., 2005; Verhoeff, 2003) (Kapitel 2.3.1). Daher besteht
ein Bedarf an einem Lernwerkzeug, welches es Lehrkräften und Lernenden ermöglicht,
Organisationsebenen bei biologischen Erklärungen zu vernetzen und explizit reflektieren zu
können. Dieses Vorhaben wird im nächsten Abschnitt in der bestehenden Literatur verortet.
7.2 Einordnung des Dissertationsvorhabens
Das Ziel der Arbeit war es, ein Lernwerkzeug zu entwickeln, welches Lernende dabei
unterstützt, bei biologischen Erklärungen die Organisationsebenen mit einzubeziehen.
Für den Umgang mit komplexen Phänomenen wurden bereits verschiedenste Möglichkeiten
beschrieben, um die Lernenden zu unterstützen. Diese sind einerseits Methoden zur
Strukturierung von Unterrichtseinheiten wie etwa das Jo-Jo-Lernen, aber auch konkrete
unterrichtliche Umsetzungen wie Simulationen, Modelle oder grafische Lernwerkzeuge
(Assaraf & Knippels, 2022, im Druck). Zu diesen bereits bekannten Möglichkeiten, Lernende
bei komplexen Phänomenen zu unterstützen, wird das Dissertationsvorhaben nachfolgend in
Beziehung gesetzt.
Das Jo-Jo-Lernen ist eine etablierte Methode, Organisationsebenen im Unterricht mit
einzubeziehen (Knippels et al., 2005). Kernelement des Jo-Jo-Lernens ist es, den
Unterrichtsgang entlang der Organisationsebenen auszurichten. Im Bereich der Genetik sollte
von der Ebene des Organismus startend die Organisationsebenen hinunter und anschließend
wieder hinauf durchlaufen werden. Das Jo-Jo-Lernen ist somit eine Methode, um Unterricht
auf lernförderliche Weise anhand der Organisationsebenen zu strukturieren (Knippels et al.,
2005). Jedoch besteht auf Ebene einzelner Unterrichtsstunden weiterhin der Bedarf, die
Organisationsebenen explizit mit den Lernenden zu reflektieren und Inhalte zu vernetzen
(Hammann, 2019; Reinagel & Bray Speth, 2016). Die vorliegende Arbeit knüpft genau an dieser
Stelle an.
Auch über Modellierungsaktivitäten zum Beispiel mit interaktiven Simulationen können
komplexe Phänomene vermittelt werden. Ein Kernpotenzial der Simulationen sind die
Darstellung von dynamischen Eigenschaften und insbesondere von Feedback-Loops (Assaraf
& Knippels, 2022, im Druck; Yoon, 2022, im Druck).
Eine konkrete Unterstützung können grafische Lernwerkzeuge wie Concept Maps bieten.
Concept Maps sind ein etabliertes Lernwerkzeug zur Vernetzung von Wissen (Dauer et al.,
2013; Fischer et al., 2002; Novak & Cañas, 2006a). Vorangegangene Studien schlugen Concept
Maps bereits zur Vernetzung von Organisationsebenen vor (Schwendimann & Linn, 2016).
Das Dissertationsvorhaben baut auf diesen Ergebnissen auf und verfolgt das Ziel, die
7.
7. Fazit
7. Fazit
44
Organisationsebenen noch weiter in den Fokus zu rücken und insbesondere die horizontalen
und vertikalen Verknüpfungen zwischen den Ebenen explizit zu machen.
7.3 Beiträge der Publikationen zum Dissertationsvorhaben
Das Ziel der Arbeit war es, ein Lernwerkzeug zu entwickeln, welches Lernende dabei
unterstützt, bei komplexen biologischen Erklärungen die Organisationsebenen mit
einzubeziehen. Die Bearbeitung dieses Vorhaben erfolgte im Rahmen von sechs
Publikationen. Um zu erläutern, wie sich die zentralen Ergebnisse in die bestehende Literatur
einfügen, werden die Beiträge der einzelnen Publikationen zum Dissertationsvorhaben
zusammengefasst (vgl. Kapitel 4).
Concept Maps sind in den Naturwissenschaften bereits ein etabliertes Lernwerkzeug zur
Vernetzung von Wissen (Brandstädter et al., 2012; Dauer et al., 2013; Fischer et al., 2002; Novak
& Gowin, 1984). Daher wurde in PUBLIKATION 1 eine unterrichtliche Einbettung vorgestellt,
die die Einführung, Übung und Nutzung von Concept Maps am Thema Säuren und Basen
vorstellt.
Eine weitere Grundlage für das Dissertationsvorhaben wurde in PUBLIKATION 2 geschaffen.
Denn obwohl viele fachdidaktische und fachbiologische Artikel sich auf das Konzept
beziehen, gibt es keine breite Einigkeit hinsichtlich der Art und Eigenschaften der Ebenen
(Eronen & Brooks, 2018). Anhand einer systematischen Literaturanalyse wurde das Konzept
der Organisationsebenen untersucht und ausgeschärft.
Die Erkenntnisse von PUBLIKATION 1 und 2 mündeten in der Entwicklung der Zoom Map,
einem grafischen Lernwerkzeug, das auf den Regeln des Concept Mapping basiert und
Organisationsebenen visuell explizit macht. Das Zoomen wird dabei als Leitmotiv grafisch
umgesetzt. Das neue grafische Lernwerkzeug wurde in PUBLIKATION 3 erstmals vorgestellt
und theoriebasiert begründet. Als eine erste explorative Evaluation wurden in
Vermittlungsversuchen einerseits die Interaktionen von Lernenden mit der Zoom Map und
andererseits die von Lernenden ausgefüllten Zoom Maps untersucht.
In PUBLIKATION 4 wurde der Einsatz der Zoom Map in Vermittlungsversuchen evaluiert. Das
Hauptaugenmerk lag hierbei auf den Erklärungen, die die interviewten Lernenden vor und
nach der Vermittlung unter Einsatz der Zoom Map abgaben. Insbesondere wurde untersucht,
auf welchen Ebenen die Lernenden erklären.
Um der Fragestellung nachzugehen, inwiefern die Zoom Map den Ebenenwechsel im Rahmen
des Jo-Jo-Lernens unterstützen kann, wurde in PUBLIKATION 5 die Erklärungsrichtung der
Lernenden betrachtet.
Mit PUBLIKATION 6 wurde der Wissenstransfer in die Praxis geleistet. Anhand einer
exemplarischen Unterrichtsreihe wurde der Einsatz der Zoom Map dargestellt.
Zentrale Ergebnisse dieser Publikationen werden im nächsten Abschnitt in den Stand der
Forschung eingeordnet.
7.4 Einordnung zentraler Ergebnisse der Publikationen
7.4.1 PUBLIKATION 1 und 6
Bei PUBLIKATION 1 und 6 handelt es sich um Praxisartikel. Daher können keine
Forschungsergebnisse in die bestehende Literatur eingeordnet werden.
7.4.2 PUBLIKATION 2
Im Rahmen von PUBLIKATION 2 konnte ich herausarbeiten, dass Autor*innen, je nach
Fachgebiet, unterschiedliche Organisationsebenen nennen. Damit wird die These gestützt,
dass Ebenen phänomenspezifisch verwendet werden (MacMahon et al., 1978; Novikoff, 1945).
7. Fazit
45
Weiterhin deckt sich dieser Befund mit der von MacMahon et al. (1978) vorgeschlagenen
Strukturierung der Organisationsebenen nach den vier verschiedenen Beziehungen, die
zwischen den Organisationsebenen bestehen können: physiologische Beziehung, Materie-
Energie Beziehung, evolutionäre Beziehung, phylogenetische Beziehung.
Auf Basis der analysierten Literatur wurde ein Ebenensystem (Abbildung 11) aufgestellt.
Damit wurde ein erster Schritt auf dem Weg zu einem Konsens in Bezug auf die
Organisationsebenen vorgenommen.
Um Organisationsebenen lernförderlich im Unterricht zu berücksichtigen, war darüber hinaus
eine lernförderliche Metapher für die Organisationsebenen und den Ebenenwechsel nötig
(Gropengießer, 2007b; Lakoff & Johnson, 1980). Auf der Grundlage der in der Literatur
beschriebenen Eigenschaften von Organisationsebenen, schlug ich die Metapher des Zoomens
für den Ebenenwechsel und Zoomstufen für die Organisationsebenen vor. Dies ist die erste
explizite Beschreibung einer lernförderlichen Metapher für die Organisationsebenen. Auch
wenn diese Metapher nicht explizit benannt wird, gibt es Hinweise darauf, dass Autor*innen
Organisationsebenen mit dieser Metapher verstehen. Dies zeigt sich beispielsweise in
Abbildungen der Organisationsebenen, bei denen mit Darstellungen optischer Vergrößerung
(= zoomen) gearbeitet wird (Eronen, 2015). Auch Düsing et al. (2019, p. 10) verwenden den
Ausdruck „Zoom-in“ (heranzoomen), um den Ebenenwechsel bei der Verfolgung von Materie
in Stoffkreisläufen zu beschreiben.
7.4.3 PUBLIKATION 3
Basierend auf den Ergebnissen von PUBLIKATION 1 und PUBLIKATION 2 wurde in
PUBLIKATION 3 die Zoom Map als neues grafisches Lernwerkzeug vorgestellt. Dieses vereint
die Vorteile von Concept Maps mit der expliziten Darstellung von Organisationsebenen durch
die Metapher des Zoomens.
Ein anderes grafisches Lernwerkzeug für den Bereich der Evolution und Genetik sind Causal
Maps. Causal Maps sind ebenfalls spezialisierte Concept Maps. Der namensgebende
Schwerpunkt liegt hier auf der Darstellung von kausalen Zusammenhängen. (Hanisch &
Eirdosh, 2020; Jamieson & Radick, 2017). Hanisch and Eirdosh (2020, p. 14) markieren in ihrem
Ansatz ebenfalls verschiedene Ebenen, diese nennen sie jedoch „causal domains“. Unter den
kausalen Domänen verstehen sie Gene, Körper, Gehirn, Verhalten, Umweltfaktoren, soziales
Umfeld und Wissen. Die Domänen entsprechen somit nicht den Organisationsebenen.
Im Unterschied zu Causal Maps werden bei Zoom Maps vor allem Strukturen als
Knotenpunkte und Prozesse als Relationen eingetragen. Somit werden Struktur-
Funktionsbeziehungen in Systemen in den Blick genommen.
Für den Chemieunterricht gibt es ein ähnliches grafisches Lernwerkzeug zur Verknüpfung
von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen (Meijer, 2011). Der Fokus dieses grafischen
Lernwerkzeugs liegt darauf, problemorientierte Untersuchungen anzuleiten, nicht jedoch in
der Darstellung der Ergebnisse.
Die Analyse der durchgeführten Vermittlungsversuche fokussierte auf die Schwierigkeiten
der Lernenden im Umgang mit der Zoom Map. So äußerten zum einen einige Schüler*innen
Probleme bei der Zuordnung von Strukturen zu bestimmten Organisationsebenen. Zum
anderen hielten sich nicht alle Lernenden an die Regeln zur Anfertigung der Zoom Maps und
beschrifteten die Relationen nicht. Ihre Zoom Maps ähnelten daher Mind Maps.
Schwierigkeiten wie diese sind bei der Nutzung eines neuen Lernwerkzeugs erwartbar. In
ähnlicher Weise stellen auch Sumfleth et al. (2010) Schwierigkeiten bei der Nutzung von
Concept Maps fest.
7. Fazit
46
7.4.4 PUBLIKATION 4 und 5
Die Evaluation der Zoom Map in PUBLIKATION 4 und PUBLIKATION 5 zeigte, dass das
Lernwerkzeug Zoom Map Lernende unterstützen kann und sie dazu anleitet, in ihren
Erklärungen Organisationsebenen zu berücksichtigen.
Insbesondere zeigte sich, dass Lernende nach der Vermittlung mit der Zoom Map in ihren
Erklärungen mehr Organisationsebenen ansprachen. Die Erklärungsrichtung veränderte sich
von Erklärungen, die vornehmlich auf einer Ebene blieben, hin zu Erklärungen, die
Ebenenwechsel nach oben oder unten berücksichtigten (Tabelle 3).
Die Lernenden wechselten somit die Ebenen, wie es das Konzept des Jo-Jo Lernens fordert
(Knippels, 2002; van Mil et al., 2013). PUBLIKATION 5 ist die erste Untersuchung der Richtung
des Ebenenwechsels in Erklärungen von biologischen Phänomenen.
Dass die Zoom Map Lernende bei der Organisation und Vernetzung ihrer Erklärungen
unterstützt, steht im Einklang mit der Literatur zu Concept Mapping und grafischen
Lernwerkzeugen: Concept Maps unterstützen Lernende durch die Externalisierung von
Vorstellungen, die Vernetzung und Reorganisation von Wissen (Brandstädter et al., 2012;
Dauer et al., 2013; Fischer et al., 2002; Novak & Gowin, 1984). Schwartz and Brown (2013)
ergänzen, dass Concept Maps bei der Vernetzung von Organisationsebenen unterstützen
könnten.
Der Gesamtcharakter des Dissertationsvorhabens ist durch den Bezug auf nur ein biologisches
Phänomen exemplarisch und explorativ. Die Erkenntnisse lassen sich daher nur in Bezug auf
das biologische Phänomen des Welkens generalisieren. Das Dissertationsvorhaben kann
daher als Ausgangspunkt für aufbauende Forschungsvorhaben dienen, wie im nächsten
Abschnitt erläutert wird.
47
Im vorliegenden Kapitel werden die Erkenntnisse der Arbeit aus der Perspektive von
Forschung und Biologieunterricht betrachtet. Dabei werden Implikationen für den jeweiligen
Bereich skizziert und mögliche Anschlussfragestellungen vorgeschlagen.
8.1 Perspektive der Forschung
Aus der Perspektive der Forschung werden die Bedeutungen der gewonnenen Erkenntnisse
und insbesondere Anschlussfragestellungen erläutert. Dabei werden zunächst die
Erkenntnisse zu den Organisationsebenen und anschließend die Erkenntnisse zur Zoom Map
beleuchtet.
8.1.1 Erkenntnisse zu den Organisationsebenen
Bisher gab es keinen Konsens über Organisationsebenen (Eronen & Brooks, 2018) und keine
strukturierte Untersuchung der Verwendung der Organisationsebenen in wissenschaftlichen
Publikationen. Die Ergebnisse von PUBLIKATION 2 und insbesondere das vorgestellte
Ebenensystem (Abbildung 11) stellen daher einen ersten Schritt in Richtung eines Konsenses
in Bezug auf die Organisationsebenen dar.
In meinem Dissertationsvorhaben habe ich analysiert, wie Autor*innen die
Organisationsebenen beschreiben. Basierend auf den gebildeten Kategorien könnte die
weitere Forschung analysieren, wie sich Autor*innen Organisationsebenen und ihre
Eigenschaften vorstellen.
Nicht nur zu den Vorstellungen von Autor*innen, sondern auch von Lernenden über
Organisationsebenen gibt es bisher noch keine umfangreichen Erkenntnisse. Ein Plakat von
Lutze and Zabel (2014) veröffentlicht zwar erste vorläufige Ergebnisse, dennoch bedarf es hier
weiterer Untersuchungen.
Daneben sollten auch die Vorstellungen von Lehrkräften in den Blick genommen werden,
denn auch angehende Lehrkräfte habe Schwierigkeiten im Umgang mit komplexen
biologischen Phänomenen (Taşdelen & Güven, 2021).
8.1.2 Erkenntnisse zur Zoom Map
Vermittlung
Bei der Konstruktion von Erklärungen zu komplexen biologischen Phänomenen zeigen sich
über viele Kontexte und Studien hinweg Lernschwierigkeiten im Zusammenhang mit den
Organisationsebenen (Kapitel 2.1). Daher besteht ein Bedarf an Methoden und
Lernwerkzeugen, um Lernenden die Vernetzung und Reflexion von Organisationsebenen zu
ermöglichen (Kapitel 2.3). Trotz bestehender Lernmethoden, wie zum Beispiel dem Jo-Jo-
Lernen (Knippels, 2002), müssen die Organisationsebenen zusätzlich explizit angesprochen
und vernetzt werden (Hammann, 2019). Mit der Zoom Map wurde in PUBLIKATION 3 ein neues
grafisches Lernwerkzeug vorgestellt, das es Lehrenden und Lernenden ermöglicht, Konzepte
den Organisationsebenen zuzuordnen, diese zu vernetzen und anschließend die
Verknüpfungen zu reflektieren. Die in PUBLIKATIONEN 4 und 5 durchgeführten Evaluationen
zeigten, dass Lernende mit der Zoom Map Erklärungen konstruierten, die mehr
8.
