Die Natur der Biologie verstehen: Entwicklung biologiespezifischer Nature of Science-Konzepte aus curricularer, fachwissenschaftlicher und wissenschaftstheoretischer Perspektive

Abstract

Ein zentrales Ziel des naturwissenschaftlichen Unterrichts ist die Förderung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung (Scientific Literacy). Diese umfasst auch ein Verständnis über die Natur bzw. Kultur der Naturwissenschaften (Nature of Science, NOS). NOS beschreibt die Eigenschaften, Bedingungen und Grenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisprozesse. In der naturwissenschaftsdidaktischen Forschung wird intensiv diskutiert, welche NOS-Aspekte im Unterricht adressiert (inhaltliche Dimension) und wie diese dargestellt werden sollten (unterrichtsmethodische Dimension). Die Biologie, Chemie und Physik haben Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede zueinander. Aus wissenschaftstheoretischer Perspektive lassen sich Besonderheiten biologischer Forschung auf spezifische Eigenschaften biologischer Forschungsobjekte zurückführen. Zudem hängt das NOS-Verständnis von Schüler:innen und Lehrkräften von der jeweils berücksichtigten Disziplin ab. Folglich sollten für eine differenzierte Analyse und Förderung des NOS-Verständnisses Unterschiede zwischen einzelnen naturwissenschaftlichen Disziplinen in einer Konzeptualisierung von NOS berücksichtigt werden. Mit dem Family Resemblance Approach (FRA) werden Naturwissenschaften wie Mitglieder einer Familie beschrieben, die Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede zueinander aufweisen. Dadurch können neben disziplinübergreifenden auch disziplinspezifische NOS-Aspekte beschrieben werden. Ziel dieser Arbeit ist es, den FRA unter Berücksichtigung der Besonderheiten biologischer Forschung zu differenzieren und zu kontextualisieren, sowie aufzuzeigen, wie NOS-Aspekte in Unterrichtsmaterialien wie Schulbüchern dargestellt werden. Zudem soll anhand konkreter Lerngelegenheiten für den Biologieunterricht verdeutlicht werden, wie es gelingen kann, Besonderheiten der Biologie in die Unterrichtspraxis zu integrieren. Bezogen auf die inhaltliche Dimension wurden in einer Schulbuchstudie NOS-Aspekte, die im Biologie-Curriculum enthalten sind, beschrieben. Auf dieser Grundlage wurden in einer Interviewstudie mit Fachwissenschaftler:innen und Wissenschaftstheoretiker:innen biologiespezifische NOS-Konzepte entwickelt, mit denen Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften biologischer Forschungsobjekte und Besonderheiten biologischer Forschung beschrieben werden. Bezogen auf die unterrichtsmethodische Dimension wurde untersucht, wie NOS in unterschiedlichen Kapiteln von Biologie-Schulbüchern dargestellt ist. Die Ergebnisse zeigen, dass NOS-Aspekte in den Einführungskapiteln signifikant häufiger explizit dargestellt sind als in fachlich kontextualisierten Kapiteln. Zudem wurde diskutiert, welche Möglichkeiten für eine Kontextualisierung von NOS in einer Lerngelegenheit für den Biologieunterricht bestehen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden verschiedene Lerngelegenheiten in Form konkreter Vorschläge für die Praxis entwickelt, mit denen das NOS-Verständnis im Biologieunterricht gefördert werden kann. Insgesamt leistet diese Arbeit einen innovativen Beitrag in der fachdidaktischen NOS-Forschung, indem auf Grundlage des FRA empirisch gestützte biologiespezifische NOS-Konzepte aus curricularer, fachwissenschaftlicher und wissenschaftstheoretischer Perspektive entwickelt wurden. Zudem konnten anhand der empirischen Erkenntnisse konkrete Möglichkeiten für die Gestaltung von Unterrichtsmaterialien für den Biologieunterricht aufgezeigt werden.

A key objective of science education is to promote Scientific Literacy, including an understanding of Nature of Science (NOS). NOS encompasses the characteristics, conditions, and limitations of scientific knowledge acquisition and is thus a fundamental component of contemporary science education. In science education research, there is an ongoing discussion about which NOS aspects should be addressed (content dimension) and presented (instructional-methodological dimension) in the classroom. The scientific disciplines of biology, chemistry, and physics have commonalities but also differences. From a philosophy of science perspective, specificities of biological research stem from the properties of biological research objects. In addition, students’ and teachers’ understanding of NOS depends on the scientific discipline being considered. Consequently, differences between the individual scientific disciplines should be considered in conceptualizations of NOS in order to foster and analyze a differentiated NOS understanding. With the Family Resemblance Approach (FRA), different scientific disciplines can be described as family members that share both similarities and differences. With the FRA, it is possible to describe discipline-specific NOS aspects as well as NOS aspects that are relevant to all scientific disciplines. The aim of this work is to differentiate and contextualize the FRA by considering specific characteristics of biological research and to show how NOS aspects are presented in instructional materials such as textbooks. Furthermore, learning opportunities for biology education are used to illustrate how the specific characteristics of biology can be successfully integrated into classroom practice. Regarding the content dimension, NOS aspects that are contained in the biology curriculum are described in a textbook study. Based on that, an interview study with scientists and philosophers of science was conducted to develop biology-specific NOS concepts that describe relationships between the properties of biological research objects and the distinct characteristics of biological research. Regarding the instructional-methodological dimension, the representation of NOS across different chapters of biology textbooks was examined. The results show that explicit NOS representations are significantly more often contained in introductory chapters compared to those which are contextualized within the subject area. Additionally, possibilities for contextualizing NOS in learning opportunities for biology education were discussed. Based on these findings, various learning opportunities to promote NOS understanding in biology classroom were developed. Overall, this work provides an innovative contribution to NOS research in science education by empirically developing biology-specific NOS concepts based on the FRA from a curricular, scientific, and philosophical perspective. The empirical findings also made it possible to derivate recommendations for the design of teaching materials for biology education.