Ein Lehr- und Forschungsprojekt zur Entwicklung, Erprobung und empirischen Begleitung modellbasierter, inklusiver Lernangebote in der Lehrkräftebildung

Genetik gehört zu den zentralen, zugleich aber besonders anspruchsvollen Inhaltsbereichen des Biologieunterrichts. Der hohe Abstraktionsgrad genetischer Konzepte und die Notwendigkeit systemischen Denkens sind dabei eng miteinander verwoben: Molekulare Konzepte werden erst dann verständlich, wenn Lernende diese im Zusammenspiel biologischer Organisationsebenen sowie von Strukturen, Funktionen und Prozessen verorten können. Modelle können diesen vielschichtigen Erarbeitungsprozess unterstützen, sofern sie nicht nur als Anschauungsmaterialien genutzt werden. Ihren Wert als Lern- und Erkenntniswerkzeuge entfalten sie, indem sie abstrakte genetische Zusammenhänge veranschaulichen und zugleich das Denken in biologischen Systemzusammenhängen fördern.

Modelle entwickeln – vielfältig und inklusiv

In der Materialwerkstatt Genetik werden neben traditionellen handwerklichen Verfahren auch computergesteuerte, datenbasierte Herstellungsverfahren – sogenannte digitale Fertigungstechnologien – eingesetzt, mit denen Studierende ihre digitalen Modell-Entwürfe biologischer Konzepte als physische Objekte realisieren.

Digitale Fertigung und algorithmisches Denken

Studierende lernen, digitale Werkzeuge gezielt einzusetzen, Geräte zu konfigurieren und ihre Arbeitsabläufe nachvollziehbar zu planen. Algorithmisches Denken wird dabei angebahnt, ohne den Fokus auf die biologischen Inhalte zu überlagern.

Mit dem 3D-Drucker entstehen räumliche und steckbare Modelle, etwa zu DNA-Struktur, Replikation, Meiose, Crossing-over, Genregulation oder Translation. Der Schneideplotter ermöglicht die Herstellung flexibler Legematerialien, Sequenzkarten, Codon- und Allelkarten, Prozessstreifen sowie Overlay-Modelle, mit denen Lernende Mutationen, Transkription, Translation oder Vererbungsprozesse handelnd nachvollziehen können. Die Schmelzschneidemaschine dient der Anfertigung flächiger oder räumlicher Modellbestandteile, die auch als Stecksysteme gestaltet werden können. Die Stickmaschine eröffnet Zugänge zu Genetik als Code, Muster und Übersetzung: DNA-Sequenzen, Codons oder Mutationen können als textile und taktile Muster dargestellt werden.

Solche haptischen, visuellen und handlungsorientierten Repräsentationsformen können Schüler:innen mit unterschiedlichen Voraussetzungen alternative Zugänge eröffnen und damit Bildungsbeteiligung, Chancengerechtigkeit und inklusives fachliches Lernen fördern.

Professionalisierung durch Modellierkompetenz

Ein zentrales Ziel ist die Förderung von Modellierkompetenz als Bestandteil professioneller Kompetenz angehender Biologielehrkräfte. Studierende sollen Modelle nicht nur einsetzen, sondern auch Modellzwecke und -grenzen reflektieren. Dabei wird untersucht, ob die eigenständige Entwicklung und Umsetzung von Modellen andere Professionalisierungsprozesse anstößt als die Arbeit mit vorgefertigten Modellen. Im Fokus stehen u. a. Reflexionsprozesse und die Entwicklung von Modellierkompetenz sowie die Frage, inwiefern Studierende Lernschwierigkeiten antizipieren, Modellgrenzen sichtbar machen und inklusive Zugänge mitdenken.

Lehre, Forschung und Unterrichtspraxis verbinden

Das Projekt verbindet universitäre Lehre mit schulischer Erprobung. Im Rahmen fachdidaktischer Lehrveranstaltungen entwickeln Lehramtsstudierende eigene Modellideen und -realisierungen oder arbeiten mit vorgefertigten Modellen. Anschließend planen sie kurze Unterrichtssequenzen, setzen die Modelle im Biologieunterricht ein und reflektieren die Erprobung.

Auf der Schüler:innenseite steht die Rückmeldung zur Unterrichtsqualität im Vordergrund. Die Schüler:innen geben Feedback dazu, inwieweit die Unterrichtssequenzen kognitiv aktivierend waren, konstruktive Unterstützung ermöglichten und durch ein tragfähiges Klassenraummanagement gerahmt wurden. Ergänzend werden selbstberichtete kognitive sowie motivational-affektive Effekte erfasst, darunter das wahrgenommene Verständnis genetischer Inhalte, Interesse, Motivation und Aktivierung sowie die Einschätzung, ob die Arbeit mit Modellen das eigene Lernen unterstützt hat.

Der integrierte Lehr- und Forschungsraum

Die Materialwerkstatt Genetik versteht sich als Lehr- und Forschungsraum, in dem fachliches Lernen, fachdidaktische Modellarbeit, Maker-orientierte Materialentwicklung, Unterrichtserprobung und empirische Evaluation systematisch miteinander verbunden werden. Durch die Zusammenarbeit von Biologie- und Mathematikdidaktik werden Perspektiven auf Modellieren, systemisches Denken, fachliches Lernen, informatische Bildung und empirische Unterrichtsforschung miteinander verknüpft.