8. Implikationen und
Ausblick
8. Ausblick
48
Organisationsebenen berücksichtigten. Ihnen gelangen somit Erklärungen über die
Organisationsebenen hinweg.
Die Evaluation wurde anhand eines pflanzenphysiologischen Kontexts durchgeführt.
Zukünftige Untersuchungen sollten sich darauf konzentrieren, ob die Zoom Map auch für
andere Phänomene und in natürlichen Umgebungen im naturwissenschaftlichen Unterricht
nützlich sein kann.
Neben der Zoom Map gibt es weitere Lernwerkzeuge, die es Lernenden ermöglichen sollen,
komplexe Phänomene umfassend zu erklären. Im Bereich der Ökologie wird vorgeschlagen,
Atome in Stoffkreisläufen über die Organisationsebenen hinweg zu verfolgen (Düsing et al.,
2018). Auch interaktive Simulationen können Lernenden Erfahrungen stiften, durch die sie die
Phänomene angemessener erklären können (Assaraf & Knippels, 2022, im Druck; Eilam &
Omar, 2022, im Druck; Yoon, 2022, im Druck).
Diese Vorgehensweisen könnten durch die Zoom Map unterstützt werden, indem die
Lernenden ihre gewonnenen Erkenntnisse strukturiert festhalten. Mit der Kombination dieser
Lernmethoden können sich zukünftige Projekte beschäftigen.
Training
Ähnlich wie bei der Erstellung von Concept Maps ist das Erlernen der Erstellung einer Zoom
Map wichtig. In Bezug auf Concept Mapping haben Studien die Vorteile von Concept Map
Training hervorgehoben (Becker et al., 2021). Daher sollten sich nachfolgende
Untersuchungen auf die Wirkung von Zoom Map Trainings- bzw. Übungsphasen
konzentrieren.
Diagnose
In der Zoom Map zeigen sich wie in Concept Maps die individuellen Denkgebäude der
Lernenden. Concept Maps werden daher nicht nur zur Vermittlung, sondern auch als
Diagnosewerkzeug eingesetzt (Akçay, 2016; Bergan-Roller et al., 2018; Kinchin et al., 2019;
Plotz, 2019; Rebich & Gautier, 2005). Die Zoom Map könnte, im Unterschied zur Concept Map,
die Diagnose von Lernschwierigkeiten in Bezug auf Organisationsebenen ermöglichen. Mit
der Zoom Map könnten fehlende Verknüpfungen, Verwechslung von Ebenen und
Erklärungen nur auf einer Ebene einfacher diagnostiziert werden. Dazu sind jedoch weitere
Erkenntnisse zum Einfluss der Zoom Map auf Lernende nötig, um so eine ähnliche
Validitätsüberprüfung vorzunehmen, wie sie Plotz (2019) für Concept Maps durchführt.
Feedback
Für Lehrende stellt sich die Frage, wie sie mit den Zoom Maps umgehen sollen, die von den
Lernenden erstellt werden. Der Blick auf die Empirie zu Concept Maps liefert erste Ansätze,
da dort ähnliche Fragestellungen bearbeitet wurden (Kinchin, 2001). Einerseits können
Scoring-Methoden angewendet werden, um die Qualität der Vernetzung zu bestimmen. Diese
Scores können zu Vergleichen zwischen Concept Maps verschiedener Personen oder von
ursprünglichen und weiterentwickelten Concept Maps herangezogen werden (Novak &
Gowin, 1984). Der Ansatz, höchst individuelle Konstrukte wie Concept Maps auf Zahlenwerte
zu reduzieren, findet jedoch auch deutliche Kritik: „Die Benotung einer Concept Map kann
die Einstellung der Schüler zu ihr verändern und so ihr Potenzial zur Förderung des Lernens
gefährden“ (White & Gunstone, 1992, p. 28, übersetzt). Dies ist eine Position, die von anderen
Autor*innen unterstützt wird (Caine & Caine, 1994; Kinchin, 2001).
Eine Alternative zur Bewertung ist es, mit den vorhandenen Concept Maps oder Zoom Maps
weiterzuarbeiten und diese zu reflektieren. Die Lehrperson oder andere Lernende können
anhand von Reflexionsfragen zur Überarbeitung anregen. Beispiele für Reflexionsfragen sind
nach Kroeze et al. (2021):
8. Ausblick
49
- Besteht zwischen diesen beiden Elementen eine Verbindung?
- Ist diese Verbindung notwendig?
- Ist dieses Element notwendig für die Erklärung des Phänomens?
Für Concept Maps bestehen bereits erste Lernumgebungen, die auf Basis von Musterlösungen
Lernenden automatisches Feedback geben können (Kroeze et al., 2021). Zukünftige
Forschungsprojekte könnten ähnliche Umgebungen auch für Zoom Maps schaffen.
8.2 Perspektive des Biologieunterrichts
Mit dem Blick einer Lehrkraft sollen im Folgenden die Implikationen der Ergebnisse dieses
Dissertationsvorhabens für den Biologieunterricht dargestellt werden. Aus der Perspektive
des Unterrichts ergeben sich auf Grundlage der gewonnen Erkenntnisse Leitlinien, die bei der
Planung von Unterricht berücksichtig werden sollten (Kapitel 8.2.1). Um diese Leitlinien zu
illustrieren, wird auf Basis der PUBLIKATION 6 in Kapitel 8.2.2 eine beispielhafte
Unterrichtseinheit skizziert.
8.2.1 Leitlinien
Unterricht sollte anhand des Jo-Jo-Lernens strukturiert werden
Der Umgang mit komplexen Phänomenen ist schwierig für Lernende. Insbesondere die
vertikale und horizontale Vernetzung der Organisationsebenen stellt eine Herausforderung
dar (Kapitel 2.1). Dies zeigte sich nicht nur bei der Analyse der bestehenden Literatur in
PUBLIKATION 2, sondern auch bei der Durchführung eigener Vermittlungsversuche
(Kapitel 6). Die Schwierigkeiten der Lernenden sollten daher bei der Planung und
Durchführung von Biologieunterricht berücksichtigt werden. Bei der Planung kann anhand
des Jo-Jo-Lernens (Knippels, 2002) ein lernförderlicher Unterrichtsgang entwickelt werden,
der die Organisationsebenen durchschreitet. Zusätzlich sollten die Organisationsebenen
explizit gemacht und eingeführt werden (Hammann, 2019).
Organisationsebenen sollten eingeführt werden
In PUBLIKATION 2 wurde ein Ebenensystem für Biologieunterricht vorgeschlagen (Abbildung
11), welches als Grundlage für die explizite Einführung der Organisationsebenen dienen kann.
Im Unterricht könnte die explizite Reflexion gelingen, indem zunächst die
Organisationsebenen zu Beginn einmal eingeführt werden. Dabei kann die in PUBLIKATION 2
vorgestellte Metapher des Zoomens angewendet werden. Organisationsebenen können als
Zoomstufen und der Ebenenwechsel als reinzoomen oder rauszoomen eingeführt werden.
Anschließend kann das Ebenensystem dann zum Beispiel als Plakat im Fachraum aufgehängt
werden. Im Unterrichtsgespräch kann so immer wieder auf die Organisationsebenen
verwiesen werden, um Erklärungen auszuschärfen und die Organisationsebenen zu
reflektieren.
Je nach biologischem Thema oder Phänomen können dabei unterschiedliche Beziehungen eine
Rolle spielen, zum Beispiel Materie-Energie-Beziehungen bei ökologischen Phänomenen.
Lernende sollten bei der Konstruktion von Erklärungen mit der Zoom Map unterstützt werden
Bei der Erarbeitung biologischer Phänomene können und sollten Lernende unterstützt
werden. Im Rahmen des vorliegenden Dissertationsvorhabens wurde das neue Lernwerkzeug
Zoom Map entwickelt, welches Lernende bei der Verknüpfung der Organisationsebenen
strukturiert anleitet. Die Zoom Map ist ein Lernwerkzeug, das die Organisationsebenen
darstellt. Auf der Zoom Map werden Strukturen verortet und untereinander vernetzt.
Dadurch leitet die Zoom Map dazu an, Phänomene auf allen Ebenen zu erklären.
8. Ausblick
50
Zoom Maps sollten reflektiert werden
Die von Lernenden erstellten Zoom Maps sollten reflektiert und überarbeitet werden.
Hinweise, wie dies gelingen kann, lassen sich aus der Literatur zu Concept Maps ableiten. Die
Lehrperson oder andere Lernende können anhand von Reflexionsfragen zur Überarbeitung
anregen. Beispiele für Reflexionsfragen sind nach Kroeze et al. (2021):
- Besteht zwischen diesen beiden Elementen eine Verbindung?
- Ist diese Verbindung notwendig?
- Ist dieses Element notwendig für die Erklärung des Phänomens?
Der Umgang mit der Zoom Map muss geübt werden
Wie andere Lernmethoden, zum Beispiel Concept Mapping (Becker et al., 2021; Sumfleth et
al., 2010), muss die Arbeit mit der Zoom Map erst geübt und trainiert werden.
Concept Mapping wird beispielsweise in Niedersachen im Kerncurriculum der gymnasialen
Oberstufe dem Kompetenzbereich Kommunikation zugeordnet und ist somit abiturrelevant
(Niedersächsisches Kultusministerium, 2017, p. 27). Es bietet sich an, zunächst mit Concept
Mapping einzusteigen, ein mögliches Unterrichtsszenario wird in PUBLIKATION 1 beschrieben.
Aufbauend auf den Concept Maps können die Lernenden dann an Zoom Maps herangeführt
werden, ein beispielhaftes Vorgehen wird in PUBLIKATION 6 dargestellt.
Die Zoom Map kann mit anderen Methoden kombiniert werden
Die Zoom Map kann auch herangezogen werden, um andere Methoden im Umgang mit
komplexen Systemen zu unterstützen. Dazu gehört beispielsweise das Verfolgen von Atomen
in Stoffkreisläufen (Düsing et al., 2018). Auch Erkenntnisse, die sich Lernende anhand von
interaktiven Simulationen erarbeiten können (Assaraf & Knippels, 2022, im Druck; Eilam &
Omar, 2022, im Druck; Yoon, 2022, im Druck), könnten durch eine Zoom Map strukturiert
festgehalten werden.
Um die Umsetzung dieser Leitlinien zu illustrieren, wird im nächsten Kapitel eine
beispielhafte Umsetzung vorgestellt.
8.2.2 Praktische Umsetzung
Die in PUBLIKATION 6 vorgestellte Einheit wird hier in Kürze skizziert, um Lehrenden die
Einbindung der Zoom Map in den Unterricht vorzustellen. Ein vollständiger Abdruck der
Publikation findet sich in Kapitel 10.
Exemplarische Einheit
Als exemplarischer Kontext wurde die Zellbiologie der 11. Klasse gewählt. Die
Unterrichtsreihe ist dabei nach den Prinzipien des Jo-Jo–Lernens strukturiert. Sie beginnt auf
der Ebene des Phänomens und bezieht in den darauffolgenden Stunden immer tiefere
Organisationsebenen mit ein.
In der ersten Doppelstunde werden die Organisationsebenen sowie die Methode der Zoom
Map eingeführt. Anschließend konstruieren die Lernenden auf der Basis ihrer Vorstellungen
eine Erklärung in Form einer Concept Map. Diese wird dann im Verlauf der Einheit immer
wieder überarbeitet und reflektiert (Tabelle 4).
8. Ausblick
51
Tabelle 4: Exemplarische Unterrichtseinheit
Stun-
den
Thema und Leitfrage
Kurzbeschreibung
Lernziele
(Niedersächsisches
Kultusministerium, 2017)
1/2
Einstieg und
Diagnose
Warum hängen die
Blätter der Pflanze?
(Ebene des
Organismus)
Die SuS stellen ihre
Erklärung des Phänomens
als Zoom Map dar.
Die SuS strukturieren
komplexe biologische
Zusammenhänge. (KK 2.3.)
3/4
Salat Experiment
Warum wird Salat mit
Dressing welk?
(Ebene des Organs)
Die SuS planen Versuche
mit Salat und Zutaten für
Dressing und führen diese
durch.
Die SuS wenden den
naturwissenschaftlichen
Gang der Erkenntnis-
gewinnung auf neue
Probleme an. (EG 4.1)
5/6
Zwiebelzelle
Warum wird Salat mit
Dressing welk?
(Ebene der Gewebe
und Zellen)
Die SuS führen Versuche
zu Plasmolyse und
Deplasmolyse von
Zwiebelzellen unter dem
Mikroskop durch und
beschreiben die Ver-
änderungen der Vakuole.
Die SuS mikroskopieren
und skizzieren biologische
Präparate (Plasmolyse).
(EG. 2.2)
7/8
Aufbau der
Biomembran 1
Woraus besteht die
Biomembran?
(Ebene der Moleküle)
Die SuS führen Versuche
mit Rotkohl durch und
begründen anhand des
Experiments, aus welchen
Grundbausteinen
Biomembranen bestehen.
Die SuS erläutern Struktur-
Funktionsbeziehungen auf
der Ebene von Molekülen
modellhaft (Phospholipide).
(FW 1.2)
9/10
Aufbau der
Biomembran 2
Wie ist die Bio-
membran aufgebaut?
(Ebene der Moleküle)
Die SuS analysieren die
Befunde von Gorter und
Grendel und zeichnen
eine Zellmembran, die zu
den Versuchsergebnissen
passt.
Die SuS erläutern
modellhaft den Aufbau von
Biomembranen (Flüssig-
Mosaik-Modell). (FW 2.2)
11/12
Aufbau der
Biomembran 3
Mit welchen
Modellen kann man
den Aufbau der
Biomembran
darstellen?
(Ebene der Moleküle)
Die SuS vergleichen
Sandwich-Modell und
Flüssig-Mosaik-Modell
und überprüfen diese
anhand von empirischen
Befunden.
Die SuS erläutern
biologische Sachverhalte
mithilfe von Modellen. (EG
3.1)
Die SuS wenden Modelle
an, erweitern sie und
beurteilen die Aussagekraft
und Gültigkeit (Flüssig-
Mosaik-Modell). (EG 3.2)
13/14
Osmose
Wie kommt das
Wasser durch die
Biomembran?
(Ebene der Moleküle)
Die SuS erläutern Osmose
als Stoffaustausch durch
eine permeable Membran
auf Stoffebene und
Teilchenebene anhand
eines Versuchs und einer
Simulation.
Die SuS unterscheiden bei
der Erläuterung physio-
logischer Sachverhalte
zwischen Stoff- und
Teilchenebene (Diffusion,
Osmose). (KK 2.4)
8. Ausblick
52
Stun-
den
Thema und Leitfrage
Kurzbeschreibung
Lernziele
(Niedersächsisches
Kultusministerium, 2017)
Die SuS erläutern
verschiedene Arten von
Stofftransport zwischen
Kompartimenten
(Diffusion, Osmose, aktiver
Transport). (FW 2.3)
Exemplarischer Stundenverlauf einer Einführungsstunde
In der vorliegenden Einführungsstunde der Unterrichtseinheit werden zunächst die
Organisationsebenen am Beispiel der Pflanze eingeführt. Anschließend werden die Methoden
Concept Map und Zoom Map zunächst geübt und dann angewendet, um eine Erklärung für
das Phänomen welker Pflanzen zu konstruieren.
Diese nur auf dem Vorwissen der Lernenden basierende Erklärung wird dann im weiteren
Verlauf immer weiter erweitert und reflektiert. Anhand von Unterrichtsmaterialien, die das
Phänomen auf allen Ebenen darstellen, sollen die Lernenden erste Erklärungsansätze
formulieren und in ihre Zoom Maps integrieren. Der Verlauf wird in Tabelle 5 dargestellt, eine
ausführliche Beschreibung sowie die eingebundenen Unterrichtsmaterialien sind im Anhang
bei PUBLIKATION 6 zu finden (Kapitel 10.6).
Tabelle 5: Verlaufsplan der ersten Doppelstunde (Impulse der Lehrkraft sind unterstrichen, antizipierte
Antworten der Lernenden sind kursiv.)
Zeit
[min]
Lehrer*innenverhalten und antizipiertes Schüler*innenverhalten
5
Einstieg
Beschreibt die Abbildung (Abb. 4)
Eine Pflanze ist welk/krank/schlaff, die andere Pflanze normal/gesund/straff.
Formuliert eine Fragestellung für die Stunde.
Warum sind die Blätter schlaff / Warum sehen die Blätter unterschiedlich aus?
