Digitale Basiskompetenzen
Orientierungshilfe und Praxisbeispiele für die universitäre
Lehramtsausbildung in den Naturwissenschaften

Angehende Lehrerinnen und Lehrer sollten bereits während des Studiums lernen,
wie sie mit digitalen Medien im Unterricht arbeiten können.

Dieser Band legt ein Modell für digitale Basiskompetenzen vor, die in der universitären Lehramtsausbildung in den Naturwissenschaften vermittelt werden sollten.

23 Praxisbeispiele demonstrieren zudem, wie diese Kompetenzen in der Hochschullehre ausgebildet und gefördert werden können.
Diese Publikation gibt Antworten auf die Frage, wie die universitäre Lehrkräftebildung konstruktiv auf die Anforderungen an Unterricht in der digitalen Welt reagieren kann. Neben vielen inspirierenden praxisrelevanten Einzelbeispielen setzt sie auch Impulse für die strategische Neuausrichtung einer zukunftsorientierten Lehrkräfteausbildung. So entsteht ein umfassendes Mosaik aus Ideen und Vorschlägen, das sich als hervorragende Orientierungshilfe für die universitäre und schulpraktische Lehrkräftebildung eignet."
Udo Michallik, Generalsekretär der Kultusministerkonferenz, Berlin

Digitale Kompetenzen für das Lehramt in den Naturwissenschaften

Digitale Werkzeuge für den Chemieunterricht – ein Hochschulseminar im Masterstudium
Franziska Zimmermann, Insa Melle
Ziel des Seminars ist es, Studierende des Lehramts Chemie für den kompetenten Einsatz
digitaler Werkzeuge zu professionalisieren, indem sie erlernen, wie das jeweilige
spezifische Potenzial eines Werkzeuges gewinnbringend für die Vermittlung chemischer
Fachinhalte genutzt werden kann. Dazu befassen sich die Studierenden theoretisch,
aber insbesondere auch praktisch mit unterschiedlichen Apps, Programmen und
Möglichkeiten der Einbindung dieser für einen digital gestützten Chemieunterricht.
Durch die Anknüpfung des Seminars an das nachfolgende Praxissemester können die
Inhalte zudem unterrichtspraktisch erprobt werden.

Eckpunkte zum Lehrvorhaben
  • Seminar „Unterrichtsmethoden und Medien für die Digitalisierung im Chemieunterricht"
  • Entwicklung an der TU Dortmund im Rahmen des Promotionsprojektes von Franziska Zimmermann
  • Fach: Chemie
  • Pflichtseminar im Master Lehramt Chemie aller Schulformen, welches im Semester vor dem Praxissemester belegt wird
  • Teilnehmerzahl pro Durchgang: 5 bis 15
Benötigtes Vorwissen der Studierenden
Im Hinblick auf das TPACK Modell (Mishra & Koehler, 2006) sollten die Studierenden bereits über grundlegendes pedagogical knowledge (PK), content knowledge (CK) und pedagogical content knowledge (PCK) bezogen auf die Fachdomäne der Chemie verfügen. Da das Seminar an diese
Kenntnisse anknüpft und schwerpunktmäßig die Vermittlung des technology knowledge (TK) sowie seiner Schnittmengen technological pedagogical knowledge (TPK), technological content knowledge (TCK) sowie technological pedagogical content knowledge (TPACK) fokussiert, ist es im Masterstudiengang verortet. Diese technologiebezogenen Wissensbereiche des Modells werden dabei in nahezu gleichen Umfängen gefördert. Spezifisches technologiebezogenes
Vorwissen wird nicht vorausgesetzt.

Praktische Tipps zur Durchführung
Das Seminar wurde von einer Dozentin geleitet. Im Vorfeld der Veranstaltung wurden die einzelnen Seminarsitzungen von der Dozentin konzipiert und anschließend mit Experten diskutiert. Nach erstmaliger Durchführung des Seminars mit Studierenden wurden auf deren Wunsch
einerseits der theoretische Input etwas gekürzt und andererseits die Arbeitsphasen zeitlich verlängert.

