Forschungsnahes Lernen und Lehren in der Biologie: Wie Studierende lernen, ökologisch zu forschen – ein Praxisbeispiel

von Annette Kolb, Jana Seeger, Andra Thiel, Jürgen Warrelmann und Martin Diekmann

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Absolvent_innen von Universitäten müssen sich im späteren Berufsleben vielfältigen Anforderungen stellen. Dafür qualifiziert sie ein forschungsorientiertes Studium mit Raum und Zeit für die eigenständige, interessensgeleitete und wissenschaftliche Auseinandersetzung mit Fachinhalten und Problemstellungen. In Zeiten knapper Ressourcen stellt forschungsnahes Lernen und Lehren aber gerade große Studiengänge bzw. Veranstaltungen mit vielen Studierenden vor eine Herausforderung. Dies gilt insbesondere in den naturwissenschaftlichen Fächern, da dort ein Großteil der Ausbildung in praktischen Kursen im Labor stattfindet. Am Beispiel eines Pflichtmoduls aus dem Bachelor-Studiengang Biologie der Universität Bremen wird deutlich, dass Studierende selbst bei relativ geringen Vorkenntnissen auch in größeren Praktika wesentliche Forschungs- und Problemlösekompetenzen erwerben können.

Erklärtes Ziel des Bachelor-Studiengangs Biologie der Universität Bremen ist es, Studierende in die Lage zu versetzen, selbstständig wissenschaftlich zu arbeiten, d.h. eigenständig Fragestellungen und Versuchsanordnungen zu entwickeln und den wissenschaftlichen Diskurs zu führen. Ein forschungsorientiertes Studium
mit Raum und Zeit für die eigenständige, interessensgeleitete und wissenschaftliche Auseinandersetzung mit Fachinhalten und Problemstellungen ermöglicht die Entwicklung von wesentlichen Forschungs- und Problemlösekompetenzen, die Studierende sowohl für eine wissenschaftliche Laufbahn als auch für akademische Berufsfelder außerhalb der Hochschule qualifizieren.

Das von der Universität Bremen aus Hochschulpaktmitteln geförderte Pilotprojekt „Forschendes Lernen als Profil des Bachelor-Studiengangs Biologie“ (Laufzeit 2015-2017) hat zum Ziel, im Studiengang bereits enthaltene Elemente des forschungsnahen Lernens und Lehrens sichtbarer zu machen, diese modulübergreifend besser zu verknüpfen sowie neue Elemente zu integrieren. Im Rahmen dieses Projektes wurde auch der Grundkurs Ökologie umstrukturiert. Forschungsbezüge werden im Kurs jetzt stärker expliziert und die Studierenden haben die Möglichkeit, in sogenannten Wahlversuchen den Forschungsprozess aktiv und selbstständig zu gestalten, zu durchlaufen und zu reflektieren. Sie können sich so selbst als Forscher_innen erleben: von der Entwicklung einer eigenen Fragestellung bis hin zur Präsentation eigener und originärer Ergebnisse (Forschendes Lernen nach Huber 2009, 2014).

Eckdaten des Ökologie-Grundkurses

Der Grundkurs Ökologie (4,5 CP) ist neben den Ökologischen Exkursionen (1,5 CP) Teil des Moduls Ökologie und Biodiversität (Öko2) und wird in der Regel im 4. Fachsemester absolviert. Das Modul ist verpflichtend für Studierende des Vollfachs Biologie und offen für Studierende des Lehramts, die das Modul im Wahlbereich belegen können. Das Modul baut auf der für Vollfach- und Lehramtsstudierende verpflichtenden Vorlesung Einführung in die Ökologie auf, welche in der Regel im 1. oder 3. Fachsemester besucht wird. Der Grundkurs Ökologie findet im Sommersemester statt und umfasst eine Vorlesung (1 SWS) sowie ein Praktikum (3 SWS), welches in zwei Parallelen à ca. 55 Studierende durchgeführt wird (Abb. 1). Im Praktikum führen die Studierenden in 6-8er-Gruppen mehrere ökologische Versuche durch. Ausgerichtet wird der Grundkurs Ökologie von drei ökologischen Arbeitsgruppen des Fachbereichs 2 (AG Vegetationsökologie und Naturschutzbiologie, AG Allgemeine und Theoretische Ökologie, AG Populations- und Evolutionsökologie), mit insgesamt 10-12 Lehrenden (inkl. der Wimis und Hiwis). Erfolgreich abgeschlossen wird die Veranstaltung mit einer an Vorlesungs- und Praktikumsinhalten orientierten Prüfungsleistung (Klausur), sowie durch zwei kompetenzorientierte Studienleistungen (Protokolle, mündliche Präsentation).