5
Diagnose 1
Mich interessiert, wie ihr euch das vorstellt. Erklärt schriftlich, warum die
Blätter rechts herabhängen und links stabil abstehen. Diese Erklärung nutzen wir
später noch einmal.
10
Erarbeitung 1
Um die Fragestellung zu beantworten, sollten wir uns erstmal damit
beschäftigen, welche Organisationsebenen für unser Phänomen relevant sind.
Informiert euch anhand des AB und erstellt eine Concept Map zu den
Organisationsebenen.
Organisationsebenen Pflanze
Alternativer Lernweg: SuS erhalten zusätzlich eine Anleitung (+ 10 min)
Methode: Concept Map
5
Zwischensicherung 1
8. Ausblick
53
Zeit
[min]
Lehrer*innenverhalten und antizipiertes Schüler*innenverhalten
Stellt eure Concept Map vor.
Alternativer Lernweg: Wie seid ihr vorgegangen, um diese Concept Map zu
erstellen?
10
Diagnose 2
Jetzt wisst ihr, dass man biologische Phänomene häufig auf mehreren Ebenen
erklären muss. Da das Schüler*innen häufig schwerfällt, wurde die Zoom Map als
Unterstützung entwickelt. Erklärt, warum die Blätter rechts herabhängen und links
stabil abstehen. Tragt eure bisherige Erklärung in die Zoom Map ein.
Methode Zoom Map
Zoom Map
10
Zwischensicherung 2
Beschreibt, wie ihr vorgegangen seid, um eure Zoom Map zu erstellen.
Auf typische Fehler hinweisen (fehlende Verknüpfungen, unbeschriftete
Relationen) -> Schüler*innen zum aktiven Umgang mit fehlendem Wissen anleiten,
z.B. Fragezeichen an Relationen schreiben, offene Fragen markieren.
5
Planung
Beschreibt, wie wir vorgehen müssten, um das Phänomen weiter zu betrachten.
Pflanze auf allen Organisationsebenen betrachten. Experimente durchführen, um
herauszufinden, woran es liegt.
Ggf. kann das Experiment vorgezogen werden Alternative: Experiment
15
Erarbeitung 2
Untersucht die Pflanzen auf allen Organisationsebenen. Erweitert eure Zoom
Map um die neuen Erkenntnisse.
Grafischer Zoom Buntnessel
Fotografischer Zoom Buntnessel
10
Sicherung 3
Eine Gruppe präsentiert ihr Ergebnis, die anderen ergänzen/verbessern.
10
Reflexion
Stellt anhand eurer Zoom Map dar, was ihr bereits gelernt habt und welche
Fragen noch offenbleiben.
Ende der Unterrichtsstunde
10
Alternative: Experiment
Da wir nicht genügend Blätter der Buntnessel haben, nutzen wir als
Modellorganismus Salatblätter. Plant ein Experiment, um herauszufinden, unter
welchen Bedingungen Salatblätter weich werden.
10
Sicherung 4
Eine Gruppe präsentiert ihre Planung, die anderen ergänzen/verbessern.
54
Akçay, S. (2016). Prospective elementary science teachers’ understanding of photosynthesis
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66
Box 5: Angaben zu den zugrundeliegenden Publikationen
PUBLIKATION 1
Kapitel
10.1
Schneeweiß, N. & Schanze, S. (2020). Wissen organisieren und
visualisieren – Erstellung von Concept Maps mit CmapTools. Unterricht
Chemie. (177/178). 92-95.
Zeitschrift mit HerausgeberInnen-Review.
Publikation 2
Kapitel
10.2
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2019). Organising Levels of
Organisation for Biology Education: A Systematic Review of Literature.
Education Sciences. 9(3). 207.
Zeitschrift mit Blind-Peer-Review.
Publikation 3
Kapitel
10.3
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2021). The Zoom Map: A New
Graphic Organizer to Guide Students' Explanations Across the Levels of
Biological Organization. Bioscene. 47(1). 3-14.
Zeitschrift mit Peer-Review.
Publikation 4
Kapitel
10.4
Schneeweiß, N., Mölgen, L. & Gropengießer, H. (2022). Guiding
students’ explanations across the levels of biological organisation: The case
of wilted plants. Journal of Biological Education.
Zeitschrift mit Blind-Peer-Review.
Publikation 5
Kapitel
10.5
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2022). The Zoom Map:
Explaining Complex Biological Phenomena by Drawing Connections
between and in Levels of Organization. In: Assaraf, O. B. Z. & Knippels,
M. C. (Hrsg.). Fostering Understanding of Complex Systems in
Biology Education. Cham: Springer Verlag. 123-149.
Eingeladenes Buchkapitel. Referierter Sammelband.
Publikation 6
Kapitel
10.6
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2022). Komplexe biologische
Phänomene durch Zoomen und Jo-Jo-Lernen auf allen Ebenen erklären.
BU-Praktisch. 5(2). 1
Zeitschrift mit HerausgeberInnen-Review.
10.
10. Anhang
10.1 Publikation 1: Concept Mapping
67
10.1 PUBLIKATION 1: Concept Mapping mit CmapTools
Angaben zur Publikation
Box 6: Literaturangaben von Publikation 1 – Concept Mapping
Schneeweiß, N. & Schanze, S.
Wissen organisieren und visualisieren – Erstellung von Concept Maps mit
CmapTools
Unterricht Chemie (177/178), 92-95
Publiziert im Juni 2020
HerausgeberInnen Review1
DOI
https://www.friedrich-verlag.de/chemie/saeuren-basen/wissen-
organisieren-und-visualisieren-3674
Darstellung der Eigenleistung
Das Manuskript wurde von mir verfasst. Prof. Sascha Schanze stand beratend zur Seite und
trug zur Überarbeitung des Manuskripts bei.
Hinweise zum Urheberrecht
Abgedruckt wird das noch nicht begutachtete Manuskript (Author‘s Original Manuscript).
Die publizierte Version kann unter dem folgenden Link abgerufen werden (kostenpflichtig):
https://www.friedrich-verlag.de/chemie/saeuren-basen/wissen-organisieren-und-
visualisieren-3674
1
Der Erstautor war einer von drei HerausgeberInnen dieser Ausgabe.
10.1 Publikation 1: Concept Mapping
68
Abdruck der Publikation
Wissen organisieren und visualisieren – Erstellung von Concept Maps
mit CmapTools
Schneeweiß, Niklas & Schanze, Sascha
Eingereicht im März 2020. Publiziert im Juni 2020.
Kurzbeschreibung
Concept Maps sind eine Repräsentationsform, die sich zur Darstellung konzeptioneller
Beziehungen/Zusammenhänge eignet. Am Beispiel des Themas Säuren und Basen wird in
diesem Beitrag dargestellt, wie die Erstellung und Reflektion von Concept Maps mit dem
Programm oder der App CmapTools im Unterricht eingesetzt werden kann, um vernetztes
Denken zu fördern.
Einleitung
Naturwissenschaftlicher Unterricht stellt Lernende vor die Herausforderung, Vorstellungen
auf verschiedenen Betrachtungsebenen zu vernetzen [z.B. 1,2]. In der Chemie sind
beispielsweise Vorgänge auf der Ebene der Phänomene mit Erklärungen auf der
submikroskopischen Ebene zu verknüpfen. Concept Maps können diese Prozesse
unterstützend begleiten.
Concept Maps sind eine Form der Wissensorganisation und -visualisierung. Die kleinste
Einheit einer Concept Map besteht aus zwei Begriffen, die durch eine Relation miteinander in
Beziehung gesetzt werden (Proposition) und (in Bezug zu einem Bezugsrahmen) eindeutig als
richtig oder falsch beurteilt werden kann: z.B. Säure wirkt als Protonenakzeptor
(Bezugsrahmen: Brönsted-Definition) [3] (s. Abb. 1 und 5).
Abbildung 15: Concept Map zu Concept Maps
Potentiale von Concept-Maps
Konzepte sind individuell und beliebig strukturiert mental repräsentiert. In einer Concept
Map werden die individuellen Konzepte und ihre Beziehung zueinander abbildbar. Durch die
10.1 Publikation 1: Concept Mapping
69
geringen Strukturvorgaben unterstützen Concept Maps das Anfertigen individueller
semantischer Netzwerke [4].
Gerade im Fach Chemie besteht das fachdidaktische Potential von Concept Maps darin,
Konzepte, die ständig weiterentwickelt werden, zu explizieren. So kann das Säure-Base-
Konzept nach Arrhenius, Brönsted oder Lewis betrachtet werden. Die Proposition Säure wirkt
als ... wird jedes Mal anders sein.
Der Gewinn durch den Einsatz dieser Methode besteht also nicht darin, das Concept Map als
ein gutes oder schlechtes Endprodukt zu beurteilen. Vielmehr liegt der Wert dieser Methode
im Erstellungsprozess an sich. Das Explizit-machen der eigenen Vorstellungen ermöglicht
Aushandlungs-prozesse mit anderen Lernenden sowie die Reflexion eigener und fremder
Vorstellungen. Lernende können so selbst Lernschwierigkeiten entdecken. Neue Ideen
werden anders als in linearen Dokumentationen (Texte, Portfolios, Lerntagebücher) zu jeder
Zeit und an jeder Stelle fortlaufend in die komplexen Strukturen des Map integriert. Durch
diese Ergänzungen und Erweiterungen des Concept Map kann wiederum auf Veränderungen
der kognitiven Wissensstruktur geschlossen werden [5].
Für die Lehrkraft besteht das Potenzial in der Diagnosemöglichkeit. Ein schneller Blick auf ein
Schüler Concept Map verrät dem geübten Auge viel über mögliche Lernschwierigkeiten.
Herausforderungen von Concept-Maps
Gerade zu Beginn kann das Erstellen von Concept Maps für Schülerinnen und Schüler
herausfordernd sein. Eine erste Hürde ist für viele Schülerinnen und Schüler die Sammlung
von Begriffen zu einem Thema. Dieser Schritt kann jedoch unterstützt werden (siehe
Durchführung). Typische Anfängerfehler sind, dass Begriffe nicht verknüpft oder
Verknüpfungen nicht beschriftet werden. CmapTools gibt schon eine Struktur vor;
beispielsweise erstellt es automatisch zu jeder Verknüpfung ein Beschriftungsfeld. Dadurch
werden die Lernenden angeregt, ihre Vorstellung zu dieser Verknüpfung zu explizieren.
Dennoch sollte die Erstellung mit der Gruppe eingeübt werden, um die grundsätzlichen
Bedeutungen der einzelnen Arbeitsschritte möglichst frühzeitig zu erkennen (siehe
Durchführung).
CMapTools kann Lernende durch das sehr einfache Vorgehen dazu verleiten, sehr
umfangreiche Maps zu erstellen. In diesem Fall sollten die Schülerinnen und Schüler auch
angeregt werden, ihr Map sinnvoll zu reduzieren.
Nützlich für das Fach Chemie wäre die Einbindung von Chemische Gleichungen. Werkzeuge
für Reaktionspfeile oder Hoch- und Tiefstellungen sind in CmapTools vorhanden. Allerdings
verbleibt die Erstellung von Gleichungen komplizierter als auf Papier.
Mehrwert von CMapTools
CmapTools ist ein Programm, das auf Computern genutzt werden kann und auch als App für
das iPad verfügbar ist. Der Mehrwert von CmapTools gegenüber der Erstellung eines Concept
Map auf Papier liegt zum einen in der Flexibilität. Begriffe können beliebig auf einer
Arbeitsoberfläche durch Relationen in Beziehung gesetzt werden. Ein Verändern und
Erweitern eines Concept Maps ist jederzeit problemlos möglich. Dadurch können im
Lernprozess (z.B. im Unterrichtsverlauf) immer wieder Propositionen eingefügt oder
neuverknüpft werden. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz des Programms ist, dass Begriffe des
Concept Maps mit externen Ressourcen verlinkt werden können. Als Ressourcen sind alle
Informationen denkbar, auf die die Schülerinnen und Schüler während ihres selbstgesteuerten
Lernprozesses stoßen oder die sie selbst anfertigen, wie z. B. Bilder, kurze Texte oder Videos.
Richtig interessant ist auch die kostenfrei nutzbare Server-Client Lösungen. Die Lehrperson
kann im Unterricht genutzte Materialien auf dem Server hinterlegen. Sie stehen den
10.1 Publikation 1: Concept Mapping
70
Lernenden zu einem beliebigen Zeitpunkt von jedem netzwerktauglichen Rechner zur
Verfügung. Auch ein Austausch erstellter Concept Maps oder eine Zusammenarbeit wird
ermöglicht.
Sofern es eine von der Lehrkraft erstellte Experten Map gibt, können die Lernenden ihre Map
mit der Experten Map vergleichen. CmapTools gibt dann Rückmeldung, welche Relationen
übereinstimmen.
Kurz-Anleitung CMapTools
CMapTools unterscheidet zwischen einem Navigationsfenster (Ansicht) und der
Arbeitsfläche zum Erstellen eines Concept Maps. Um eine neue Concept Map zu erstellen,
wählen Sie Datei -> Neue CMap. Durch Doppelklick in die freie Fläche kann ein Begriff
eingetragen werden. Durch Klicken auf das Pfeilsymbol über dem Begriff kann ein eine
Proposition erstellt werden (siehe Abb. 3). Felder können beliebig verschoben oder gelöscht
werden.
Abbildung 16: Klicken und ziehen der Pfeile erstellt Proposition
Über ein weiteres Fenster (Stile) lässt sich das aktuell bearbeitete Concept Map im Format
verändern. Hier lassen sich z.B. Schriftart, Farben und Linien anpassen. Die Grundeinstellung
von CMapTools lässt immer nur das Zeichnen eines Pfeils von unten nach oben zu. Das ist
über „Stile“ aber leicht zu ändern (s. Abb. 4)
Über Bearbeiten -> Quelllinks Einfügen & Bearbeiten können Medien oder andere CMaps mit
einem Begriff verlinkt werden. Klicken auf den Begriff öffnet dann das Medium.
Eine Anleitung, die auch im Unterricht eingesetzt werden kann finden Sie online (siehe
Download-Links).
Abbildung 17: Die hier ausgewählte Option für das Zeichnen von Pfeilen unterstützt das
Concept Mapping adäquat.
10.1 Publikation 1: Concept Mapping
71
Material / System- / Ausstattungsvoraussetzungen:
Internet:
ist im Betrieb nicht nötig (außer Sync-Funktion soll genutzt werden)
Geräte:
PC, Mac oder iPad
Betriebs-
system:
Als Programm für Windows, Mac, Linux oder als App für iOS
Preis:
kostenlos, bei iPad-App In-App Kauf (4,99€) für Sync-Nutzung (empfohlen)
Download-
Links:
CmapTools
(PC / Mac)
CmapTools
(iPad)
Arbeitsblätter
www.cmap.ihmc.us/
products/
apps.apple.com/us/ap
p/cmaptools/id9279871
08?ign-mpt=uo%3D4
www.qr4.at/Lbkc6U
Unterrichtsbeispiel
Vorbereitung
Abgesehen von der Installation des Programms bzw. der App ist keine weitere technische
Vorbereitung nötig. Pro Schülerin oder Schüler sollte ein Gerät vorbereitet werden. Stehen
weniger Geräte zur Verfügung, können Concept Maps auch kooperativ erstellt werden.
Je nach Thema und Vertrautheit der Lerngruppe mit der Methode, sollte unterstützendes
Material vorbereitet werden (siehe praktische Tipps).
Es ist empfehlenswert, eine eigene „Experten Map“ zu erstellen, um mögliche Probleme zu
antizipieren (siehe Anknüpfungsmöglichkeiten).
Durchführung
Im Folgenden stellen wir den Einsatz von CmapTools in einer Doppelstunde zum Abschluss
des Themas Säuren und Basen dar. Ziele sind die Erläuterung der Unterschiede zwischen den
Säue-Base Theorien, adäquater Umgang mit digitalen Medien sowie der Kompetenzbereich
Kommunikation.
Dazu sollen die SuS, die verschiedenen Säure-Base-Konzepte in einem Concept Map
darstellen, vernetzen und ihr Vorgehen reflektieren. Wir gehen von einer Situation aus, in der
die Lernenden nicht dauerhaft über Laptops oder Tablets verfügen. Daher ist die Erstellung
des Concept Map auf eine Doppelstunde begrenzt. Wenn die Lerngruppe bereits mit Concept
Maps vertraut ist, kann Übung 1 und 2 entfallen.
Einführung von Concept Maps (5 Min)
Um in der Stunde über ein gemeinsames Vokabular zu verfügen, erhalten die SuS zunächst
eine Information zu den Begrifflichkeiten von Concept Maps: Konzept, Relation und
Proposition [6] (vgl. Regis et al.; Abb. 2).