Materialliste:
  • 1 iPad mit Apple Pencil pro Studierendem
  • 1 Laptop pro Studierendem
  • 1 Schwanenhalsstativ pro Studierendem
  • 1 MacBook für ca. 5 Studierende
  • Apple TV mit Projektor

Computerbasiertes und kollaboratives Lernen in den Naturwissenschaften anhand von Aufgaben entwickeln und fördern
Sascha Schanze, Jorge Groß, Sarah Hundertmark
Gemeinsames Lernen an einem Sachverhalt ist eine grundlegende Fähigkeit für die Realisierung vieler digital unterstützter Prozesse. Ein scheinbar einfaches Beispiel ist das gemeinsame elektronische Schreiben eines wissenschaftlichen Textes. Computergestütztes
kollaboratives Lernen simuliert und fördert Kompetenzen, die in allen Lebensbereichen
– insbesondere auch in beruflichen Kontexten – Anwendung finden. Mediengestützte Instruktionen sollen diese Kompetenz sukzessive entwickeln.

Eckpunkte zum Lehrvorhaben
  • Entwickelt an der Leibniz Universität Hannover (LUH)
    und der Universität Bamberg (UB)
  • Fächer: Chemie, Biologie
  • Fachübergreifender Bachelor (LUH, Grundlagen der
    Chemiedidaktik 2. Semester, Didaktisch reflektierte
    Fachwissenschaft, ab 3. Semester), Lehramt Mittelschule
    (UB, Biologie- und Chemiedidaktik,
    2. bis 4. Semester)
  • Teilnehmerzahl pro Durchgang: 25 bis 30
Benötigtes Vorwissen der Studierenden
Für das Heranführen an kollaborative Arbeitsweisen ist keine Voraussetzung auf der Ebene digitaler Kompetenzen nötig. Der in dem Seminar behandelte Inhaltsbereich erfordert die Kenntnis fachlicher Grundlagen aus einführenden Fachvorlesungen.

Praktische Tipps zur Durchführung
Das Lehrvorhaben kann von einer Lehrperson in einem gewöhnlichen Seminarraum begleitet werden. Mit zunehmender Erfahrung der Studierenden kann der Prozess nach der Initiierung auch unabhängig von Zeit und Raum weitergeführt werden. Am Anfang empfiehlt sich die Begleitung
der Prozesse über eine Präsentationsfläche.

Materialliste:
  • digitale Endgeräte 1:1 (Laptops oder Tablets)
  • Präsentationsfläche
  • Internetzugang (WLAN bei mobilen Endgeräten)
  • Schnittstelle zur Übertragung von Inhalten
    (z. B. AirPlay)

Welches Wissen benötigen Lehrkräfte zum Erstellen von Erklärvideos und wie wird es
in die Lehrkräfteausbildung integriert?
Daniela Mahler, Till Bruckermann
Der Einsatz von Erklärvideos im naturwissenschaftlichen Unterricht bietet Potenziale für das Lernen naturwissenschaftlicher Konzepte. Neben der Vermittlung von Fakten zeigt sich, dass insbesondere die Vermittlung von Prozeduren (z. B. Pipettieren) durch Erklärvideos gewinnbringend unterstützt werden kann. Die vorgestellte Lehrveranstaltung hat zum Ziel, Lehramtsstudierenden im Fach Biologie technologiebezogenes fachdidaktisches Wissen zur Erstellung lernförderlicher Erklärvideos zu vermitteln.

Eckpunkte zum Lehrvorhaben
  • Entwickelt und durchgeführt am Leibniz-Institut für die
    Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik
    (IPN) in der Abteilung Didaktik der Biologie
  • Fach: Biologie
  • Vorlesung und Pflichtübung im Master of Education
    (Lehramt Biologie, 1. Semester)
  • Teilnehmerzahl pro Durchgang: 66 Studierende
Benötigtes Vorwissen der Studierenden
Die Studierenden benötigen Wissen über die allgemeinen fachdidaktischen Grundlagen (vor allem Grundlagen der Erkenntnisgewinnung, fachgemäßer Repräsentationseinsatz). Darüber hinaus sollen die Studierenden Kriterien lernförderlicher Erklärvideos benennen können. Dieses Wissen wird im Lehramtsstudium am Standort bisher nicht vermittelt, sodass dieses Vorwissen nicht vorausgesetzt
werden kann. Aus diesem Grund ist der Übung, in der die Anwendung des Wissens zur Videoerstellung situiert ist, eine Vorlesung (90 Minuten) vorgeschaltet.