Abbildung 1: Struktur des Ökologie-Grundkurses, sowie seiner wesentlichen Elemente des forschungsnahen Lernens und Lehrens.

Abbildung 1: Struktur des Ökologie-Grundkurses, sowie seiner wesentlichen Elemente des forschungsnahen Lernens und Lehrens.

Im Kurs enthaltene Elemente des forschungsnahen Lernens und Lehrens

Die vielfältigen Verbindungsmöglichkeiten von Lernen, Lehren und Forschen zielen nach Reinmann (im Druck) darauf ab, dass Studierende an einer Hochschule a) Forschen verstehen lernen, b) Forschen üben und (c) selber forschen können. Lernen bzw. Lehren werden in diesem Sinn als ein Kontinuum zwischen Rezeption und Produktion bzw. Vermittlung, Aktivierung und Begleitung verstanden. Der Grundkurs Ökologie greift diese verschiedenen Formen des forschungsnahen Lernens und Lehrens seit seiner Umstrukturierung explizit auf und ermöglicht den Studierenden so, Forschungskompetenz aufzubauen bzw. diese weiterzuentwickeln.

In einer einstündigen, semesterbegleitenden Vorlesung bekommen die Studierenden das
nötige Rüstzeug für die im Praktikum durchgeführten Haupt- und Wahlversuche, sowie
Einblicke in aktuelle ökologische Forschung. Die Studierenden lernen Forschen verstehen. In den ersten beiden Vorlesungsstunden steht der Forschungsprozess im Vordergrund: Wie findet man eine geeignete Fragestellung? Wie formuliert man gute Hypothesen? Was ist wich-tig bei der Festlegung der methodischen Vorgehensweise? Anschließend gibt es zu den drei im Praktikum durchgeführten Hauptversuchen jeweils 2-3 Vorlesungsstunden, die die Studierenden mit dem theoretischen Hintergrund der Versuche vertraut machen. In drei weiteren Vorlesungsstunden stellen sich die drei am Praktikum beteiligten ökologischen Arbeitsgruppen vor, um den Studierenden einen Einblick in aktuelle ökologische Forschung zu geben: Mit welchen Fragestellungen und Projekten beschäftigen sich die jeweiligen Arbeitsgruppen? In der letzten Vorlesungsstunde werden das Praktikum und der Forschungsprozess in einem Dialog zwischen Lehrenden und Studierenden nochmal reflektiert.

Im Praktikum setzen die Studierenden das in der Vorlesung Gelernte um, indem sie selbst
den Forschungsprozess durchlaufen, von der Aufstellung von Fragen und Hypothesen bis hin zur Präsentation der Ergebnisse. In drei Hauptversuchen wird der Forschungsprozess in strukturiertem Format eingeübt und nach klaren Vorgaben nachvollzogen (Tabelle 1), entsprechend der üblichen Herangehensweise praktischer Kurse in den Naturwissenschaften. Hier lernen die Studierenden exemplarisch, wie ökologische Forschung funktioniert. Sie üben das Forschen. Die Studierenden lernen in relativ kurzer
Zeit verschiedene ökologische Methoden und Testsysteme kennen, werden mit der Art ökologischer Fragestellungen vertraut und lernen, komplexe Zusammenhänge zu verstehen. In einem zusätzlichen Wahlversuch wird der Forschungsprozess weitestgehend eigenverantwortlich und selbstständig vollzogen (Tabelle 1). Hier forschen die Studierenden also selbst und können, wenn auch innerhalb eines vorgegebenen Rahmens, ihrer eigenen Neugier folgend „forschend lernen“. Sie erwerben hier nicht nur fachlich-inhaltliche Kompetenzen, sondern trainieren in besonderem Maße auch überfachliche Fähigkeiten, wie Entscheidungen zu treffen, sich Arbeit und Zeit einzuteilen und mit anderen zu kommunizieren und zu kooperieren.