10.1 Publikation 1: Concept Mapping
72
Übung zu Erstellung von Concept Maps (10 Min)
Die Regeln von Concept Maps sind nicht trivial. Deshalb sollten Lernende das Concept mapping üben
[7]. Dazu sollte ein möglichst lebensnahes Thema gewählt werden, beispielsweise Serien, zu dem ein
Concept Map erstellt werden soll [8]. Zu diesem Thema sollen die Schülerinnen und Schüler mit Hilfe
einer schrittweisen Anleitung ein erstes Concept Map anfertigen. Diese Übung kann mit der nächsten
Übung (3) kombiniert werden.
Tabelle 6: Mögliches Vorgehen bei der Erstellung von Concept Maps (vgl. [8])
Vorgehensweise
Beschreibung
1. Lesen der
Aufgabenstellung
Zwei Möglichkeiten:
a) Concept Map als Zusammenfassung eines Texts
b) Concept Map zu einem vorgegebenen Thema.
2. Begriffsliste erstellen
a) Text lesen.
Lies den Text noch einmal, markiere Begriffe und bilde
anschließend eine Liste wichtiger Begriffe.
b) Brainstorming
Erstelle eine Begriffsliste zum Thema.
3. Erstellte Begriffsliste
kontrollieren
• Sind alle Begriffe notwendig?
• Fehlt etwas?
4. Verteilen und Verbinden
der Begriffe
• Verteile die Begriffe nach
Zusammengehörigkeit und verbinde
zusammengehörende mit einem Pfeil
5. Beschriftung der Pfeile
• Wähle eindeutige und prägnante
Beschriftungen für die Pfeile.
• Die Beschriftung sollte deutlich machen, wie die
verbundenen Begriffe zusammenhängen.
6. Überprüfung der Concept
Map
• Weisen alle Pfeile in die richtige (Lese-)Richtung
• Sind die Beschriftungen passend?
• Müssen Pfeile ergänzt werden?
Übung zur Arbeit mit CmapTools (10 Min)
Um die Lerngruppe an das Programm heranzuführen, sollen die Schülerinnen und Schüler
ein kleines Concept Map in CmapTools erstellen und dabei die folgenden Operationen
durchführen. Dazu kann die Anleitung gereicht werden (siehe Download-Arbeitsblätter):
1. Erstellen einer Proposition
2. Verschieben eines Konzepts
3. Verbindung eines Konzepts mit einem anderen Konzept (Querverbindung)
4. Umdrehen einer Pfeilrichtung
Proposition
Konzept
Relation
Konzept
Abbildung 18: Mögliche Information zu Elementen einer
Concept Maps
10.1 Publikation 1: Concept Mapping
73
5. Löschen eines Feldes
Währenddessen und im Anschluss können Fragen zum Programm bzw. dem Vorgehen
besprochen werden. Dazu werden die Lernenden gebeten, Schwierigkeiten zu äußern und
ggf. wie sie mit diesen Schwierigkeiten umgegangen sind.
Concept Mapping (45 Min)
Die Lerngruppe erhält anschließend den Arbeitsauftrag, anhand des Metakognitionsbogen
(Anhang) die folgenden Schritte abzuarbeiten, um ein Concept Map zu Säuren und Basen zu
erstellen:
1. Notiere Begriffe, die Du für den Vorgegebenen Inhalt (Säuren und Basen) als
bedeutend erachtest.
2. Gruppiere die für Dich wichtigsten Begriff zentral auf die Arbeitsfläche.
3. Ordne weitere Begriffe in Abhängigkeit ihrer Bedeutung und ihres Zusammenhangs
um diese herum.
4. Verbinde dabei die Begriffe, und benenne die Zusammenhänge als Relation.
5. Fahre fort, bis alle ursprünglich wichtigen Begriffe im Concept Map integriert sind.
Auf diesen Arbeitsauftrag entfällt der Großteil der Zeit. Etwa 45 Minuten sollten die
Schülerinnen und Schüler Zeit haben, um Anhand ihres Materials ein Concept Map zu
erstellen. Sie können weiterhin auf die Anleitung zurückgreifen.
Als Lehrkraft unterstützen Sie die Lerngruppe bei der Erstellung. Vor allem in der
Anfangsphase (Brainstorming) kann es zu Schwierigkeiten kommen. Hier kann es hilfreich
sein, einzelne Begriffe vorzugeben (siehe Scaffolding). Mit vorsichtigen Impulsen können die
Schülerinnen und Schüler auf Baustellen in ihrer Map aufmerksam gemacht werden.
Reflexion (15 Min)
Anschließend sollen sich die Schülerinnen und Schüler ca. 15 Minuten mit ihrem Tischpartner
über ihre Concept Maps austauschen. Ziel dieser Phase ist es, ausgehend von den Concept
Maps über chemische Inhalte zu diskutieren. Die Schülerinnen und Schüler erhalten dazu die
Arbeitsaufträge:
1. Vergleiche dein Concept Map mit deinem Nachbarn.
2. Haltet Gemeinsamkeiten und Unterschiede fest.
3. Halte auf dem Reflexionsbogen fest, was du gelernt hast und was du noch nicht
verstanden hast.
Wertvoll sind vor allem die Lernschwierigkeiten, die die Lernenden auf dem Reflexionsbogen
festhalten. Da auch andere daran lernen können, lohnt es sich, diese (ggf. anonymisiert) zu
sammeln und zu besprechen.
Praktische Tipps
Im Sinne von gestuften Hilfen kann der Prozess des Concept mappings unterstützt werden.
Eine erste Hilfe sind Prozesshilfen, die das Vorgehen erläutern und in Teilfragen aufgliedern.
Stichwortlisten können vorbereitet werden, damit Lernende darauf zurückgreifen können,
die mit dem Brainstorming Schwierigkeiten haben. Halbfertige Concept Maps geben
Lernenden, die mit der Anfertigung überfordert sind eine Anknüpfungsmöglichkeit.
Um das Potenzial der Selbst- bzw. Fremdreflexion auszuschöpfen, kann man mit den
Schülerinnen und Schülern besprechen, dass sie Relationen (z.B. andersfarbig) markieren
sollen, bei denen sie sich nicht sicher sind oder zu denen sie gerne mehr wüssten. Dadurch
kann auf Gesprächsbedarf aufmerksam gemacht werden.
10.1 Publikation 1: Concept Mapping
74
Abbildung 19: Schüler*inne können Relationen farbig markieren, bei denen sie sich nicht
sicher sind.
Eine andere sinnvolle Nutzung unterschiedlicher Farben ist es, Repräsentationsebenen
explizit zu machen. Die Lernenden sollen dazu die Begriffe der makroskopischen oder
submikroskopischen Ebene zuordnen und jeweils farbig markieren.
In CmapTools lässt sich der Erstellungsprozess dokumentieren (Werkzeuge -> Cmap Aufnahme).
Die Aufnahme eignet sich für Präsentations- oder Diagnosezwecke.
Weitere Anknüpfungsmöglichkeiten
Concept Maps können zu jedem Thema erstellt werden. In diesem Artikel wurde dargestellt,
wie eine Concept Map am Ende eines Themas eingesetzt werden kann. Ist den Schülerinnen
und Schülern das Vorgehen erst mal bekannt, können Concept Maps auch parallel zum
Unterrichtsgang erstellt und fortwährend ergänzt werden. Es empfiehlt sich, jeden Lernenden
sein individuelles Map erstellen zu lassen aber auch immer wieder Phasen einzuplanen, in
denen sich die Lernenden über die Maps austauschen, um auf der Peer-Ebene möglichst
ungezwungen über Unterschiede diskutieren zu können.
Neben der Erstellung von Concept Maps können auch fertige Maps, sog. Experten Maps,
eingesetzt und von den Schülerinnen und Schülern reflektiert werden. Auch hier ist der
Hinweis vonseiten der Lehrkraft empfehlenswert, dass dieses Map eine mögliche Lösung
darstellt und es nicht die Lösung zu einem Thema gibt.
10.1 Publikation 1: Concept Mapping
75
Abbildung 20: Beispiel Experten Map zum Thema Säuren und Basen (adaptiert von [9])
In Prüfungen können Lernende zwischen mehreren kleinen Maps wählen und begründen,
welche fachlich angemessener ist. Ähnlich wie Lückentexte, können halbfertige Concept Maps
als Test eingesetzt werden. Dabei müssen die Lernenden eine Concept Map vervollständigen
und oder korrigieren.
10.1 Publikation 1: Concept Mapping
76
Literatur
[1] Schneeweiß, N., & Gropengießer, H. (2019). Organising Levels of Organisation for
Biology Education: A Systematic Review of Literature. Education Sciences, 9(3).
doi:10.3390/educsci9030207
[2] Wilensky, U., & Resnick, M. (1999). Thinking in Levels: A Dynamic Systems Approach
to Making Sense of the World. Journal of Science Education and Technology, 8(1), 3-19.
doi:10.1023/A:1009421303064
[3] Novak, J. D., & Cañas, A. J. (2006). The origins of the concept mapping tool and the
continuing evolution of the tool. Information Visualization, 5, 175-184.
[4] Schanze, S., & Brüchner, K. (2005). Computergestütztes concept mapping.
Naturwissenschaften Im Unterricht Chemie, 16(90), 16–19.
[5] Liu, X. (2004). Using concept mapping for assessing and promoting relational
conceptual change in science. Science Education, 88(3), 373–396. doi:10.1002/sce.10127
[6] Regis, A., & Albertazzi, P. G. (1996). Concept Maps in Chemistry Education. Journal of
Chemical Education, 73(11), 1084-1088.
[7] Sumfleth, E., Neuroth, J., & Leutner, D. (2010). Concept Mapping – Eine Lernstrategie
muss man lernen. Chemkon, 17(2), 66-70. doi:10.1002/ckon.201010114
[8] Grüß-Niehaus, T., Hundertmark, S., & Schanze, S. (2010). Computerbasiertes Concept
Mapping - Inhaltliche Zusammenhänge erkennen und darstellen.
Naturwissenschaften im Unterricht Chemie, (117), 32–37.
[9] BouJaoude, S., & Attieh, M. (2008). The Effect of Using Concept Maps as Study Tools
on Achievement in Chemistry. Eurasia Journal of Mathematics, Science and
Technology Education, 4(3), 233-246. doi:10.12973/ejmste/75345
10.2 Publikation 2: Literaturreview
77
10.2 PUBLIKATION 2: Literaturanalyse zu den Organisationsebenen
Angaben zur Publikation
Box 7: Literaturangaben von Publikation 2 - Literaturanalyse
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H.
Organising Levels of Organisation for Biology Education: A Systematic
Review of Literature.
Education Sciences 9(3), 207
Eingereicht am 08.07.2019, überarbeitet am 31.07.2019, akzeptiert am
31.07.2019, Online publiziert am 05.08.2019
Doppelblindes Peer-Review
DOI
https://doi.org/10.3390/educsci9030207
Darstellung der Eigenleistung
Die systematische Literaturanalyse wurde von mir durchgeführt und ausgewertet.
Kategorisierungen wurden gemeinsam mit Prof. Harald Gropengießer diskutiert.
Prof. Harald Gropengießer stand darüberhinaus beratend zur Seite und trug zu Überarbeitung
des Manuskripts bei.
Hinweise zum Urheberrecht
Abgedruckt wird der veröffentlichte Artikel.
10.2 Publikation 2: Literaturreview
78
Abdruck der Publikation
10.2 Publikation 2: Literaturreview
79
10.2 Publikation 2: Literaturreview
80
10.2 Publikation 2: Literaturreview
81
10.2 Publikation 2: Literaturreview
82
10.2 Publikation 2: Literaturreview
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10.2 Publikation 2: Literaturreview
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10.2 Publikation 2: Literaturreview
85
10.2 Publikation 2: Literaturreview
86
10.2 Publikation 2: Literaturreview
87
10.2 Publikation 2: Literaturreview
88
10.2 Publikation 2: Literaturreview
89
10.2 Publikation 2: Literaturreview
90
10.2 Publikation 2: Literaturreview
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10.2 Publikation 2: Literaturreview
92
10.2 Publikation 2: Literaturreview
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10.2 Publikation 2: Literaturreview
94
10.2 Publikation 2: Literaturreview
95
10.2 Publikation 2: Literaturreview
96
10.2 Publikation 2: Literaturreview
97
10.2 Publikation 2: Literaturreview
98
10.2 Publikation 2: Literaturreview
99
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
100
10.3 PUBLIKATION 3: Entwicklung der Zoom Map
Angaben zur Publikation
Box 8: Literaturangaben von Publikation 3 – Entwicklung der Zoom Map
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H.
The Zoom Map: A New Graphic Organizer to Guide Student’s
Explanations Across the Levels of Biological Organization.
Bioscene, 47(1), 3-14
Eingereicht am 28.05.2020, überarbeitet am 20.01.2021, angenommen und
online publiziert im Mai 2021.
Peer-Review
DOI
http://files.eric.ed.gov/fulltext/EJ1304792.pdf
Darstellung der Eigenleistung
Die Zoom Map wurde von mir entwickelt und mit Prof. Harald Gropengießer
weiterentwickelt. Die Vermittlungsversuche wurden von mir geplant, durchgeführt und
ausgewertet. Prof. Harald Gropengießer stand darüberhinaus beratend zur Seite und trug
zur Überarbeitung des Manuskripts bei.
Hinweise zum Urheberrecht
Abgedruckt wird der veröffentlichte Artikel.
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
101
Abdruck der Publikation
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
102
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
103
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
104
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
105
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
106
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
107
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
108
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
109
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
110
10.3 Publikation 3 – Entwicklung
111
.
10.4 Publikation 4: Evaluation
112
10.4 PUBLIKATION 4: Evaluation der Zoom Map in Vermittlungsversuchen
Angaben zur Publikation
Box 9: Literaturangaben von Publikation 4 – Evaluation der Zoom Map
Schneeweiß, N., Mölgen, L. & Gropengießer, H.
Guiding students’ explanations across the levels of biological
organisation: The case of wilted plants
Journal of Biological Education
Eingereicht im Februar 2021. Angenommen am 25.09.2022.
Doppelblindes Peer-Review
DOI
10.1080/00219266.2022.2134174
Darstellung der Eigenleistung
Die Zoom Map wurde von mir entwickelt und mit Prof. Harald Gropengießer
weiterentwickelt. Die Vermittlungsversuche wurden von mir geplant, durchgeführt und
ausgewertet. Teile der Vermittlungsversuche wurden von Leona Mölgen zweitcodiert.
Prof. Harald Gropengießer stand beratend zur Seite und trug zur Überarbeitung des
Manuskripts bei.
Hinweise zum Urheberrecht
Abgedruckt wird das noch nicht begutachtete Manuskript (Author‘s Original Manuscript).
Copyright Information
This is an original manuscript of an article currently under review by Taylor & Francis in the
Journal of Biological Education.
10.4 Publikation 4: Evaluation
113
Abdruck der Publikation (Author’s Original Manuscript)
Improving students’ explanation of natural phenomena across the
levels of biological organisation
Niklas Schneeweiß*, Leona Mölgen and Harald Gropengießer
Institute of Science Education, Leibniz University Hanover, 30167 Hanover, Germany
* Correspondence: schneeweiss@idn.uni-hannover.de; Tel.: +49-511-762-18809
orcid.org/0000-0002-2116-0359
Abstract
Explaining natural phenomena on one level of biological organisation almost always involves
causes that are found on other levels. For scientists, thinking across levels when explaining
physiological phenomena is an everyday task, but students often experience this as a
challenge.
We developed a new graphic organiser, the Zoom Map, to help students provide explanations
that go across the levels of biological organisation. The Zoom Map is designed to guide biology
students when they need to reflect the levels of organisation, distinguish between them and
interrelate them.
The aim of this study is to examine how the Zoom Map helps students explain a common
phenomenon in plant physiology: leaves that are upright or wilted. For this purpose, we
designed a teaching experiment that was attended by 13 students with an average age of 16.
The students were videotaped and their explanations analysed. We used qualitative content
analysis to examine the explanations. Our findings indicate that the Zoom Map improved the
students’ explanations of the phenomenon across multiple levels of organisation.
Keywords: biology, systems thinking, levels of organisation, graphic organiser, concept maps,
teaching experiments
10.4 Publikation 4: Evaluation
114
Introduction
‘In biological systems, the explanations for, or mechanisms of, phenomena apparent at one
scale often lie at a different scale’ (Parker et al. 2012, 12).
The primary goal of science is to describe, explain and eventually predict phenomena.