Praktische Tipps zur Durchführung
Damit die Studierenden sich mit der wissensbasierten Gestaltung des Videos (Anwendung der Kriterien) befassen können, ist erstens eine Unterstützung in allen technischen Belangen und zweitens eine deutliche Eingrenzung des (fachlichen) Themas notwendig (z. B. Beladen einer Gelkammer mit Mikropipette, Funktionsweise eines Restriktionsenzyms). Die benötigten Laborgeräte und -materialien werden vorgehalten. Darüber hinaus werden Requisiten je nach Art des Erklärvideos zur Verfügung gestellt (z. B. Materialien zur Erstellung abstrakter Repräsentationen). Eine Kurzanleitung zu den Grundfunktionen des verwendeten Gerätetyps (z. B. iMovie für iPads) erleichtert den Einstieg, sodass die Studierenden sich auf die gestalterische Umsetzung
konzentrieren können. Eine studentische Hilfskraft kann weitere Unterstützung zur technischen Umsetzung an der Station zur Videoerstellung geben. Eine ruhige Umgebung (separater Raum) empfiehlt sich. Der Flur vor dem Kursraum ist keine Alternative.

Materialliste:
  • ein Tablet mit Videobearbeitungssoftware (pro Gruppe)
  • ein Stativ mit Halterung für Tablets (pro Gruppe)
  • eine zusätzliche (mobile) Lichtquelle (pro Gruppe)
  • ein Moderationskoffer (pro Gruppe)

Mit der App „ID-Logics" mitteleuropäische Ameisen bestimmen
Jorge Groß, Jürgen Paul, Eva Ritter
Basierend auf dem Projekt „ID-Logics" wurde im Rahmen eines Lehrprojektes eine App zur Bestimmung von Ameisen entwickelt. Hierzu wurden zunächst Merkmale von Ameisen identifiziert, die Lernende ohne Hilfsmittel erkennen können. Darauf aufbauend wurden Vermittlungsversuche durchgeführt und Lernhürden während der Bestimmung identifiziert. Zur Überwindung der Lernhürden wurden professionelle Erklärvideos erstellt und die App im Anschluss publiziert.

Eckpunkte zum Lehrvorhaben
  • Entwickelt an der Universität Bamberg
  • Fächer: Biologie, Sachunterricht
  • Wahlpflichtseminar für Lehramtsstudierende
    der Naturwissenschaften (ab 3. Semester)
  • Teilnehmerzahl pro Durchgang: 8 bis 20
Benötigtes Vorwissen der Studierenden
Die Studierenden sollten die jeweiligen Basisveranstaltungen sowohl im Fach Biologie als auch in der Fachdidaktik bereits besucht haben und grundlegende Kenntnisse im Umgang mit digitalen Medien besitzen (wie z. B. Installation und Einsatz von Apps, Umgang mit Tabellenkalkulationsprogrammen).
Dieses Vorwissen benötigen die Studierenden, um verschiedenen Methoden der Artansprache
entwickeln und beurteilen zu können. Fachliche und fachdidaktische Lernhürden müssen identifiziert und Strategien zum unterrichtlichen Einsatz von Bestimmungssystemen in der Schule entwickelt werden.

Praktische Tipps zur Durchführung
Für die Entwicklung und Verbesserung des Bestimmungsschlüssels benötigen die Lernenden eine Einweisung und einen Zugang zum Content-Management-Systems (CMS) der App „ID-Logics". Hierzu sollte für Studierende für die Einzel- oder Partnerarbeit ein digitales Endgerät zur Verfügung
stehen. Die Lehrveranstaltung wurde von einer einzelnen Lehrperson begleitet. Der Raum sollte für flexibel gestaltete Gruppenarbeiten sowie mit üblicher Präsentationstechnik (wie z. B. Beamer, AirPlay) ausgestattet sein.