Tabelle 1: Die Etappen des Forschungsprozesses werden in den Haupt- bzw. Wahlversuchen in unterschiedlichem Selbstständigkeitsgrad durchlaufen (verändert nach Levy et al. 2011).

Tabelle 1: Die Etappen des Forschungsprozesses werden in den Haupt- bzw. Wahlversuchen in unterschiedlichem Selbstständigkeitsgrad durchlaufen (verändert nach Levy et al. 2011).

Die Kombination aus Haupt- und Wahlversuchen wurde erstmalig im Sommersemester 2015 erprobt und hat sich auch beim zweiten Durchlauf im Sommersemester 2016 bewährt. Die Anzahl der Hauptversuche wurde mit der Einführung der Wahlversuche entsprechend reduziert, um den für die Wahlversuche notwendigen zeitlichen Freiraum zu schaffen.

Die Hauptversuche

In den Hauptversuchen (Abb. 2), die von jeweils einer der drei beteiligten Arbeitsgruppen organisiert und betreut werden, wird der Forschungsprozess von den Studierenden nach
klaren Vorgaben vollzogen (Tabelle 1). Detaillierte Informationen zu den Versuchen inkl.
fachwissenschaftlichem Hintergrund, Darstellung des experimentellen Ansatzes und Hinweisen zur Auswertung der gewonnenen Daten werden den Studierenden in einem Skript zur Verfügung gestellt. Für jeden Versuch müssen die Studierenden als verpflichtende Studienleistung ein ca. 10- bis 15-seitiges Protokoll schreiben, welches nach klaren, ebenfalls im Skript enthaltenen Vorgaben als Gruppenleistung zu erstellen ist. Die Protokolle werden nicht benotet, müssen aber bestimmten Mindestanforderungen genügen und folgen in ihrem Aufbau und Inhalt den üblichen Gepflogenheiten wissenschaftlicher Artikel des Faches. Lehrende korrigieren und kommentieren die Protokolle, so dass die Studierenden eine Rückmeldung über die Qualität ihres Protokolls
erhalten.

Abbildung 2: In den drei im Kurs durchgeführten Hauptversuchen wird der Forschungsprozess angeleitet eingeübt. Die hier aufgeführten Forschungsfragen und experimentellen Ansätze sind exemplarisch und stark vereinfacht dargestellt und beruhen auf dem im Sommersemester 2016 durchgeführten Kurs.

Abbildung 2: In den drei im Kurs durchgeführten Hauptversuchen wird der Forschungsprozess angeleitet eingeübt. Die hier aufgeführten Forschungsfragen und experimentellen Ansätze sind exemplarisch und stark vereinfacht dargestellt und beruhen auf dem im Sommersemester 2016 durchgeführten Kurs.

Die Wahlversuche

In den Wahlversuchen (Abb. 3), die ebenfalls den einzelnen Arbeitsgruppen zugeordnet sind, wird der Forschungsprozess weitestgehend selbstständig vollzogen (Tabelle 1). Den Studierenden werden zwar mögliche Rahmenthemen vorgestellt, doch die Aufstellung der spezifischen Forschungsfragen und Hypothesen, die Festlegung der methodischen Vorgehensweise, die Erhebung und Auswertung der Daten usw. liegen in der vollen Verantwortung der Studierenden. Die Lehrenden stehen den Studierenden dabei für Fragen und Diskussion zur Verfügung. Die Ergebnisse der Projektarbeiten werden am Ende des Semesters in einem Vortrag vorgestellt. Ausgewählte Versuche, und der damit verbundene Prozess des Forschenden Lernens, wurden von einem Teil der Studierenden in einer an den Kurs angegliederten und über ForstA finanzierten General Studies Veranstaltung filmisch umgesetzt und können auf den Internetseiten des Fachbereichs 2 abgerufen werden (http://www.uni-bremen.de/fb2.html).

Abbildung 3: In den Wahlversuchen wird der Forschungsprozess selbstständig durchlaufen. Die hier aufgeführten Forschungsfragen und methodischen Herausforderungen sind exemplarisch und stark vereinfacht dargestellt und repräsentieren zwei der zwölf im Sommersemester 2016 durchgeführten Versuche.