Biological phenomena can seldom be reduced to one level of organisation, and causal
explanations of biological phenomena usually involve entities of two or more levels (Wimsatt
2006). Comprehensive causal explanations of natural phenomena are often mechanistic
(Bechtel and Abrahamsen 2005). The term ‘mechanism’ is being used here in a broad sense,
not as mechanical push-pull systems. ‘Mechanisms’ include such entities as organisms, organs
or molecules, their properties and the interactions between them, whether mechanical or
chemical. The properties of entities influence their activities (Machamer, Darden, and Craver
2000).
Biological systems can be ordered hierarchically in levels, for example, organs consist of tissue
and tissue consist of cells. Hence, to explain biological phenomena they need to be examined
on multiple levels. Explanations may use components from the lower or higher levels of
organisation of a given phenomenon (Novikoff 1945; Schneeweiß and Gropengießer 2019). In
biology, mechanistic reasoning includes thinking across levels (Haskel-Ittah et al. 2019).
Thinking across levels and explaining phenomena with due regard to the levels of
organisation is an everyday task for scientists but is difficult for students (Wilensky and
Resnick 1999; Brown and Schwartz 2009; Jördens et al. 2016; Düsing, Asshoff, and Hammann
2018; Knippels 2002).
Research on different biological topics, such as cell biology, genetics or physiology revealed
learning difficulties related to levels of organization (Schneeweiß and Gropengießer 2019).
Typically, students confuse the levels (Wilensky and Resnick 1999), explain on only one level
(Jördens et al. 2016) or fail to interrelate levels (Brown and Schwartz 2009).
To address these obstacles to learning, a number of researchers have proposed learning
strategies that focus on the levels of organisation (Knippels, Waarlo, and Boersma 2005;
Jördens et al. 2016; Verhoeff 2003). A common characteristic of these learning strategies is that
they require the levels and the relationships between them to be made explicit (Schneeweiß
and Gropengießer 2019; Knippels, Waarlo, and Boersma 2005; Jördens et al. 2016; Verhoeff
2003) and that concepts should be interrelated horizontally and vertically (Verhoeff 2003;
Schneeweiß and Gropengießer 2019; Hammann 2019, 2020). However, while these learning
strategies offer valuable guidelines, teachers still need to explicitly encourage learners to
interact with the levels of organisation (Hammann 2019; Reinagel and Bray Speth 2016).
Graphic organisers offer a way to systematically address the levels of biological organisation.
These organisers are instructional tools that have proven useful in science education
(Davidowitz and Rollnick 2001; Hawk 1986; Heinze-Fry and Novak 1990) and are regarded as
valuable tools for knowledge organisation (Novak and Gowin 1984; Dauer et al. 2013).
We propose a new graphic organiser, the Zoom Map. In this study, we examine how students
use the Zoom Map to structure their explanations of a physiological phenomenon. We will
pay particular attention to the extent to which students address the levels of organisation that
are relevant to the explanation.
10.4 Publikation 4: Evaluation
115
Theoretic Background
Construction of explanations in interaction
When explaining biological phenomena, learners put forward various ideas (diSessa 1988;
Eylon and Linn 1988; Linn and Muilenburg 1996). The ideas for explanations do not pre-exist
in the students’ memory (i.e. they only need to be recalled), but are generated in situ (Boersma
and Geraedts 2009; Schwarz et al. 2008). For this reason, students may offer different
explanations for similar problems in various phenomena (Unger 2017; Boersma and Geraedts
2009). Learners interact with (1) the object of reference (i.e., the phenomenon to be explained),
(2) the expressions of other individuals (i.e., teachers or peers), and (3) with their own available
cognitive resources (i.e., their internalised conceptions, concepts, principles and schemas). The
process is therefore called ‘emergent construction in interaction’ (Figure 1).
Figure 1: Emergent construction in interaction (arrows) of a phenomenon, utterances of teacher or peer,
and the resources of available cognitive structures.
Emergent construction needs time and may involve multiple attempts, but it results in
explanations, that are conscious for the moment. These explanations do not arise from thin air;
they rest on stable cognitive structures, such as concepts and schemata. Usually, the resulting
explanations, mechanisms or theories are relatively complex structures.
Explanations of leaf structure
Scientific explanations need to satisfy different requirements from everyday explanations. We
will explain this difference by looking at the phenomenon used in our teaching experiments
(Figure 2). We asked, ‘Why does the plant on the left have upright leaves while the plant on
the right has wilted leaves?’ A typical answer would be: ‘Because it [the plant] has not been
watered’ (D, S2, l. 4, translated from German).
Figure 2: Material 1 (M1) shows a Lamiaceae plant in an upright and a wilted condition.
This explanation would suffice in everyday life, but a scientist would attempt to formulate a
mechanistic explanation that connected water to the appearance and structure of the leaves. A
short version of a mechanistic explanation would be: ‘Water filling the cells protoplast will be
10.4 Publikation 4: Evaluation
116
pressurised by straining the cell wall. The cell wall is a somewhat elastic, tensile strength
structure. Because of its properties, the cell wall limits the expansion of the protoplast
(Campbell et al. 2008, 770; Thoday 1918). The hydraulic interaction between protoplast and
cell wall results in a turgid cell, comparable to an inflated football. Both the football and the
cell owe their shape to the pneu principle. A pneu consists of a flexible but tensile hull and a
pressurised filling (Figure 3). By the interaction of the mesophyll cells, the leaves become
turgid in a process that is comparable to several inflatable tubes forming a boat. Both the leaves
and the boat owe their stability to interacting well filled pneus.
Figure 3: Principle of a pneu (Frei 1994, 160, amended).
This mechanistic explanation spans several levels of organisation, for example, from organelle
to cell, tissue and organ. In Figure 4, we use a Zoom Map to visualise the mechanism:
Figure 4: Mechanism across levels of organisation for upright leaves (left) and wilted leaves (right) as
a Zoom Map.
10.4 Publikation 4: Evaluation
117
The Zoom Map
In biology, scientific explanations need to include all the relevant entities on several levels of
organisation. This poses a challenge for students (Wilensky and Resnick 1999; Chi 2005). We
developed the Zoom Map as a tool to guide learners to consider the entities at all levels of
organisation that are required for their explanation, together with the interactions between
and within the levels. The metaphor ‘zooming’ references the magnification and reduction of
an image that can be done on digital devices. Zooming also refers to film-making, where wide
shots change to close-ups and vice versa. In the Zoom Map, scaling is not continuous but is
stepped over the levels of organisation. Similar to concept maps, horizontal relations are
drawn within the levels.
Graphic organisers have proven to be effective in science education (Davidowitz and Rollnick
2001) for organising and structuring information, and for ‘thinking about relationships
between concepts’ (Zollman 2015). These are the rules for drawing a Zoom Map:
1. The levels of organisation are displayed as elliptical or square planes.
2. Terms with the relevant entities are placed in the ellipse or square.
3. The process of zooming is depicted by truncated cone shapes. By zooming in on a structure
on one level, one reaches a lower level. By zooming out, one reaches a higher level.
4. Arrows may connect the terms or the levels with linking words. When read together, the
linking words and terms should make sense (Figure 5).
Figure 5: Principle of the Zoom Map.
In an effort to explain a phenomenon, learners should start at that very level. In the case of
wilted and upright plants, the phenomenon is on the level of organism. The Zoom Map should
therefore start at the level of organism. Similar to yo-yo learning (Knippels, Waarlo, and
Boersma 2005), learners should move downwards. With the help of supporting material, they
can explore each level and fill in the appropriate terms and relations on the Zoom Map. This
process of construction stimulates learners to discuss and depict the various levels, entities
and processes involved. Thus, moving across levels and reflecting on levels is inherent to the
process of using a Zoom Map to explain a phenomenon.
10.4 Publikation 4: Evaluation
118
Research Questions
To help students formulate explanations that move across the levels of biological organisation,
we examined the following:
1. Which levels did students include before and after a teaching session that utilised the
Zoom Map?
2. How did students explain the phenomenon before and after a teaching experiment that
utilised the Zoom Map?
Design of the study
To answer Research Questions 1 and 2, we required a method that was open and flexible, and
that allowed for intervention. Teaching experiments meet these requirements. We selected a
physiological problem – the stability of leaves – as the biological phenomenon that needed to
be explained on multiple levels. This phenomenon has been described and explained for
teaching purposes by Wessel and Hammann (2012).
Teaching experiments
Teaching experiments are a valuable tool for investigating the learning process (Komorek &
Duit, 2007; Steffe & Thompson, 2000). The researcher is interviewer and teacher in equal parts.
First, a phenomenon is explained by students. This allows the researcher to infer how much
the students already know and understand and how they explain the phenomenon
preinstructionally. As the intervention, participants are asked to interact with a prepared
Zoom Map and information material and to explain the phenomenon again. The analyses of
the learning process have implications for real lessons (Komorek and Duit 2007).
Sample
Seven teaching experiments, which included qualitative interviews, were conducted with 13
students (eight female, five male). All the students attended a public high school (German
Gymnasium) in Hanover, Germany. The average age of participants was 16.4 (Table 1). Each
interview lasted about 35 to 70 minutes. The interviews were conducted at the school and
documented with a video camera and an MP3 recorder.
Each participant and their parents signed a declaration of consent prior to the teaching
interview. The study design and information policy has been approved by the local
institutional review board.
Table 1: Participants
Teaching
experiment
A
B
C
D
E
F
G
Students
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10
S11
S12
S13
Age [years]
15
17
16
16
17
16
16
16
16
17
17
17
17
Material and structure of the teaching experiment
Each teaching experiment was divided into two main segments: conducting an interview to
infer the student’s preconceptions of the phenomenon, followed by the teaching session with
interventions (Figure 6).
10.4 Publikation 4: Evaluation
119
Figure 6: Timeline of the teaching experiments. The materials are documented in the appendix.
Diagnosis
The interview participants were asked to describe the picture (M1, Figure 2) of a plant in erect
and slightly wilted condition. The interviewer asked each student to describe the plants and
explain the difference in appearance. This initial description and explanation is ‘first
explanation (E1)’.
Teaching
The aim of the teaching session was to guide the participants in formulating an adequate
explanation of the phenomenon. First, the participants were asked to explain the phenomenon
using the Zoom Map (M2, Figure 7). The interviewer gave instructions on how to fill in the
required terms and phrases and to connect them with labelled arrows.
Students then received Material 3 to 5 consecutively. Apart from the material, the teacher
offered no further explanation of the phenomenon. The teacher simply instructed the students
to interact with the material, giving prompts such as ‘Please describe’ or ‘What do you see?’
10.4 Publikation 4: Evaluation
120
Figure 7: Material 2, the Zoom Map as used in the teaching experiment.
Material 3 (see appendix) presents (micro-)photographs of the phenomenon, offering the
student a visual depiction of the level of organism, organ, tissue and cell. Students were asked
to describe the material and, if necessary, to revise their Zoom Map. After the first revision,
the students were given graphic representations of the phenomenon on the consecutive zoom
levels (Material 4, see appendix). Students would describe Material 4 and revise their Zoom
Map accordingly. The last intervention consisted of two models (Material 5, Figure 8), one
with firm and one with limp balloons in connected nets, representing the cells at the level of
tissue.
10.4 Publikation 4: Evaluation
121
Figure 8: Material 5, connected nets filled with firm balloons (left) and limp balloons (right).
The students were asked to describe both models and to relate them to the phenomenon. Based
on their work with Material 5, students were asked to revise their Zoom Map once more. At
the end of the teaching experiment, students were asked to explain the phenomenon based on
their Zoom Map (E2 - final explanation with Zoom Map).
Analysis
The recorded interviews were transcribed and the Zoom Maps digitalised. We then identified
the sections, relevant for our research questions. We named these sections the first explanation
(E1) and final explanation with the Zoom Map (E2) (Figure 6). This was followed by a
computer-supported qualitative analysis (Kuckartz 2010).
In the first step, interview segments were coded in MaxQDA© by the first author. Based on the
students’ explanations, we developed a code system by first identifying all relevant
statements. We then compared and grouped statements to create categories, for example, ‘high
and low pressure’ and ‘contraction and expansion’. We noticed that students attributed the
same properties to different entities on different levels. One example is ‘high pressure of the
cell’ and ‘high pressure of the tissue’. We therefore used subcategories that specified the levels
(organism, organ, tissue, cell, organelle), for example, ‘Category: High and low pressure’;
‘Subcategory: organ, tissue, cell, organelle’.
For statements that could not be directly assigned to a level, we used each student’s Zoom
Map as a reference. If the statement was not related to a level on the Zoom Map, we categorised
it as ‘not defined’.
Four interviews (C, D, E and G) were double coded by the first and second author, based on
the code system of the first author. The interrater correlation (Cohen’s kappa) was κ = 0,86.
According to Landis and Koch (1977), this score can be interpreted as almost perfect alignment.
The high degree of rater agreement confirms the objectivity of the evaluation and
interpretation.
10.4 Publikation 4: Evaluation
122
Results
The results described in the following section emerged from the analysis of the students’ first
explanations (E1) and final explanations (E2) (see Figure 6).
1) Which levels did students include in their explanations before and after the teaching
session?
In the first explanation of the phenomenon (before the Zoom Map was introduced), students
mostly explained on the level of organism (8) and organ (8). One student used the level of
tissue (1) and another the level of cell (1). One student did not participate in the first
explanation (Table 2).
Table 2: Levels mentioned in the first explanation (E1), (• = levels mentioned; n.e. = no
explanation given).
Level
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10
S11
S12
S13
S
Organism
•
•
•
•
•
•
•
•
8
Organ
•
•
•
•
•
•
•
•
8
Tissue
•
1
Cell
•
1
Organelle
0
S
2
2
2
1
1
1
1
2
2
n.e.
2
1
1
When the Zoom Map was being used, the students considered deeper levels to explain the
phenomenon. While presenting the levels of organisation needed to explain a phenomenon is
one matter, generating the appropriate content knowledge is another. Material 3 and 4 offered
experience-based knowledge of structures at the deeper levels. Material 5 modelled the
mechanism that is central to the explanation of upright and wilted leaves, namely the pneu
principle.
After instruction using Material 3, 4 and 5, followed by the further revision of their Zoom
Maps, students were asked to give a final explanation of the phenomenon. Twelve students
put forward explanations, while one did not explicitly explain the phenomenon. In the final
explanation of the phenomenon, students mostly explained on the level of organ (11) and
organelle (11). The level of tissue (10) was mentioned in ten explanations, the levels of
organism (8) and organ (8) were each addressed in eight explanations (Table 3).
Table 3: Levels mentioned in the final explanation with Zoom Map (E2), (• = levels
mentioned; n.e. = no explanation given).
Level
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10
S11
S12
S13
S
Organism
•
•
•
•
•
•
•
•
8
Organ
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
11
Tissue
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
10
Cell
•
•
•
•
•
•
•
•
8
Organelle
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
11
S
5
4
2
4
4
3
n.e.
5
5
5
3
5
3
On average, the number of levels used in the explanations increased from an average of 1.5 in
the first explanation (n = 12) to 3.9 in the final explanation with the Zoom Map (n = 12) (Table
10.4 Publikation 4: Evaluation
123
2 and 3). Figure 9 depicts the increase in the number of levels that students used to explain the
appearance of the leaves after teaching with the Zoom Map.
Figure 9: Number of students that used specific levels in their explanation initially
and after teaching with the Zoom Map.
2) How did students explain before and after being taught with the Zoom Map?
First Explanation (E1)
Initially, most of the students were able to relate the phenomenon to a lack of water. However,
explaining the difference between the upright and the wilted leaves was a challenge (Table 2).
The most prevalent category was ‘missing or available water’ in the cell or vacuole. Nine of
the 13 students identified the lack of water as the cause of the leaves’ flaccidity (see Table 2).
Of these nine students, seven described the lack of water at the level of the organism: ‘It [the
flabby leaves] is because it [the plant] hasn’t been watered enough’ (G, S12, l. 13, translated).
Three students attributed the lack of water to the leaf: ‘There is not enough water to wet the
leaves’ (D, S6, l. 11). One student (A, S1, l. 7-11) described the lack of water on both the level
of organism and the level of organ.
Two students referred to low pressure in the cell (S8) and the leaf (S9).
Student S11 explained that the firmness of the leaves was due to the support of leave veins (G,
S11, l. 22). Student S2 did not relate the phenomenon to water but to disease. Student S4 stated
that that the leaves were flaccid because ‘they don’t have enough energy to be erect’ (C, S4, l.
21, translated).