Materialliste:
  • Digitale Endgeräte (je eines für zwei Personen)
  • Ameisen unterschiedlicher Gattungen (ca. fünf bis zehn)
  • Bestimmungsliteratur
  • Binokulare (je 1 pro 2er-Gruppe)

Erklärvideos und digitale Messwerterfassung – fachliche, experimentelle und kreative Aspekte kombinieren
Moritz Krause, Ingo Eilks
Vermittelt wird das Erstellen von Erklärvideos und der Umgang mit digitaler Messwerterfassung
in der Chemie. Dieses geschieht in einer schrittweisen Herangehensweise im Rahmen eines fachdidaktischen Seminars. Genutzt, kombiniert und reflektiert werden das Vermitteln fachlicher Inhalte, das Nutzen quantitativer chemischer Experimente und technische Umsetzungsmöglichkeiten für die digitale Messwerterfassung.

Eckpunkte zum Lehrvorhaben
  • Entwickelt an der Universität Bremen
  • Fach: Chemie
  • Pflichtseminar „Neue Medien und Computereinsatz
    im Chemieunterricht" im Master of Education
    Chemie, 1. Semester
  • Teilnehmerzahl pro Durchgang: 20 bis 30
Benötigtes Vorwissen der Studierenden
Das benötigte Vorwissen bezieht sich vorwiegend auf fachliche und fachdidaktische Grundlagen, um diese bei der Durchführung der Versuche sowie einer möglichen Unterrichtplanung anzuwenden. Dabei wird auf Inhalte aus den Themenbereichen der allgemeinen Chemie, Säure-Base-Chemie und ggf. der Photometrie zurückgegriffen. Außerdem ist es hilfreich, wenn die Lernenden bereits über erste Unterrichtserfahrungen verfügen, um das Vorwissen der Lernenden und eine angemessene Sprache besser einordnen zu können. Daneben ist fachdidaktisches Wissen, etwa um verschiedene Erklärungsebenen im Chemieunterricht (etwa die drei Ebenen nach Johnstone: makroskopische,
submikroskopische und symbolische Ebene), hilfreich, um adäquate Erklärungen im Video zu nutzen und potenziell fehlleitende Erklärungen zu vermeiden. Dies sollte ggf. an dieser Stelle noch einmal angesprochen und reaktiviert
werden.

Praktische Tipps zur Durchführung
Das Lehrvorhaben wird in einer Veranstaltung zur Chemiedidaktik durchgeführt. Die Studierenden nutzen gleichermaßen einen Seminarraum und ein daneben befindliches Labor, in dem die Experimente durchgeführt werden. Das Erstellen der Erklärvideos und die Nutzung der App Explain
Everything können aber auch in anderen fachdidaktischen Lehrveranstaltungen anhand anderer Beispiele bereits vorbereitet oder integriert worden sein.

Materialliste:
  • 10 Tablet-PCs
  • 5–6 Bluetooth-pH-Sensoren von Vernier
  • Explain Everything (App für iOS und Android)
  • Graphical Analysis (App für iOS und Android)

Entwicklung des digitalen Lernspiels zur Nachhaltigkeit DiLeNa
Jürgen Paul, Jorge Groß
Im Rahmen des Lehrprojekts entstand das digitale Lernspiel für Nachhaltigkeit „DiLeNa". Das Konzept hierzu wurde von Lehramtsstudierenden der Naturwissenschaften in einem Seminar erarbeitet und anschließend von einem professionellen Spieleentwickler programmiert und umgesetzt. Das fertige Spiel wurde im Unterricht in Grundschulen evaluiert und daraufhin für den Einsatz in der Unterrichtspraxis veröffentlicht.

Eckpunkte zum Lehrvorhaben
  • Entwickelt an der Universität Bamberg
  • Fächer: Biologie, Sachunterricht,
    andere Naturwissenschaften
  • Wahlpflichtseminar für Lehramtsstudierende
    der Naturwissenschaften (ab 3. Semester)
  • Teilnehmerzahl pro Durchgang: 8 bis 20
Benötigtes Vorwissen der Studierenden
Die Studierenden sollten die jeweiligen Basisveranstaltungen ihres Studiengangs sowohl in den Fachwissenschaften als auch in der Fachdidaktik (z. B. Medien, didaktische Rekonstruktion)
bereits besucht haben. Dieses Vorwissen sowie ein naturwissenschaftliches Grundverständnis benötigen sie, um erstens die Zusammenhänge nachhaltigen Handelns verstehen und beurteilen zu können (z. B. Recycling und Kreislaufwirtschaft, nachhaltige Herstellung von Lebensmitteln) und um zweitens die fachdidaktischen Herausforderungen zum unterrichtlichen Einsatz von digitalen Lernspielen in der Schule nachvollziehen und abschätzen zu können.