Abbildung 3: In den Wahlversuchen wird der Forschungsprozess selbstständig durchlaufen. Die hier aufgeführten Forschungsfragen und methodischen Herausforderungen sind exemplarisch und stark vereinfacht dargestellt und repräsentieren zwei der zwölf im Sommersemester 2016 durchgeführten Versuche.

Herausforderungen für Studierende und Lehrende

Forschung in den Biowissenschaften ist in der Regel an Organismen gebunden und zumeist experimenteller Natur. Insbesondere ökologische Fragestellungen können oft nur über längere Zeiträume bearbeitet werden. Da der Kurs insgesamt nur über ein Semester läuft, müssen Haupt- und Wahlversuche zum Teil parallel durchgeführt werden. Dies ist nicht nur eine Herausforderung für die allgemeine Kursorganisation, sondern bedeutet auch, dass die Studierenden ihre Forschungskompetenz nicht sukzessive erwerben und ausbauen können (Forschen kennen lernen → Forschen üben → selber forschen), sondern sich gleich zu Beginn des Semesters mit ihren eigenen Forschungsprojekten
auseinandersetzen müssen und daher zumindest anfänglich von den Lehrenden intensiver beraten und enger begleitet werden.

Sowohl die Haupt- als auch die Wahlversuche werden in festen 6-8er-Gruppen durchgeführt, was von den Studierenden vor allem hinsichtlich koordinativer Aspekte als nachteilig empfunden wird. Kleinere Gruppen à 3-4 Studierenden wären wünschenswert, lassen sich aber bei den gegebenen Betreuungskapazitäten nicht realisieren.

Eine weitere Herausforderung liegt darin, dass der Kurs sowohl von Vollfach- als auch von Lehramtsstudierenden belegt wird, die entsprechend unterschiedliche Vorkenntnisse
mitbringen. Die Heterogenität der Studierenden macht sich vor allem bei der notwendigen
statistischen Auswertung der Versuche bemerkbar, da Lehramtsstudierende das für Vollfächler verpflichtende Modul Statistik für Naturwissenschaftler nicht belegen. Bisher wurde versucht, den „Nachteil“ der Lehramtsstudierenden durch die Bildung gemischter Gruppen (Vollfach, Lehramt) auszugleichen.

Stärkung der Forschungskompetenz

Im Rahmen der im Sommersemester 2016 durchgeführten Kursevaluation wurden auch
spezifische Fragen zum Erwerb von Forschungskompetenz gestellt. Wie aus Abbildung 4 hervorgeht, nehmen die Studierenden auf allen Etappen des Forschungsprozesses einen
Kompetenzgewinn durch den Kurs wahr, insbesondere bei der Bestimmung der methodischen Vorgehensweise, bei der Durchführung der Untersuchung sowie bei der Auswertung und Darstellung der Daten.

Abbildung 4: Ergebnisse der Studierendenbefragung zum Erwerb von Forschungskompetenz in der Veranstaltung. Die Studierenden wurden gefragt, wie hoch sie ihr Können und Wissen bezüglich der Etappen des Forschungsprozesses vor bzw. nach der Veranstaltung einschätzen (1 = sehr niedrig, 6 = sehr hoch). Dargestellt sind Mittelwerte (n = 78 Studierende).

Abbildung 4: Ergebnisse der Studierendenbefragung zum Erwerb von Forschungskompetenz in der Veranstaltung. Die Studierenden wurden gefragt, wie hoch sie ihr Können und Wissen bezüglich der Etappen des Forschungsprozesses vor bzw. nach der Veranstaltung einschätzen (1 = sehr niedrig, 6 = sehr hoch). Dargestellt sind Mittelwerte (n = 78 Studierende).