Second Explanation with Zoom Map (E2)
While the students’ first explanations were incomplete, their final explanations were closer to
the reference explanation. As indicated in the next section, students were able to include
additional aspects in their explanations (
Table 4). We will first describe the individual aspects and then a prototypical mechanism of
the teaching experiments.
Missing or available water
The initial explanations focused mostly on missing water, either on the level of organism or
organ. The final explanations mentioned the lack of water as well, but assigned ‘missing or
0
2
4
6
8
10
12
organism organ tissue cell organelle
Number of students that used
specific levels in their explanation
First Explanation Final Explanation
10.4 Publikation 4: Evaluation
124
available water’ to the level of the organelles (S1, S2, S4, S8, S9, S11, S12, S13): ‘In the healthy
plant, there is more liquid in the vacuole’ (A, S1, l. 167, translated.)
Low filling or high filling
As a result of available water, students (S5, S8, S9, S13) describe the vacuole as ‘filled’. Student
S5 further described the cell as ‘filled by the cell membrane’ (C, S5, l. 317).
Contraction or expansion
Most of the students’ explanations (S1, S2, S4, S5, S7, S9, S11, S12) can be categorised as
‘contraction or expansion of an entity as a result of the present or missing water’: ‘[…] and if
there is too little water, they [the cells] contract […].’ (F, S11, l. 33, translated). The entity that
contracts or expands is mainly the cell. The vacuole and the cell membrane were also described
as contracted or expanded.
Low pressure or high pressure
Only the final explanations of students S8 and S9 (both teaching experiment E) mentioned
pressure.
Missing contact or contact
Students described several entities that need to be in contact with each other for the leaf to be
upright, namely the vacuole with the cell membrane (S5), the cell membrane with the cell wall
(S1, S4, S5, S9), cells with other cells (S10, S12) and tissue in contact with other tissue (S5).
Stability or instability
Stability is described as a result of high pressure and contact of the entities. ‘If the internal cell
pressure is high, then the pressure of the tissue is also high and stability is also high, which
leads to the taut leaves […]’ (E, S8, l. 157, translated)
Students S4 and S10 assigned stability or instability to the cell. Tissue (S2, S3, S4, S9, S11) and
organ (S10) were described as stable or unstable as well.
Metabolism
According to the students of teaching experiment E, water is a vital factor in metabolic
processes. Without water, these processes ‘are limited or can no longer take place at all’ (E, S9,
l. 226, translated).
Table 4: How students explained the phenomenon before (E1, ○) and after instruction
(E2,
•
).
A
B
C
D
E
G
G
Category
Subcategory
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10
S11
S12
S13
missing
or
available
water
organism
○
○
○
○
○
○
○
organ
○
○
○
tissue
cell
organelle
•
•
•
•
•
•
•
•
low
filling or
cell
•
organelle
•
•
•
•
10.4 Publikation 4: Evaluation
125
high
filling
contrac-
tion or
expansio
n
cell
•
•
•
•
•
vacuole
•
•
•
•
•
•
•
•
cell-
membrane
•
•
•
low
pressure
or high
pressure
organ
•
•
tissue
•
•
cell
○/•
•
missing
contact
or
contact
tissue-tissue
•
cell
membrane –
cell wall
•
•
•
•
cell-cell
•
•
vacuole –
cell
membrane
•
stability
or
instabilit
y
organ
•
tissue
•
•
•
•
•
cell
•
•
others
missing
energy
○
disease
○
leaf veins
○
metabolism
•
•
Mechanisms
In Table 2, we present the explanatory aspects unconnected. To illuminate, how the students
related these aspects in their explanations, we chose two explanations that differed most in
quality. Student S9 was very engaged in the teaching experiment and worked together with
student S8 to produce an explanation of the phenomenon. Student S6 was less engaged and
had a partner (S7) who seldom participated in the discussion and problem-solving process.
Good explanation given by Student S9
When asked to explain the phenomenon based on the teaching with the Zoom Map, the
student started the explanation at the level of the organ, by describing the leaves as ‘flabby’
(1). He ascribed this to the missing contact between cell membrane and cell wall at the level of
the cell (2). Additionally, he used the level of the organelle and added that the vacuole is no
longer bulging (3) and is therefore smaller (4). With the vacuole no longer bulging, cells may
die (5). He did not explain at this point why the cells die. Later he will make the link between
the lack of water (7) and its impact on metabolic processes (8). As a result of the vacuole no
longer bulging, the pressure in the cell is lower (6). This has an impact on the tissue, which has
a lower pressure when the cellular pressure is lower (9). The tissue is therefore unstable (10),
which means the leaves (11) and the plant (12) are limp.
10.4 Publikation 4: Evaluation
126
The student described and explained the phenomenon on multiple levels. In his explanation,
the student moved from the level of the organ down to the level of the organelle and up again
to the level of the organ and organism (Figure 10).
Figure 10: Final explanation of student S9 transformed into a concept map (E, S9, l. 226).
Poor explanation given by Student S6
The student started his explanation at the level of the cell and described the reduced volume
of the cell (1). He then stated that because of the reduction in cell volume, the plant is withered
and tries to maintain the concentration (2). In the withered plant, the vacuole is present, but
the concentration is lower (3) (Figure 11).
For the upright plant, the student started at the level of the organelle: ‘The vacuole is bigger
(1) and therefore, the volume [of the cell] is bigger (5) and therefore the plant can remain
upright (6)’ (D, S7, l. 159, translated).
Figure 11: Final explanation of student S6 transformed into a concept map (D, S6, l. 154 &
159).
Discussion
In an everyday situation, referring to enough or too little water would be sufficient to explain
why a plant has upright or wilted leaves. Most of the students in our teaching experiments
initially put forward such an explanation, not going beyond entities that can be seen with the
10.4 Publikation 4: Evaluation
127
naked eye. In contrast, a biological explanation is more challenging, because the phenomenon
relates to entities at deeper levels of organisation. In addition, it is necessary to have content
knowledge of the entities and properties and the relationships between them.
We found that after teaching and working with the Zoom Map, the levels of organisation
referred to by students increased significantly. When comparing the initial level of explanation
to the final explanation, we can point out two aspects: In the initial explanation, students
mostly explained on the level of organism and organ. In the final explanation, students used
more of the relevant deeper levels (Figure 9).
A plant and a leaf can be seen by the naked eye, making them suitable entities for a teaching
interaction. Cells and molecules are not as readily perceived and interacted with. Entities like
a plant and a leaf belong to that part of reality that we are able to interact with by perceiving
and acting, known as the ‘mesocosm’ (Vollmer 1984). Entities that are smaller than the width
of a hair belong to the microcosm. This part of reality is accessible through science-based
technology such as microscopes. Predictably, however, entities, properties and relationships
in the microcosm are difficult to understand (Niebert and Gropengiesser 2015). This is the
reason that the students (with a few remarkable exceptions) at first provided explanations that
dealt only with entities in the mesocosm. When led by the Zoom Map, and after the second-
hand experience provided, for example, by microphotographs of tissues and cells, students
were eventually able to provide a more in-depth explanation of the phenomenon.
For most of these students, the lack of water was a satisfactory explanation at first. Again, this
explanation relates to the mesocosm. Watering plants is something the students have
experienced and their initial explanation is adequate in everyday life. We viewed this as a
learning opportunity. The fact that the students already considered water may have helped
them to construct an adequate explanation – albeit on another level of organisation (Figure 4).
The mechanism that explains the phenomenon (Figure 4) incorporates pressure and hydraulic
interaction between the vacuole or the protoplast and the cell wall. Although most of the
explanations were still incomplete after instruction, students referred to more relevant aspects
of this mechanism, like contraction and expansion, or missing contact and contact (Table 2).
Only the students of teaching experiment E (S8 and S9) mentioned pressure in their final
explanation. The idea can be attributed to S9, whose first explanation included pressure. Other
students did not incorporate pressure into their explanations. This might be because material
M3-5 did not offer an opportunity to perceive and discuss pressure. Although the students
adequately described the model M5 and related it to the phenomenon, they did not mention
pressure. Consequently, an additional or adapted model could be introduced if students do
not consider pressure when describing the tissue model. We suggest inflating a balloon using
a hand pump with an integrated barometer. This would allow students to perceive that the
pressure of the filled balloon is higher.
Conclusion
In our experiments, teaching materials were provided. However, no form of assistance was
offered in identifying the mechanism that explained the phenomenon of upright and wilted
leaves. Students were confronted with a new setting, limited material and a teacher who was
not supportive. Taking these factors into account, the learning results were satisfying.
In a real classroom setting, the teacher would interact with the students, making suggestions
and answering questions. The Zoom Map can support the teacher by making missing
interrelations visible. This would make it easier to identify what the students know and to
diagnose where they need support. When using the Zoom Map in class, we suggest starting
with basic concept map training before introducing the levels of organisation and the Zoom
Map.
10.4 Publikation 4: Evaluation
128
It is important to note that students primarily learn to explain the phenomenon guided by the
Zoom Map. The Zoom Map’s inherent structure can motivate students to think across levels,
yet the actual experience and understanding of the phenomenon arises out of observations,
additional material, models or experiments. The Zoom Map is a mode to structure the new
information and relate it to levels. It can be a valuable tool to support yo-yo learning (Knippels,
Waarlo, and Boersma 2005) as it guides the learners through the levels of organisation and
encourages vertical and horizontal interrelation.
10.4 Publikation 4: Evaluation
129
Disclosure statement
No potential competing interest was reported by the authors.
Bibliographical Note
Niklas Schneeweiß completed his Master of Education at Leibniz Universität Hannover.
There he worked at the Institute for Science Education as a research assistant. He currently
teaches biology and chemistry at a high school.
In his research, he focuses on digital media, students’ conceptions and systems thinking. The
development of the zoom map is part of his PhD project.
Leona Mölgen is currently completing her Master of Education with the subjects Biology and
German. She is a research assistant at the Institute for Science Education in Hannover.
Harald Gropengießer is a Professor Emeritus for Biology Education at Leibniz Universität
Hannover, Germany. After teaching biology and chemistry for ten years at a high school
(Gymnasium), he worked as a research associate at the department for biology education at
the University of Oldenburg. He was awarded a Dr. rer. nat. for his dissertation that unfolds
the Model of Educational Reconstruction and exemplifies its research design. He habilitated
in the field of biology education with a study on the theory of experience-based
understanding, that utilizes embodied cognition together with conceptual metaphor theory
for the interpretation of learners’ statements and the design of learning opportunities.
Furthermore, his interests focus on students’ conceptions and teacher education.
10.4 Publikation 4: Evaluation
130
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10.4 Publikation 4: Evaluation
132
Appendix
Material 3: Photographic representation of the plants’ levels of organisation. For teaching
purposes, we called the levels of organisation zoom levels.
Organism
Organ
Tissue
Cell
Zoom levels of a plant
10.4 Publikation 4: Evaluation
133
Material 4: Graphic representation of the plants’ levels of organisation. For teaching purposes,
we called the levels of organisation zoom levels
Organism
consists of organs
Organ!
consists of tissues
Tissue!
consists of cells
Cell!
consists of cell!
organelles
Cell Organelle!
consists of molecules
Zoom levels
chloroplasts
vacuole
vacuole-
membrane
cell wall
cell membrane
core
10.5 Publikation 5: Komplexität
134
10.5 PUBLIKATION 5: Die Zoom Map und Komplexität
Angaben zur Publikation
Box 10: Literaturangaben von Publikation 5 – Komplexität
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H.
The Zoom-Map: Explaining Complex Biological Phenomena by Drawing
Connections between and in Levels of Organization
(Eingeladenes Buchkapitel)
Fostering Understanding of Complex Systems in Biology Education.
Assaraf, O. B. Z., Knippels, M. C. (Hrsg.). Cham: Springer Verlag.
Eingereicht im Oktober 2020, angenommen im Dezember 2021,
publiziert im Juni 2022
Team- und HerausgeberInnen Review
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-030-98144-0_7
Darstellung der Eigenleistung
Die Zoom Map wurde von mir entwickelt und mit Prof. Harald Gropengießer
weiterentwickelt. Die Vermittlungsversuche wurden von mir geplant, durchgeführt und
ausgewertet. Prof. Harald Gropengießer stand beratend zur Seite und trug zur Überarbeitung
des Manuskripts bei.
Hinweise zum Urheberrecht
Abgedruckt wird das noch nicht begutachtete Manuskript (Author‘s Original Manuscript) des
folgenden Artikels:
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H., The Zoom Map: Explaining Complex Biological
Phenomena by Drawing Connections Between and in Levels of Organization, edited by
Assaraf, O. B. Z. & Knippels, M. C, 2022, Springer, reproduced with permission of Springer,
Cham.
Die publizierte Fassung kann über den folgenden Link abgerufen werden:
https://doi.org/10.1007/978-3-030-98144-0_7
Copyright Information
This is a preprint (Author‘s Original Manuscript) of the following chapter:
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H., The Zoom Map: Explaining Complex Biological
Phenomena by Drawing Connections Between and in Levels of Organization, edited by
Assaraf, O. B. Z. & Knippels, M. C, 2022, Springer, reproduced with permission of Springer,
Cham.
The final authenticated version is available online
https://doi.org/10.1007/978-3-030-98144-0_7
10.5 Publikation 5: Komplexität
135
Abdruck der Publikation (Author’s Original Manuscript)
The zoom-map—Explaining complex biological phenomena by
drawing connections between and in levels of organization
Niklas Schneeweiß & Harald Gropengießer
Explaining complex biological phenomena
Biologists, chemists, physicists, and other science experts originally performed research to
construct the explanations of scientific phenomena of the world around us. As science
educators, we investigate how learners—including children, students, adults, and even
teachers—understand a phenomenon preinstructionally, and how they can construct a
scientifically correct explanation. While the orientation onto the world around us is called first-
order perspective, science educators’ orientation onto ideas, thoughts, learning, and
understanding is called second-order perspective (Marton, 1981). Science educators have
developed learning and teaching strategies such as the yoyo learning and teaching strategy
(Knippels, 2002; Knippels et al., 2005) and tools that foster understanding, such as the concept
map (Novak, 1990). We propose the zoom map as a useful tool to reflect on levels of
organization in order to explain complex biological phenomena.
Most sciences started with observing and describing phenomena. A currently more advanced
science like biology develops the art of explanation and prediction. An explanation needs an
explanandum, that is, something to be explained, and an explanans, by which it is explained.
The explanans consists of antecedents, namely initial or boundary conditions that, together
with general laws or regularities, result in causal explanations (Hempel & Oppenheim, 1948).
Explanations in biology fall into two forms of explanantia: proximate causes (namely,
physiological mechanisms) and ultimate causes—namely, evolutionary mechanisms that
explain the existence of a specific trait through variation in a population and non-random
survival in a given environment. The explanandum in biology is, in most cases, a phenomenon
that has no straightforward explanation, unlike the movement of a billiard ball. In biology, the
explanans may be structured as a causal chain, but more often, it is like a net or even a felt,
and, as if that were not enough, runs over several levels of organization.
Today it is commonly accepted that “complexity is endemic in biology” (Mitchell, 2012, p. xiii)
because the latter “is constituted by […] multilevel […] systems”. We assume complexity when
we observe a phenomenon that emerges from entities with specific properties that interact. A
system can be described as complex (Dauer & Dauer, 2016; Eilam, 2012; Mitchell, 2012) if it:
- is open
- is structured into multiple levels of organization
- has many entities
- presents interaction of entities within and across levels of organization
- is influenced by the entities’ behavior and
- has emergent properties.
A plethora of biological levels
Arguably, the multiple levels of organization significantly contribute to the complexity of
biology. To complicate matters, albeit the omnipresent usage of the term levels of organization
in biology and biology education, the term is not as clear as its prevalence might suggest. Even
fundamental questions such as, “Which are the levels of organization” are not yet definitely
answered (Eronen & Brooks, 2018; Schneeweiß & Gropengießer, 2019). As a first step towards
a new consensus on levels, we conducted a literature review on the levels of organization in
10.5 Publikation 5: Komplexität
136
the fields of biology and biology education to shed light on the diversity of levels. The review
(Schneeweiß & Gropengießer, 2019) revealed twenty different levels of organization and some
more synonyms (Figure 1).
Figure 12: Coding results for individual levels of organization explicitly named in biology
and biology education journal articles (N = 36). The percentage refers to the number of
papers that name the respective level at least once in relation to the total number of papers.
Organizing the levels of biological organization
The review further revealed that levels of organization can be formed, ordered, and related
through different relationships—mainly, coevolutionary, matter-energy, and physiological
relationships that can be ordered in a system of levels (MacMahon et al., 1978; Schneeweiß &
Gropengießer, 2019; Figure 13).