Praktische Tipps zur Durchführung
Im Idealfall sollte für jeden Studierenden ein digitales Endgerät zur Verfügung stehen (alternativ zu zweit ein Gerät). Windowsbasierte Tablets oder Laptops haben sich für die Arbeiten bewährt. Die Lehrveranstaltung wurde von einer einzelnen Lehrperson begleitet, studentische Hilfskräfte
werden nicht benötigt. Der Raum sollte mit mobilen Tischen für flexibel gestaltete Gruppenarbeiten sowie mit üblicher Präsentationstechnik ausgestattet sein.
    Mit digitalen Medien experimentelle Kompetenzen fördern und komplexe Datenauswertungen schulen
    Lars-Jochen Thoms, Christoph Hoyer, Raimund Girwidz
    In einer neu konzipierten Wahlpflichtveranstaltung zu speziellen Fragestellungen
    zum Lernen und Lehren von Physik werden multicodierte und multimodale Repräsentationen
    komplexer Messdaten erstellt. Als neue, innovative Möglichkeit für den
    Physikunterricht werden haptovisuelle Repräsentationen mittels 3D-Druck erzeugt. Außerdem gestalten die Studierenden in diesem Seminar interaktive Lern- und Arbeitsmaterialien für Schülerinnen und Schüler. Dabei stehen die adressatengerechte Auswahl, Bereitstellung und Nutzung verschiedener Aufgabenformate und Visualisierungen im Vordergrund.

    Eckpunkte zum Lehrvorhaben
    • Entwickelt an der Ludwig-Maximilians-Universität München
    • Fach: Physik
    • Wahlpflichtseminar im Lehramt Physik, 1. bis 9. Semester
    • Teilnehmerzahl pro Durchgang: 8
    Benötigtes Vorwissen der Studierenden
    Eine Besonderheit dieses Lehrvorhabens war die Öffnung für Studierende aller Semester des Lehramtsstudiums Physik, insbesondere auch für Erstsemester. Entsprechend wurde die Veranstaltung konzipiert. Es wurden weder spezifisches Fachwissen oder pädagogische Kompetenzen noch besondere Medienkenntnisse vorausgesetzt. Alle Grundlagen wurden im Seminar erarbeitet. Dennoch haben sich erweiterte Vorkenntnisse insbesondere in Textverarbeitung
    (v. a. Absatzlayout) und Tabellenkalkulation (v. a. Formeln, Diagramme) als hilfreich erwiesen.


    Praktische Tipps zur Durchführung
    Als Semesteraufgabe sollte das Erstellen interaktiver Lern und Arbeitsmaterialien zum forschenden Lernen im Fernlabor dienen. Das in den einzelnen Modulen vermittelte Wissen kann so direkt zur Anwendung gebracht werden. Das Einrichten, Nutzen und Warten des 3D-Druckers muss gewissenhaft erfolgen. Modelle können zwar sehr schnell von Studierenden mit einem Computer erstellt werden, die Bedienung des Druckers sollte aber zunächst von einem Betreuer oder einer Betreuerin begleitet werden.

    Materialliste:
    • 3D-Drucker (z. B. Ultimaker 3 Extended) und Filamente
    • Notebooks (1 je Zweiergruppe, u. a. für die Erstellung von 3D-Modellen) mit Software: Ultimaker CURA, Arduino IDE, Fritzing und ggf. Simplify3D
    • Tablets (1 je Zweiergruppe, u. a. für Videoanalyse)
    • digitale Messwerterfassungssysteme und zugehörige Apps/Software (z. B. Leybold CASSY, PHYWE Cobra, PASCO-Sensoren, Vernier-Sensoren)
    • Apps für Videoanalyse (z. B. Viana.NET, Vernier Video Physics, VidAnalysis, Tracker)
    • Arduinos, Sensoren, Zubehör für Ein- und Ausgabe
    • kostenfreie Konten bei Graasp, WISE und Autodesk für Tinkercad
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      Studio Headphones
      SKU: 700.954.29
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      When we first checked out our new headphones, we noticed the box said 'improved bass by cool. We had to wonder, is this marketing jargon, or the real thing? But it only took a moment to realize that bass was not kidding.