Fazit

Die Integration von „echtem“ Forschendem Lernen stellt naturwissenschaftliche Bachelor-
Studiengänge vor eine besondere Herausforderung, da Studierende in praktischen Kursen
auszubilden sind, in denen z.T. komplexe Methoden im Labor angewandt werden und Verbrauchsmaterialien teuer sind. Dazu kommen, gerade in den Pflichtpraktika der ersten
Studienjahre, Kohortengrößen von oft über 100 Studierenden, die bei komplexen Forschungsarbeiten im Labor angeleitet, betreut und begleitet werden müssen. In der Ökologie können manche der aktuellen Forschungsfragen auch mittels vergleichsweise „einfacher“ Methoden bearbeitet werden, weshalb sich dieses Fachgebiet in besonderem Maße für Forschendes Lernen anbietet. Im Grundkurs Ökologie können die Studierenden im Rahmen der Wahlversuche den Forschungszyklus vollständig durchlaufen, von der Entwicklung einer eigenen Fragestellung bis hin zur Präsentation dereigenen, originären Ergebnisse. Trotz der mit dem Kurs verbundenen Herausforderungen, zeigen die bisherigen Erfahrungen, dass sich das neue Kurskonzept bewährt hat und in der
Praxis funktioniert.

Auf die Frage, was den Studierenden am Grundkurs Ökologie gut gefallen hat, trafen
die Studierenden unter anderem folgende Aussagen (Ergebnisse der im Sommersemester
2016 durchgeführten Kursevaluation):

• „die Möglichkeit einen eigenen Versuch zu gestalten“
• „Informationen zu aktuellen Forschungsgebieten“
• „die Möglichkeit sehr selbstständig zu arbeiten“
• „eigene Interessen haben genug Raum und Zeit erhalten“
• „eigener Versuch: tieferes Verständnis der Materie“
• „der Wahlversuch und dass wir dabei so viel selbst bestimmen konnten“
• „Versuchsvielfalt und gute Einblicke in ökologische Forschungsweisen“
• „Möglichkeit zum ersten eigenen Versuch – viel gelernt!“
• „Der Wahlversuch! Es war eine willkommene Abwechslung, eigenständig zu einem   Thema zu arbeiten, welches mich wirklich interessiert.“
• „Ich hatte vorher wenig Interesse an Ökologie, jetzt könnte ich mir sogar vorstellen, in die Richtung zu gehen“.

Über die Autor_innen:

Annette Kolb und Jana Seeger vertreten das Projekt „Forschendes Lernen als Profil des Bachelor-Studiengangs Biologie“ am FB 2. Andra Thiel (Universitätslektorin), Jürgen Warrelmann (Koordinator am Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien der Universität Bremen) und Martin Diekmann (Hochschullehrer und Modulverantwortlicher für den Grundkurs Ökologie) sind Lehrende im Grundkurs Ökologie und vertreten die drei am Kurs beteiligten ökologischen Arbeitsgruppen.

 

Literatur:

  • Huber, L.: Warum Forschendes Lernen nötig und möglich ist, in: Huber, L., Hellmer, J., Schneider, F. (Hrsg.) (2009): Forschendes Lernen im Studium. Aktuelle Konzepte und Erfahrungen, Bielefeld: Universitätsverlag Webler, 9-35.
  • Huber, L.: Forschungsbasiertes, Forschungsorientiertes, Forschendes Lernen: Alles dasselbe? Ein Plädoyer für die Verständigung über Begriffe und Unterscheidungen im Feld forschungsnahen Lehrens und Lernens, in: Das Hochschulwesen 62 (2014), 22-29.
  • Levy, P., Lameras, P., McKinney, P., Ford, N. (2011): The features of inquiry learning: theory, research and practice. Pathway to Inquiry-Based Science Teaching, (Deliverable 2.1). European Commission: CSA-SA Support Actions, Project Number 266624.
  • Reinmann, G.: Prüfungen und Forschendes Lernen, in: Mieg, H.A., Lehmann, J. (Hrsg.) (im Druck): Forschendes Lernen. Wie die Lehre in Universität und Fachhochschule erneuert werden kann, Frankfurt: Campus Verlag.

 

 

Bildnachweis:

  • Autor_innenfoto: Kathrin Litza (privat)
  • Abb. 1: Annette Kolb; Jana Seeger; Andra Thiel; Jürgen Warrelmann; Martin Diekmann
  • Tab.1: Annette Kolb; Jana Seeger; Andra Thiel; Jürgen Warrelmann; Martin Diekmann
  • Abb. 2: Annette Kolb
  • Abb. 3: Samuel Kühs, Bianca Thobor
  • Abb. 4: Annette Kolb; Jana Seeger; Andra Thiel; Jürgen Warrelmann; Martin Diekmann

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