0 20 40 60 80 100
Subatomic Particles
Atoms
Molecules
Organelles
Cells
Tissues
Organs
Organsystems
Organisms
Colonies
Demes
Populations
Communities
Taxonomic Categories
Ecosystems
Landscapes
Bioms
Biosphere
Earth
Universe
Percentage [%] of publications that name the respective level of organization
Levels named
10.5 Publikation 5: Komplexität
137
Figure 13: A system of levels of organization for biology education. The system makes the relationships
between the levels explicit and incorporates the idea of zooming (Schneeweiß & Gropengießer, 2019, p.
14)
Comparing the levels of scientific disciplines
A look at disciplines such as physics and chemistry suggests that things seem to be less
complex, at least regarding levels. Physicists use a scale of powers of 10 to place their objects
of study. Philosophers with an evolutionary epistemological point of view hold that our
cognitive system is adapted to a world of medium dimensions—a world that we can perceive
and interact with. Vollmer (1984) calls this section of the real world the mesocosm. Things that
10.5 Publikation 5: Komplexität
138
are smaller as the breadth of a hair or larger than the distance to the horizon are hard to
understand, as they belong to the microcosm or macrocosm, respectively (Niebert &
Gropengiesser, 2015). Chemists use the three levels of microscopic particle, nanoparticle, and
substance (submacro, macro, and an extra symbolic level; Johnstone, 1991). Even if we
consider the recent discussion about a nanolevel in chemistry, there is no comparison with the
multitude of levels in biology (Figure 3). This complexity by levels in biology is challenging,
especially for students, as we will elaborate in the next section.
Figure 14: Comparison of organizational levels of different scientific disciplines.
Students’ learning difficulties in explaining biological phenomena
Scientific reasoning is a day-to-day task for experts, but students have various difficulties
explaining biological phenomena. A significant obstacle seems to be minding the levels of
biological organization (Hammann, 2019). Research on many different biological topics, such
as cell biology, genetics, or physiology, revealed learning difficulties related to levels of
organization (Hammann, 2020; Schneeweiß & Gropengießer, 2019).
Typical difficulties are the confusion of levels (Wilensky & Resnick, 1999), explaining only on
one level (Jördens et al., 2016), or failing to interrelate levels (Brown & Schwartz, 2009). For
example, in ecology, some students can describe the processes of photosynthesis and
respiration at the molecular level yet fail to interrelate the two processes at the level of the
ecosystem (Brown & Schwartz, 2009). In this example, the individual elements of knowledge
are not connected. This may be termed as fragmented knowledge. Learners may combine their
fragmented knowledge differently, depending on the phenomenon, thus resulting in different
explanations. (Clark, 2006; DiSessa et al., 2004; Izsak, 2005; Wagner, 2006). Learners often do
not succeed in finding adequate causal explanations across the levels of organization.
Therefore, interventions that foster the integration of knowledge are needed.
10.5 Publikation 5: Komplexität
139
Guiding the process of explaining with the zoom map
Explanations are generated ad hoc. Students thereby interact (i) with the phenomenon, (ii)
with incitations from peers, teachers, or texts, and (iii) with their own available cognitive
resources, namely their conceptions, knowledge, and ideas. This “emergent construction in
interaction” (Boersma & Geraedts, 2009; Schwarz et al., 2008) may lead to different
explanations for similar phenomena. Guidance will help to activate and integrate the available
knowledge and draw useful connections between conceptions on different levels. Guidance
should focus on the problem-solving process rather than the possible answers (Schwarz et al.,
2008).
A fruitful structure for guiding the process of problem-solving and explaining in biology is
the yoyo learning and teaching strategy. Named after the famous toy, this strategy proposes
to move up and down the levels of organization like a yoyo (Knippels, 2002; Knippels et al.,
2005). Our study relies on adapted yoyo learning principles as listed in Table 1 (Jördens et al.,
2016, p. 961; Tripto et al., 2016, p. 568).
To make these learning principles operative, we invented a tool to cope with the complexity
of explaining biological phenomena—the zoom map. This new graphic organizer guides
learners in the process of explaining and prompts them to consider the relevant entities and
their relationships, as it makes levels of organization explicit. As the name reveals, the zoom
map draws on the metaphor of zooming. This metaphor's experiential source domain is
bringing an object near to the eye to see more details or stepping back to get an overview, not
to mention image scaling on digital devices that allow magnifying or shrinking. Zooming
biological phenomena consequently lead to stopovers at the levels of organization. Zooming
in focuses on smaller sections of the scientific problem; zooming out takes the whole or the
context into account (Brooks 2019; Schneeweiß and Gropengießer 2019). Moreover, zooming
calls for relating the entities on the different levels. The zoom map fosters students’ causal
explanations across levels of organization through the inherent demand to consider the
respective levels. Therefore, the zoom map may help students structure and interrelate
fragmented knowledge and achieve integrated knowledge.
Within the levels, the horizontal relations are drawn similar to concept maps (Novak and
Cañas 2006). We adapted the concept map because it has already proven fruitful in the context
of systems thinking (Brandstädter et al., 2012; Dauer et al., 2013; Schwartz & Brown, 2013;
Schwendimann & Linn, 2016) and is known for its capability to foster conceptual interrelations
(Fischer et al., 2002; Novak & Gowin, 1984; Van Drie et al., 2005). Combining zooming with
concept-mapping is the core idea of the zoom map.
By zooming into an entity on one level, one reaches a lower level. In the zoom map, this is
implemented in the following way: Ellipse shapes indicate organization levels. Each level
features its own concept-map displaying the structures and relations concerning a
phenomenon. By zooming into the term that denotes a structure on one level, one reaches
another lower level. Vertical arrows indicate vertical interrelation; horizontal arrows indicate
horizontal interrelation (Figure 4).
10.5 Publikation 5: Komplexität
140
Figure 15: Principle of the zoom map.
Since levels are phenomenon-specific, the zoom map layout may and should be adapted to the
phenomenon in question. For example, explanations of physiological phenomena will require
the level of the organism and below, while explanations of evolutionary phenomena will
require the levels above the organism as well, such as the level of population. Depending on
the phenomenon—for example, when comparing two different organisms—it may be
adequate to juxtapose or diverge the zoom maps (Figure 5).
Figure 16: Different ways of zooming in the zoom map. Red arrows indicate horizontal and vertical
interrelation.
To support students explaining phenomena, teachers should structure learning environments
according to the principles of systems thinking, for example with yoyo learning (Knippels,
2002). The zoom map supports the construction of explanations according to systems thinking,
as shown in Table 1.
10.5 Publikation 5: Komplexität
141
Table 5: The zoom map supports yoyo learning
yoyo learning
(Jördens et al., 2016, p. 961;
Tripto et al., 2016, p. 568)
Support by the zoom map
1. Distinguishing different
levels of organization
The zoom map explicitly displays the system levels as
stacked wide ellipses.
2. Identifying the entities and
processes of a system (and
relate them to a level)
System entities can be assigned to a system level by
writing them into the ellipses. In Figure 11, the cell
membrane and the cell wall are assigned to the cell level.
3. Linking concepts at the
same level of organization
(horizontal coherence)
The system entities are linked by words or phrases
forming propositions if the reading direction indicated
by arrows is followed. The rules for the construction of
concept maps apply. Propositions should be
meaningful.
4. Linking concepts at
different levels of
organization (vertical
coherence)
In the zoom map, one can zoom into each structure and
describe the system at a lower level (n – 1). The different
levels can be related vertically. See 11 as an example.
5. Thinking back and forth
between levels (also called
yoyo learning)
In an effort to explain a phenomenon, learners should
start at that very level. With the help of supporting
material, learners can move downwards and explore
each level repeating steps 1 to 4. Finally, based on their
zoom map, they can try to give a mechanistic
explanation of the phenomenon or identify missing
knowledge. This step usually involves moving upwards
in the zoom map.
6. Metareflection about the
question of which levels
have been transected
Moving across levels and reflection on levels is an
immanent process of the construction of a zoom map.
The first reflection of levels occurs when system entities
are assigned to levels. The second reflection of levels
concerns the horizontal and vertical interrelations. In the
construction process, learners have to discuss these
interrelations. After the construction of an individual
zoom map, meaningful comparisons to other zoom
maps may support learning. The teacher should give
feedback and orientation if needed.
10.5 Publikation 5: Komplexität
142
Proof of principle—the wilted painted nettle
We showed two painted nettles (Figure 6) and asked, “Why are the leaves of the left plant
upright and the leaves one the right wilted?”; a typical student answer would be, “Because it
[the plant] was not watered.”
This explanation is viable in everyday life, but a biologist would formulate a mechanistic
explanation that connects water to the leaves' appearance and structure. A short version of a
mechanistic explanation would be: Water filling the cells protoplast will be pressurized by
straining the cell wall. The cell wall is a somewhat elastic, tensile strength structure. Due to its
properties, the cell wall limits the expansion of the protoplast (Campbell et al., 2008, p. 770;
Thoday, 1918). The hydraulic interaction between protoplast and cell wall results in a turgid
cell, comparable to an inflated football. Interacting with the other cells of the mesophyll, the
leaves become turgid, comparable to several inflatable tubes that form a boat. This mechanistic
explanation spans several organization levels, such as organelle, cell, tissue, and organ.
Figure 17: Material 1 (M1) shows a painted nettle (Coleus scutellarioides) in regular and wilted
condition.
In our study, we examined how students construct scientific explanations of the wilted painted
nettle with the zoom map's help. We developed and conducted teaching experiments
(Komorek & Duit, 2007; Steffe & Thompson, 2000), as well as a study design that is open and
flexible and allows for interventions (see Figure 7).
10.5 Publikation 5: Komplexität
143
Figure 18: Timeline of the teaching experiment.
The zoom map prepared for a particular explanation
The students received a series of instructional materials (M2–M5). Apart from the material, the
teacher offered no further explanation of the phenomenon. Instead, the teacher instructed the
students to interact with the material with impulses such as “describe” or “what do you see?”.
The first material that the students received was the zoom map (M2). Since students had never
worked with this tool, we chose a semi-structured approach. The zoom map already displayed
the relevant levels of organization (Figure 8). Throughout the teaching segment, we asked
participants to complete the zoom map.
10.5 Publikation 5: Komplexität
144
Figure 19: Material 2, the zoom map used in the teaching experiment (translated).
10.5 Publikation 5: Komplexität
145
Experience-based conceptions are needed to construct an explanation
The zoom map is intended to guide the process of a phenomenon’s explanation. Even if the
phenomenon is plainly perceptible, the causal explanation entities are probably not well
known. Students need experience-based conceptions on the phenomenon. This is especially
relevant if students have to consider levels that are within the microcosm (Niebert &
Gropengiesser, 2015). Therefore, one key aspect is that students get the opportunity to
investigate the phenomenon themselves or are provided with external representations of
entities and their properties. Ideally, the phenomenon on all relevant levels of organization is
depicted (Figures 9 and 10). We show our worksheets on the phenomenon of wilted and
erected leaves as an example.
Figure 20: M3 shows photographic images
zooming from organism to cell.
Figure 21: M4 illustrates the phenomenon
from the level of organism to organelle.
External representations depict the mechanism
We handed the participants two models that were intended to represent the mechanism
needed for explanation. The models consisted of balloons connected with nets. One model had
firm and one limp balloons. The balloons were intended to represent the protoplast, the nets
the connected cell walls at the level of tissue.
At the end of the teaching experiment, students were asked to explain the phenomenon based
on their zoom map (E2: final explanation with the zoom map).
Participants
We conducted the teaching experiment with 13 students in seven groups. The students
attended a public high school in northern Germany. For analysis, we recorded the audio and
video of each teaching experiment. On average, the teaching experiments lasted about 48
minutes (Table 2).
Organismus
Organ
Gewebe
Zelle
Zoomstufen der Buntnessel
Zellwand
Zellmembran
Zellkern
Chloroplasten
Vakuolenmembran
Vakuole
Organismus
besteht aus Organen
Organ!
besteht aus Geweben
Gewebe!
besteht aus !
gleichartigen Zellen
Zelle!
besteht aus
Zellorganellen
Zellorganell!
besteht aus Molekülen
Zoomstufen am Beispiel Baum
10.5 Publikation 5: Komplexität
146
Table 6: Participants.
teaching
experiment
A
B
C
D
E
F
G
students
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10
S11
S12
S13
age [years]
15
17
16
16
17
16
16
16
16
17
17
17
17
duration [min]
43
50
78
39
40
49
38
Methods
To prepare the analysis, we transcribed the interviews and scanned the edited materials. We
identified the sections of the interviews relevant for the explanation of the upright and wilted
leaves. The further analysis of these sections was based on the computer-supported qualitative
analysis (Kuckartz, 2010).
A zoom map to explain upright and wilted leaves
The zoom map of teaching experiment C explains the phenomenon on the relevant levels
(organism to organelle) and interrelates system parts. Downward links are labeled with
“consist of” (Figure 11). Students, therefore, used the part-whole scheme to explain how lower
and higher levels were related. The lower levels have “an effect” on the higher levels, as
labeled on upwards links.
Based on their zoom map, Student S4 and S5 explained the phenomenon as such:
S5: Well, the individual cells are filled in a fitting manner by the nucleus, chloroplasts,
and also the vacuoles, which actually take up a large part of the cell. Therefore, when
the vacuole is filled with sufficient quantity, it presses against the cell membrane, and
this, in turn, presses against the cell wall, which is why the individual cells are very
stable—because they are pressed from the inside out and cannot collapse somehow.
Therefore the cells are—no, therefore the tissue, which consists of different cells is
also ... well, it presses everything against each other, and that is why it is very stable,
and then individual tissues press against each other, and that is why the whole leaf is
filled from the inside and cannot collapse at all—because everything is filled from the
inside.
(C, S5, l. 317)
S4: Then with wilted leaves … so the general problem is that there is too little cell plasma,
and this is the reason why the vacuole decreases. Because there is too little water or
too little substance in it, it [the vacuole] contracts and because it takes up a large part
of the cell, the cell membrane, and in general the whole cell, is shrinking. Therefore,
it can no longer fill the cell as a whole, meaning on the outside. And that's why gaps
are created that then make the whole unstable. If we are now here on the tissue level
and there is no cohesion within the cell membrane and the outer part [cell wall], it
limits it, doesn't it? Well, in any case, it [the tissue] becomes unstable because of these
spaces that are created by this, and the whole leaf appears to be withered.
(C, S4, l. 318)
In their explanation, students S5 and S4 addressed the levels from organ to organelle. To
explain the upright leave, student S5 started at the cell level by describing its filling. He then
switched to the level of the organelle and reported that the vacuole was filled. His explanation
of the interaction between vacuole, cell membrane, and cell wall (pneu principle) was on the
cell level. He continued with the tissue level in his explanation: stable cells pressed against
each other, which made the tissue stable. On the level of the organ, tissues pressed against
each other, making the leaf itself stable.
10.5 Publikation 5: Komplexität
147
Student S4 explained the withered state. Its mechanism started at the organelle level, with
missing cell plasma in the vacuole followed by contraction of the vacuole. The student then
switched to the cell level and reported that the cell was shrinking and that gaps were created
that had an effect on the level tissue, which became unstable. Therefore, the leaves appear
withered.
10.5 Publikation 5: Komplexität
148
Figure 22: Zoom map constructed by students S4 and S5 of teaching experiment C. The students’ answers
are shown as handwritten (digitalized and translated from German).
10.5 Publikation 5: Komplexität
149
A zoom map demands exhaustive editing
The difficulties that students face during the construction of a zoom map can be turned into
learning opportunities. As an example of a zoom map that can be improved, we present the
map of teaching experiment G (Figure 12). The zoom map explains the phenomenon only on
the levels of tissue to organelle. Most of the few interrelations that were drawn are unlabeled.
In their final explanation, the students did not further elaborate on these unlabeled arrows.
With their zoom map, the students offered the following final explanations of the
phenomenon:
S13: Yes, I would say the phenomenon simply refers to the vacuole. That is, it [the
vacuole] has the greatest effect on the appearance of the plant. Simply, if there is a
corresponding amount of water or cell sap, whatever, that fills the vacuole. Then
the leaves will look green, and they will stand by themselves. And the less water
is in this vacuole, the more wrinkled and wilted these leaves will look. And then
they don't have as much stability.
(G, S13, l. 224-229)
S12: Yes, well, I think it is also possible that the plant is drying up or simply was not
watered … that is, then it dried up. And because of that, there is too little water or
cell plasma in this vacuole, as you just said. This causes the cell, no, the vacuole, to
contract. Thus, it also shrinks the cell. The cells are no longer in good contact with
each other. This causes gaps to form, and the tissue … so this is the tissue. And on
the organ level, it just withers and collapses.
