N.E.R.D.S. – Bio&Physik (Q1/2)

Projektkurs Naturwissenschaften

Neben der Bedeutung der MINT-Fächer für das alltägliche Leben ist es gleichermaßen wichtig, moderne Forschungsmethoden, die Reflexion des naturwissenschaftlichen Erkenntnisweges und die mittlerweile besonders bedeutsame Interdisziplinarität der meisten aktuellen MINT-Themen in den schulischen Projekten herauszustellen. Zusätzlich erscheint es auf Grund der spezifischen Situation an unserer Schule geboten, vorhandene Projekte, wenn immer möglich, durch informationstechnologische Anteile zu erweitern, um unseren SchülerInnen auch im Fachgebiet der Informatik Kompetenzen zu vermitteln, obwohl das Fach Informatik erst seit dem Schuljahr 2018/19 angeboten werden kann. Als weiterer Aspekt kommt hinzu, dass durch das Konzept des Kurses die ganz konkrete Berufswahlorientierung in den MINT-Fächern aufgegriffen wird, weil die SchülerInnen auf Grund der komplexen Projektthemen und mit Hilfe des Kooperationspartners zdi.IST.Bochum an externe Institutionen herantreten können und müssen. Es ergänzt damit unsere allgemeine Berufswahlorientierung (Berufswahlsiegel seit 2007) um ein spezifisches MINT-Element.

Naturwissenschaftliche Experimentierrunde der Schiller-Schule – so wird seit diesem Jahr (2017) der naturwissenschaftliche Projektkurs unserer Schule betitelt. Das Konzept des Kurses lautet in Kurzform wie folgt: Die SchülerInnen können in frei gewählten Klein-Gruppen an selbstbestimmten Forschungsfragen arbeiten und müssen diese Arbeit adäquat dokumentieren. Diese Dokumentation erfolgt in Form einer wissenschaftlichen Facharbeit und einer Plakatpräsentation, wobei zusätzlich oder alternativ auch andere Dokumentationsformen denkbar sind, die dann den Umfang der zuerst genannten Dokumentationsformen reduzieren. Zunächst erfolgt im Kurs ein kurzer Workshop, der den SchülerInnen wichtige Prinzipien wissenschaftlichen Experimentierens (bzw. Arbeitens) nahe bringen soll, da alle Themen der großen Projekte experimentell ausgerichtet sein müssen. Hierbei wird an kleinen Projekten der Weg von der Fragestellung bis zur Auswertung der experimentellen Ergebnisse in kleiner Form durchgespielt, damit die SchülerInnen bei den großen Projekten auf die wichtigsten Schritte des naturwissenschaftlichen Erkenntnisweges vorbereitet werden: Schwerpunkte sind hierbei wissenschaftliche Redlichkeit, Reproduzierbarkeit, Fehleranalyse und -diskussion, Darstellen von Daten mit Hilfe von Tabellenkalkulationsprogrammen, Auswerten von Daten, Entwurf von Folgefragen, usw. Am Ende dieses Workshops sollen die SchülerInnen dann neben den wissenschaftspropädeutischen Anteilen auch einen ersten Schritt auf dem Weg zur Beantwortung ihrer Projektfrage gehen; dieses Vorprojekt soll nämlich einen ersten Teilaspekt der Projektfrage bearbeiten. Nachdem dieser kurze, Workshop erfolgt ist, arbeiten die SchülerInnen dann an ihren Projekten. Die Beratung durch die Lehrkräfte erfolgt im Kursunterricht und zusätzlich per E-Mail. Im zweiten Kurshalbjahr werden dann zusätzlich zur intensiven Kleingruppenarbeit an den Projekten die wissenschaftliche Dokumentation und die Plakatpräsentation auf dem Projekttag „Schillernde Projekte“ in den Blick genommen. Außerdem werden die SchülerInnen hinsichtlich verschiedener Wettbewerbsteilnahmen informiert. Da der Kurs interdisziplinäre Fragestellungen zwischen Physik, Biologie, Biochemie, Technik, Informationstechnik etc. untersucht, wird er gemeinsam von einem Biologie- und einem Physiklehrer gestaltet und zusätzlich von externen Betreuern (i.d.R. 2-3) begleitet.

Der Kurs erfreut sich bei uns an der Schule immer größerer Beliebtheit, sodass seit mehreren Jahren konsequent mindestens ein Kurs pro Kalenderjahr durchgeführt wird. Um einen Eindruck über die vielfältigen und teilweise spezifischen Fragestellungen zu bekommen, ist im Anschluss an die Erläuterungen des Projektes eine Tabelle mit den Themen der letzten Jahre aufgeführt.

