Scratch im Biologieunterricht

 In Unterrichtspraxis

Wie kann eine visuelle Programmiersprache wie Scratch im Biologieunterricht eingesetzt werden? Anhand konkreter Unterrichtsbeispiele wird skizziert, wie es gehen kann.

Zeitgemäßer Biologieunterricht steht vor der Herausforderung, die Fülle an biologischem Fachwissen stets auch in einen MINT-Kontext einzubetten. Diese Aussage befürwortet zwar auch ein Großteil meiner Kolleg*innen, im Biologieunterricht wird das aber in aller Regel zu wenig umgesetzt. Gründe hierfür sind zahlreich und nachvollziehbar: Es mangelt zum einen an technischen Voraussetzungen, Konzepten und Fortbildungsangeboten, zum anderen lässt auch der Bildungsplan zeitlich wenig Gestaltungsspielraum. Mit diesem Beitrag möchte ich Ihnen konkrete Umsetzungsmöglichkeiten zeigen. Die Schüler*innen lernen Scratch gezielt einzusetzen, um damit zu experimentieren beziehungsweise zuvor durchgeführte Experimente mathematisch zu modellieren und in einer Simulation abzubilden. Dieses Vorgehen möchte ich im Folgenden anhand von drei Experimenten vorstellen. Ausführliche Anleitungen können unter www.biologie-unterricht.com genauer nachvollzogen werden. Die Seite wurde von mir im Rahmen meiner Lehrtätigkeit am Seminar für Ausbildung und Fortbildung der Lehrkräfte Heidelberg eingerichtet, um MINT-Gedanken, Digitalisierung und Biologieunterricht stärker zu verzahnen.

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Screenshot der Fotosynthese-Simulation
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Vorstrukturierter Programmcode zur Ergänzung der mathematischen Modellierung für die Fotosynthese-Simulation

Arbeiten mit Scratch

Im Informatikunterricht Klasse 7 setzen die allermeisten Schulen in Baden-Württemberg zur Implementierung von Algorithmen die visuelle Programmierumgebung Scratch ein.

Sie wurde von einer Forschungsgruppe mit dem spaßigen Namen „Lifelong Kindergarten Group“ am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt. Die Programmierumgebung ist bildungsorientiert und kann unproblematisch in einer Offlinevariante entweder zentral über den Schulserver oder lokal auf dem Einzelrechner installiert werden und es existiert ein umfangreiches deutschsprachiges Wiki dazu. Für den Einsatz im Biologieunterricht wurden folgende didaktische Entscheidungen getroffen:

  • Die Simulation ersetzt nicht das Experiment, sondern überträgt deren Ergebnisse in eine mathematische Modellierung und baut diese in die Simulation ein.
  • Die Schüler*innen programmieren dabei die Simulation nicht von Grund auf, sondern bekommen Vorlagen zur Verfügung gestellt, in denen sie nur kleine Teile ergänzend implementieren.

Fotosynthese erforschen und modellieren

Das erste Umsetzungsbeispiel lautet „Die Fotosynthese erforschen und modellieren“ und passt zum Thema Stoffwechselvorgänge in Klasse 7. Zunächst bekommen die Schüler*innen Informationen und Anregungen, wie sie die Fotosynthese mit der Wasserpflanze Elodea selbstständig erforschen können. Ziel ist es, mit den bekannten Gasbläschen-Experimenten halbquantitative Aussagen formulieren zu lassen. Die Lehrkraft erweitert das Verständnis dafür, dass z. B. hinter der Aussage „Bis zu einer Temperatur von 35 Grad Celsius nimmt die Anzahl an Gasbläschen zu, ab einer Temperatur von 45 Grad nimmt die Anzahl an Gasbläschen schnell ab.“ durchaus ein Algorithmus steckt und damit auch in eine Simulation überführbar ist. Die Modellierung wird in eine schon funktionierende Scratch-Vorlage eingebaut. Da dies die erste Aufgabe dieser Art ist, erfordert auch dieser Schritt eine durch die Lehrkraft gelenkte Umsetzung. Eine mögliche Lösung der Scratch-Programmierung können Sie im Lehrerbereich der Seite herunterladen. Das Passwort dazu können Sie gerne bei mir anfordern.