(G, S12, l. 230-336)
In their final explanation, students S12 addressed levels from organism to organelle, while S13
skipped the levels of tissue and cell. S13 did not describe a mechanism but presented the
vacuole (level of organelle) as the cause of the leaf's appearance. This may be due to the unclear
interrelations on the level of the cell and the tissue. The explanation of S13 was closer to a
mechanism. On the level of organelle, he pointed to missing water and filling of the vacuole.
He mentioned the vacuole's contraction and the cell on the level of the cell, although he did
not write it down in his zoom map. With cells not being in contact with each other, the tissue
was a “net with gaps.” The leaf was therefore withered.
In a classroom setting, the students presented their zoom map to be discussed by their peers.
We asked all students to develop their zoom map further and label the interrelations. By
asking, “How does the vacuole affect the leaf?”, we made the missing interrelations explicit.
Since S13 skipped the levels of tissue and cell, he might not have been able to label the
interrelations on these levels. In cases such as this, students should write down questions and
difficulties arising during the construction process.
10.5 Publikation 5: Komplexität
150
Figure 23: Zoom map constructed by students S12 and S13 of teaching experiment G. The
students’ answers are shown as handwritten (digitalized and translated from German).
10.5 Publikation 5: Komplexität
151
Learners drill down to deeper levels in their explanations
The first explanation was conducted without the zoom map. Twelve students put forward an
explanation; one student (S10) did not explain the phenomenon. An example of a first
explanation mentioning only the two levels organism and organ is:
S1: “On the right [plant], the [leaves] are partly curled up as if they were
contracting, as if there was some kind of lack of liquid. So, the leaves also
contain liquid somehow and as if that would be missing. The left [plant] is
different; it looks healthy, like normal leaves. […] This is because the plant on
the left has been watered and treated sensibly.”
(A, S1, l. 7-11, translated)
In the first explanation, students focused on the level of organism (eight students) and organ
(eight students). One student each considered the levels of tissue and cell. None of the students
addressed the level of the organelle.
In the final explanation of the phenomenon, 12 students put forward explanations; student S7
did not explicitly explain the phenomenon.
After instruction, student S1 explained the phenomenon on levels from the organelle to the
organism:
“S1: “This is because in the cell organelles, the vacuole, they contain liquids. And in
the healthy plant, there is simply more liquid in the vacuole than in the dried-
up one; there is less. Because of this, the cell membrane contracts because of the
less [liquid], and there is space between the cell membrane and the cell wall.
The cell membrane encloses the nucleus, the chloroplasts, and the vacuoles.
Here, the nucleus and the chloroplasts are present in both [plants], but the
difference lies in the size of the vacuoles. And this is where it contracts.
I: What contracts?
S1: In the dried [plant]. […] The cell membrane contracts, and the cell wall remains
the same. This means that there is some space in the tissue between the two,
and that is why it seems to have shrunk. And here, in the healthy [plant], the
cell membrane needs more space to enclose the larger fluid in the vacuole. [...]
This means that there is less space in between, and the leaf looks healthier
because there is more liquid in it.” (A, S1, l. 166-170, translated)
Students addressed the relevant levels for the causal argument in the final explanations guided
by the zoom map. Eleven students elaborated on the organ and organelle levels, and 10
students on the level of tissue. Eight students each addressed the levels of organism and cell.
Overall, in the final explanation with the zoom map, students considered more and deeper
levels. In some oral explanations, students addressed different levels than in their zoom maps,
as shown for teaching experiment G (Figure 13).
Figure 24: Levels that students addressed in their oral explanations.
10.5 Publikation 5: Komplexität
152
Direction of explanation: top-down, bottom-up, or yoyo
We identified five possible directions of explanation: one level only (O) with no direction in
the proper sense, downwards (D), upwards (U), downwards-upwards (D-U), and upwards-
downwards (U-D).
Of the first explanations, we coded seven explanations as O, focusing only on one level of
organization. An example of an explanation on one level only is the first explanation of S7:
“Maybe the plant has not been watered” (D, S7, l. 4). Three explanations could be rated D; they
moved from a higher level of organization to at least one lower level. Two students gave an
explanation that we rated as D-U. Their explanation moved to a lower level and back to higher
levels. None of the first explanations moved upwards or upwards-downwards—arguably,
because the microcosm entities such as cells or organelles are not as familiar as mesocosmic
leaves or plants.
The direction of most students' explanation changed in the final explanation: seven moved U,
four moved D-U, and one moved U-D. None of the final explanation was rated O or D.
In general, the direction of students’ explanations shifted from O or D to U or D-U (Table 3).
The yoyo principle, that is, D-U or U-D, was realized two times in the first explanation and
five times in the final explanation.
Table 7: Direction of students’ explanation (O: One level only, D: Downwards, U: Upwards, D-U:
Downwards-Upwards, U-D: Upwards-Downwards).
First Explanation (E1)
Final Explanation (E2)
O
D
U
D-
U
U-
D
O
D
U
D-
U
U-
D
S1
•
•
S2
•
•
S3
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no explanation
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10.5 Publikation 5: Komplexität
153
Discussion
To explain the case of upright and wilted leaves in everyday situations it would do to refer to
the mesocosm respectively sufficient or missing water. Most of the students in our teaching
experiments initially brought forward a similar explanation of organism and organ levels.
Only a few explanations went beyond entities that can be seen with the naked eye. A biological
explanation, in contrast, is more challenging because it includes a mechanism. The
phenomenon that should be explained, in most cases, needs to be related to deeper levels of
organization that lie within the microcosm—a part of reality that is only accessible through
the use of science-based technologies such as microscopes. Processes on the microcosm are
predictably hard to understand (Niebert & Gropengiesser, 2015). Students, therefore, need
support, for example, through visualizations or models (like M3-5).
In our teaching experiments, students managed to construct zoom maps that explained the
upright and wilted leaves of the painted nettle, albeit the maps differed in the explanation's
quality. Working with a zoom map will not by itself lead to a correct explanation. To grasp the
mechanism of the scientific explanandum, learners need to understand and apply the pneu-
principle as realized in footballs or plant cells, and they have to extend this principle to the
level of tissue, leaf, and plant. However, the zoom map can explain the relevant levels by
demanding explicitly stated relationships between the entities of different levels and asking
for links within levels. Even if not all aspects of an explanation are known or understood, one
can identify the knowledge gaps. Nonetheless, exhaustive editing is a prerequisite. Zoom
maps can be easily be compared, and discussions can be conducted in a highly structured
manner.
In our analysis of the students first and final explanation, we were able to point out two
aspects:
First, after learning with the zoom map, students considered more of the relevant levels.
Second, the students considered deeper levels—the levels of the cell and the organelle.
In our analysis of the direction of explanation, we were able to show that the direction of their
explanations changed (Table 3). While the prevalent first explanation was restricted to one
level only, the prevalent direction in the final explanation was upwards, and five out of 12
students even used the yoyo principle to some extent.
Implications for biology teaching
1. Biological phenomena need to be examined and explained on multiple levels. Depending
on the phenomenon, explanations require the usage of different sets of levels, which relates to
the different relationships that facilitate the levels. Explanations may use components from
lower or higher levels of organization of a given phenomenon (Brooks, 2021; Novikoff, 1945;
Schneeweiß & Gropengießer, 2019);
2. Levels of organization can bring structure to otherwise unstructured scientific problems if
they are made explicit (Brooks, 2019; Hammann, 2019; Schneeweiß & Gropengießer, 2019);
3. To support students in explaining phenomena, teachers should structure learning
environments according to the principles of systems thinking for example via yoyo learning
(Knippels, 2002). Teaching should focus on interrelating concepts within and across levels of
organization (Hammann, 2020);
4. Students do not automatically consider the levels of organization; they need to be
encouraged, and levels of organization have to be made explicit (Hammann, 2019; Reinagel &
Bray Speth, 2016);
5. Students need guidance during the problem-solving process (Schwarz et al., 2008);
6. The zoom map can structure and guide problem solving and explanations across the levels
of organization.
10.5 Publikation 5: Komplexität
154
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10.6 Publikation 6: Praxisartikel
157
10.6 PUBLIKATION 6: Praxisartikel zum Einsatz der Zoom Map
Angaben zur Publikation
Box 11: Literaturangaben von Publikation 6 - Praxisartikel
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H.
Biologische Phänomene durch Zoomen und Jojo-Lernen auf allen Ebenen
erklären.
BU-Praktisch, (5)1
Eingereicht am 09.03.2022. Angenommen am 17.03.2022. Publiziert
12.07.2022
HerausgeberInnen-Review
DOI
https://doi.org/10.11576/bupraktisch-5276
Abgedruckt wird das angenommene Manuskript inklusive zugehörigem
Unterrichtsmaterial.
Darstellung der Eigenleistung
Die Unterrichtsreihe sowie das Unterrichtsmaterial wurde von mir entwickelt und
durchgeführt. Das Manuskript wurde von mir verfasst und gemeinsam mit Prof. Harald
Gropengießer überarbeitet.
10.6 Publikation 6: Praxisartikel
158
Abdruck der Publikation
10.6 Publikation 6: Praxisartikel
159
10.6 Publikation 6: Praxisartikel
160
10.6 Publikation 6: Praxisartikel
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10.6 Publikation 6: Praxisartikel
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10.6 Publikation 6: Praxisartikel
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10.6 Publikation 6: Praxisartikel
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10.6 Publikation 6: Praxisartikel
177
10.6 Publikation 6: Praxisartikel
178
10.6 Publikation 6: Praxisartikel
179
10.7 Lebenslauf
180
10.7 Lebenslauf und Publikationsliste
Box 12: Angaben zur Person
Name
Niklas Schneeweiß
Geburtstag
16.05.1992
Geburtsort
Coburg
Staatsangehörigkeit
Deutsch
Box 13: Bildungsgang
Promotion – Dr. rer. nat.
Leibniz Universität Hannover
Fachgebiet Didaktik der Biologie
Thesis:
Entwicklung und Evaluation eines grafischen
Lernwerkzeugs zum Verstehen biologischer
Phänomene durch Einbindung biologischer
Organisationsebenen.
Betreuer:
Prof. Harald Gropengießer
Hannover
Seit 2017
Referendariat – Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien
Biologie und Chemie
Studienseminar Stadthagen
Stadthagen
2020-2022
Master Lehramt – Master of Education (M. Ed.)
Biologie und Chemie
Leibniz Universität Hannover
Masterarbeit:
Wie verstehen Schülerinnen und Schüler den
Prozess der Anpassung? - Erstellung und
Evaluation von Vermittlungsversuchen.
Betreuerin:
Dr. Sarah Dannemann
Hannover
2014-2017
Fächerübergreifender Bachelor – Bachelor of Science (B. Sc.)
Biologie und Chemie
Leibniz Universität Hannover
Hannover
2011-2014
Abitur - Allgemeine Hochschulreife
Gymnasium Ernestinum Coburg
Coburg
05/2011
Box 14: Beruflicher Werdegang
Lehrkraft für Naturwissenschaften
Integrierte Gesamtschule List
Hannover
seit 02/2022
Lehrkraft im Vorbereitungsdienst
Hannah-Arendt-Gymnasium Barsinghausen
Barsinghausen
2020-2022
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Institut für Didaktik der Naturwissenschaften
Hannover
2017-2020
10.7 Lebenslauf
181
Box 15: Artikel mit Peer Review
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (im Druck). Fostering explanations across
levels of organisation with the Zoom Map –the case of upright and wilted
leaves. Journal of Biological Education.
Schneeweiß, N. & Gropenießer, H. (2022). Komplexe biologische Phänomene durch
Zoomen und Jojo-Lernen auf allen Ebenen erklären – Darstellung einer
exemplarischen Unterrichtseinheit mit der Zoom Map. BU-Praktisch. 5(2). 1.
Buchholz, J., Jesgarz, M. Schneeweiß, N., Sieve, B (2022). Mit digitalen
Lernumgebungen das selbstgesteuerte Lernen chemischer Sachverhalte
unterstützen. ChemKon. 29(S1). 319-324.
Schneeweiß, N., Jesgarz, M., Buchhholz, J., Sieve, B. (2022). Digitale
Lernumgebungen lernförderlich gestalten. MNU. 22(4), 314 – 321.
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2021). The Zoom Map: A New Graphic
Organizer to Guide Students' Explanations Across the Levels of Biological
Organization. Bioscene. 47(1). 3-14.
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2019). Organising Levels of Organisation for
Biology Education: A Systematic Review of Literature. Education Sciences 9(3).
207.
Box 16: Buchkapitel und andere Publikationen
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2022). The Zoom Map—Explaining Complex
Biological Phenomena by Drawing Connections between and in Levels of
Organization. In: Knippels, M. C. & Assaraff, O. B. Z. (Hrsg.). Fostering
Understanding of Complex Systems in Biology Education. Springer. 123-149.
Schneeweiß, N. & Buchholz, J. (2022). Mit einem Mystery spielerisch zum Bau der
Daniell-Zelle. MINT Zirkel 2022 (1). 7.
Buchholz, J., Jesgarz, M. Schneeweiß, N., Sieve, B. (2022). Genial einfach?! – Digitale
Lernumgebungen mit der App genial.ly gestalten. Unterricht Chemie. (178). 47-
48.
Buchholz, J. & Schneeweiß, N. (2021). Interaktive Präsentationen mit Genial.ly.
excitingedu. 2021(1). 10-11.
Schneeweiß, N., Fries, T., Kalifa-Ebert, K., Jenzen, F., Kentsch, A. (2020). NaWi-
Simulationen: Phet-Colorado. On – Lernen in der digitalen Welt. (3). 36.
Schneeweiß, N., Sieve, B., Schanze, S. (2020). Digitalisierung begleiten und
gestalten. On – Lernen in der digitalen Welt. (3). 22-23.
Schanze, S., Schneeweiß, N., Sieve, B. (2020). Kompetenzen zur digitalen
Messwerterfassung fördern. In: Digitale Basiskonzepte. Hamburg: Joachim
Herz Stiftung. 54-57.
Schneeweiß, N., Schanze, S. (2020). Wissen organisieren und visualisieren –
Erstellung von Concept Maps mit CmapTools. Unterricht Chemie. (177/178).
92-95.
10.7 Lebenslauf
182
Schneeweiß, N., Sieve, B., Ulrich, N. (2020). Experimentieren mit digitalen
Werkzeugen. Unterricht Chemie. (177/178). S. 10-11.
Schneeweiß, N., Sieve, B. (2020). Individualisiertes Lernen. Unterricht Chemie.
(177/178). S. 70-71
Schneeweiß, N., Sieve, B., Ulrich, N. (2020). Chemieunterricht digital unterstützen.
Unterricht Chemie. (177/178). S. 4-6.
Schneeweiß, N., Sieve, B., Ulrich, N. (Hrsg.) (2020). Unterricht digital unterstützen.
Unterricht Chemie. (177/178).
Scheibe, M. & Schneeweiß, N. (2019). Alle machen mit - Voting-Tools im Unterricht.
c't Magazin für Computertechnik. 2019(24). 154-157.
Walkowiak, M., Schneeweiß, N., Nehring, A. & Schanze, S. (2018). Potenziale von
Mehrmesswerterfassungssystemen im Chemieunterricht. Tagungsbericht.
„Sensorgestütztes Experimentieren im naturwissenschaftlichen Unterricht“ 27.
03.2018. München, MNU: 55-66
Box 17: Konferenzbeiträge
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2019, September). Zoomen: Entwicklung
und Evaluation von Lernangeboten für vernetztes Denken. Vortrag im
Rahmen der Internationalen Jahrestagung der Fachsektion Didaktik der
Biologie (FDdB im VBio). Wien.
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2019, August). Organising levels of
organisation for science education: a critical review of literature. Vortrag im
Rahmen der 13th Conference of the European Science Education Research
Association (ESERA). Bologna.
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2019, März). Zoomen und vernetzen:
Entwicklung eines neuen Werkzeugs für vertikale und horizontale
Kohärenz. Posterpräsentation im Rahmen der FdDB Frühjahrsschule. Bonn.
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2019, März). Phänomenen auf den Grund
gehen durch Zoomen: Lernmöglichkeiten und -schwierigkeiten von
Interventionen mit biologischen Betrachtungsebenen. Posterpräsentation
im Rahmen der Konferenz Biologiedidaktische Vorstellungsforschung:
Zukunftsweisende Praxis in Berlin.
Schneeweiß, N. & Gropengießer, H. (2018, Februar). Betrachtungsebenen:
Lernmöglichkeiten und -schwierigkeiten. Posterpräsentation im Rahmen
der FdDB Frühjahrsschule. Köln.