Zu dem erläuterten Grundkonzept treten verschiedene Aspekte hinzu:

• Kooperation
  • Der Kurs wird seit 2015 in Kooperation mit dem zdi.IST Bochum durchgeführt. Zunächst stellte sich diese Kooperation vor allem so dar, dass eine zusätzliche Betreuerin und sächliche Mittel zur Verfügung gestellt wurden. In den letzten Durchgängen wurde diese Kooperation noch verstärkt: 
  • Es werden nun stärker die Kontakte des zdi.IST Bochum dazu genutzt, um externe Partner zu finden, die die Projektgruppen unterstützen (Tierpark Bochum, Lehrstuhl für Sportmedizin der RUB, Lehrstuhl für Geobotanik der RUB, …). Das ist in mehrfacher Hinsicht wichtig: Zunächst haben die SchülerInnen damit bessere und vielfältigere Möglichkeiten bei der Themen- und Methodenwahl. Des Weiteren können die SchülerInnen für die Berufswahl relevante Erfahrungen sammeln, da sie Einblicke in wissenschaftliche Institute oder andere Einrichtungen erhalten.
  • Innerhalb der Schiller-Schule haben sich mehrere MINT-Projekte etabliert, die untereinander kooperieren, indem einerseits gemeinsame Anschaffungen getätigt werden (vgl. Anschaffung eines digitalen Messdatenerfassungssystems) und gemeinsame Anteile der Arbeit ausgebaut werden (vgl. z. B. MINT-Tagung an den „Schillernden Projekten“, Entwicklung gemeinsamer Projekte als Angebote für den Regelunterricht, Übergabe von Ergebnissen aus Projekten an andere SchülerInnen anderer Angebote usw.). So entwickelte der Projektkurs 2015 ein gewässerökologisches Praktikum für das Schiller-MobiL, das seither mit allen Biologie-Kursen der Q1 durchgeführt wird.
  • Das von den Lehrern Herrn Dr. Schmidt und Herrn Sauerwald entwickelte Konzept des Kurses wurde auf einem Netzwerktreffen 2016 der MINT.Macher des zdi.IST Bochum präsentiert und wird nun an einer anderen Schule des Netzwerks eingeführt.
• Evaluation
  • Bisher wurden die Durchgänge der Projektkurse in Form von Schleifen offener Feedbackrunden evaluiert. Hierzu wurde Unterrichtszeit zum Austausch innerhalb der Schülergruppen gegeben, die dann durch Gruppensprecher anonymisiert an die Lehrenden weiter gegeben wurden. Durch die starke Offenheit des Unterrichts sind diese Evaluationen immer wieder notwendig, weil sich in den unterschiedlichen Gruppen sehr unterschiedliche Probleme ergeben. Die vorgeschlagenen Verbesserungen wurden dann nach Möglichkeit sofort im weiteren Kursverlauf oder im nächsten Durchgang umgesetzt. Beispiele hierfür wären u. a.: 
    • Umstrukturierung des Vorkurs-Workshops: Zunächst wurden kleine Projekte losgelöst vom Hauptprojekt bearbeitet. Nun sind die Vorkursprojekte angebunden an die Hauptprojekte, um damit die Dauer der Bearbeitung zu erhöhen.
    • Anzahl der Betreuenden: Der Unterricht wurde in den ersten Durchgängen durch zwei Lehrer der Schiller-Schule unterrichtet. Der Beratungsbedarf ist allerdings auf Grund der Freiheit bei der Themenwahl so hoch, dass durch die SchülerInnen weiterer Beratungsbedarf angemeldet wurde. Durch die Kooperation mit dem zdi.IST Bochum konnte zunächst dessen Leiterin Frau Dr. Meißner (seit 2015) und nun erstmalig auch ein weiterer Mitarbeiter (Herr Sebastian Klenner, Doktorand am Lehrtstuhl für Geobotanik an der Ruhr-Universität Bochum; Arbeitsschwerpunkt: Mikrobiologie) als zusätzliche BetreuerInnen gewonnen werden. Die Bezahlung erfolgt über das zdi.IST Bochum.

Mit dieser einerseits zahlenmäßigen Erhöhung ist andererseits auch die fachliche Expertise des BetreuerInnen-Teams deutlich verbreitert worden, was schon jetzt durch die SchülerInnen positiv rückgemeldet wurde. 