Lungenvolumen erforschen und modellieren

Das zweite Umsetzungsbeispiel heißt „Das Lungenvolumen erforschen und modellieren“ und ist somit an das Thema Atmung in der Mittelstufe angedockt. Als Einstieg dient ein Film, der die Fragestellung und mögliche Versuchsansätze skizziert und dabei mögliche Probleme aufzeigt, die durch ein planvolles Experimentieren gelöst werden sollen. Die so auf Reliabilität hin optimierten Versuchsanordnungen liefern Messergebnisse, die dann mathematisch modelliert werden: Gesucht wird nach der eigenen Luftballon-Volumen-Formel. Sie soll es ermöglichen, nur aus einer zu messenden Gesamtlänge des Luftballons auf das Volumen rückzuschließen. Dazu sind auf der Seite noch Hilfen eingebaut, die systematisch zu einer Lösung hinführen. Diese mathematische Modellierung wird dann in einem dritten Schritt in eine Simulation eingebaut. Zunächst lernen die Schüler*innen dazu die Simulation spielerisch kennen, dann laden sie sich die schon funktionstüchtige Programmierung herunter und öffnen diese in der Programmierumgebung. Sie müssen die Simulation nicht von Grund auf selbst programmieren, sondern fügen an der passenden Stelle ihre Luftballon-Formel mit den passenden Programmierblöcken ein. Dazu müssen sie lediglich das Grundkonzept der visuellen Programmierung und den Begriff der Variable verstanden haben.

Sinne und Nerven

Das dritte Beispiel gehört zum Thema „Sinne und Nerven“ in der Mittelstufe. Hier wird mit einem Reaktionstestsimulator forschend gearbeitet. Die Schüler*innen bekommen wieder eine fast funktionstüchtige Version einer Scratch-Programmierung, allerdings ist die gemessene Reaktionszeit nicht kalibriert. Diese hängt von der Prozessorgeschwindigkeit des verwendeten Computers ab und muss daher individuell eingestellt werden. Die Kalibrierung besteht aus einer Testung mit einer etwa 20 Sekunden dauernden Testzeit. Zwischen dieser Zeit und der angezeigten Zeit wird ein Fehlerquotient errechnet und dieser bildet die Grundlage zur Kalibrierung des Programms an der passenden Stelle. Anschließend werden Fragestellungen zur Abhängigkeit der Reaktionszeit experimentell erarbeitet.

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Vorstrukturierter Programmcode zur Ergänzung der eigenen Luftballon-Volumen-Formel

Fazit

Die Schüler*innen wenden ihre erste visuelle Programmiersprache damit in einem erweiterten MINT-Kontext an. Sie lösen naturwissenschaftliche Fragestellungen unter Einsatz von Scratch als Messwerkzeug (Reaktionstester) und auch zur Visualisierung einer aus Messwerten ermittelten mathematischen Modellierung. Damit werden zentrale Kompetenzen des MINT-Unterrichts gefördert. Neben einer festen Einbettung von Scratch in den Biologieunterricht einer ganzen Klasse eignet sich die Website „Biologie-Unterricht“ auch, um einzelnen interessierten Schüler*innen Material an die Hand zu geben, mit dem sie sich grundlegend in die Programmiersprache einarbeiten können. Die Lehrkraft kann daraufhin Ideen beisteuern, wie Scratch sinnvoll in den Biologieunterricht eingebettet werden könnte, und die Ergebnisse der Schüler*innen als Zusatzleistung bewerten. Natürlich möchte ich Sie mit diesem Artikel auch dazu motivieren, sich selbst in Scratch einzuarbeiten. Denn passende Ideen bekommt man am besten, wenn man die Möglichkeiten der Programmiersprache kennt.