• Ziel des Kurses ist insbesondere die Vermittlung von Kompetenzen rund um den naturwissenschaftlichen Erkenntnisweg. Durch die wissenschaftliche Unterstützung des Kurses durch die Ruhr-Universität Bochum können wir in diesem Durchgang eine kleine Studie zur Evaluation im Bereich der naturwissenschaftlichen Kompetenzen durchführen. Hier werden die ProjektkursschülerInnen mit anderen NW-SchülerInnen bzw. SchülerInnen mit sprachlichem Schwerpunkt verglichen. Geleitet wird diese Studie von Herrn Klenner (Lehrstuhl für Geobotanik) und Frau Dr. Rest (AG Fachdidaktik der Biologie; beide wissenschaftliche MitarbeiterInnen der Fakultät für Biologie).

• Wettbewerbsteilnahmen
  • Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit im Kurs soll die Ausrichtung auf die Teilnahme an Wettbewerben sein. Um hier vorbereitende Schritte schon im Kursverlauf anzulegen, werden verschiedene Aspekte angestrebt:
  • Projektgruppen-Größe: Viele Wettbewerbe – insbesondere Jugend forscht – lassen nur Gruppen zu, die maximal drei Teilnehmer beinhalten. Die Gruppengröße wird deshalb auf drei SchülerInnen begrenzt.
  • Für eine erfolgreiche Teilnahme wird bei vielen Wettbewerben Wert darauf gelegt, dass methodisch differenziert und ausführlich gearbeitet wird, um Reliabilität, Validität und Objektivität anzustreben. Sowohl im Vorkurs als auch im weiteren Verlauf des Kurses versuchen die Lehrenden den SchülerInnen die praktische Bedeutung dieser abstrakten Begriffe nahezu bringen und verständlich zu machen.
• IT

In diesem Jahr wurde darüber hinaus ein weiterer neuer Schwerpunkt gesetzt. Ziel war die Stärkung informationstechnischer Kompetenz. Bislang beschränkte sich die Anwendung der Hard- und Softwareausrüstung der Schule darauf, in der Breite bekannte Officeprodukte und Tabellenkalkulationsprogramme zum Zwecke des jeweiligen Projektes zu nutzen. Klar war jedoch auch, dass Basiskompetenzen, wie eine von Grund auf erlernte Programmiersprache, Kenntnisse in Datenakquisition, Automatisierung oder Signalverarbeitung und ähnliche IT-Fähigkeiten, in vielen Projekten von großem Nutzen wären. Die SchülerInnen würden so nicht nur schneller zum Projektziel geführt, sondern könnten dies auch viel weiter stecken und quasi "nebenher" wichtige Kompetenzen für eine spätere wissenschaftliche Laufbahn erarbeiten.

Darum werden geeignete Projekte nun mit einem RaspberryPi als vielfältig einsetzbarem Minicomputer umgesetzt. Jede Gruppe, die einen solchen Computer benutzt, kann darauf eigenverantwortliche Dateihaltung trainieren und alle für das Projekt notwendigen Programme in der Programmiersprache Python selbst erstellen (Ab dem nächsten Jahr wird Python auch im Wahlpflichtkurs Physik-Informatik-Technik (8/9) parallel zu Java gelehrt, um eine gute Basis für zukünftige Projektkurse zu legen). Von einem RaspberryPi aus können die SchülerInnen viel einfacher und direkter auf die Sensorik und Aktorik ihrer Projekte zugreifen als von einem Laptop aus.

Übersicht über die letzten bzw. aktuellen Themen:

• Initialisierung eines Aquaponiksystems im Schulgarten
• Fernüberwachung der Funktionsfähigkeit des Wildschwein-Elektrozauns im Weitmarer Holz
• Konstruktion einer druckempfindlichen Schuheinlage
• Radialplotter - Konstruktion, Bau und Realisierung eines Raspberry-Pi-gesteuerten Prototyps
• Proteine im Körper - Proteine für den Körper! Testung von Versuchen zur Proteinauftrennung als Schülerversuche in der Sekundarstufe I
• Buttom-Up-Konstruktion einer flugfähigen Drohne und deren Realisierung im Schulkontext
• Trinkwassergewinnung durch Kondensation
• Die Erzeugung von Tönen mit künstlichen Lippen auf der Trompete
• Bau eines 3-Kanal-Elektroenzephalogramms
• Tierskizzen und künstliche neuronale Netze - Auswertung von Einstrichzeichnungen mittels eines künstlichen neuronalen Netzes
• MidiRNN: Melodie Generierung mit Recurrent Neural Networks