Im Rahmen dieser Unterrichtseinheit erlernen die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit der Augmented-Reality (AR)-Applikation "PUMA : Spannungslabor" und nutzen diese für die Arbeit in Kleingruppen. In zwei Experimenten werden die Applikation beziehungsweise die in der Applikation dargestellten didaktischen Modelle der Elektrizität genutzt, um anhand der Modelle zu argumentieren und Hypothesen für den Experimentierprozess zu generieren. Die Unterrichtseinheit ist in drei Unterrichtsstunden gegliedert. Im Verlauf der ersten Unterrichtsstunde wird die AR-Applikation "PUMA : Spannungslabor" von der Lehrkraft im Rahmen eines Demonstrationsexperiments genutzt, um die Darstellung der didaktischen Modelle "Elektronengasmodell", "Rutschenmodell" und "Stäbchenmodell" mit den Schülerinnen und Schülern zu erarbeiten. Die Lehrkraft erklärt und demonstriert den richtigen Umgang mit der Applikation. Im Rahmen der folgenden zwei Unterrichtsstunden erarbeiten die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen in Experimenten die Gesetzmäßigkeiten zur Stromstärke und Spannung bei Parallel- bzw. Reihenschaltungen. In den Experimentierphasen "Hypothesen formulieren" und "Ergebnisse mit der Ausgangshypothese vergleichen" nutzen die Schülerinnen und Schüler dabei die Applikation "PUMA : Spannungslabor" zur Unterstützung der Argumentation mit didaktischen Modellen. Kurzbeschreibung der Applikation "PUMA : Spannungslabor" Die Applikation überblendet einen Stromkreis mit Darstellungen der Leitungselektronen (in Form kleiner weißer Kugeln) und Visualisierungen des elektrischen Potentials. Die Darstellung des elektrischen Potentials kann gemäß des Elektronengasmodells (in Form einer Färbung der Leiterbahnen entsprechend des elektrischen Potentials), gemäß des Stäbchenmodells (in Form einer Anhebung der Leiterbahnendarstellung entsprechend des elektrischen Potentials) oder gemäß des Rutschenmodells (durch zur Anhebung der Leiterbahnen zusätzlichen Einblendung der sich bewegenden Leitungselektronen) erfolgen. Für den Einsatz der Applikation wird ein Experimentierset ELEKTRIK 1 der Firma MEKRUPHY benötigt. Neben den bereits beschriebenen Darstellungen können außerdem Messdaten der elektrischen Grundgrößen (Spannung, Stromstärke, elektrischer Widerstand) an den Bauteilen eingeblendet werden und für eine qualitative Interpretation des elektrischen Widerstands kann eine Visualisierung der Darstellung der Interaktion von Leitungselektronen und Materie auf Teilcheneben gemäß des Drude-Modells des elektrischen Widerstands eingeblendet werden. Für die beschriebene Unterrichtseinheit werden die Darstellungen der Leitungselektronen und der Modelle der elektrischen Potentiale benötigt. In der Applikation ist ein Tutorial mit Videos implementiert, welches Lehrkräfte in ihrer ersten Nutzung anleiten kann. Weitere Informationen und eine Möglichkeit zum Download der Applikation finden Sie über den Link am Ende dieser Seite. Relevanz des Themas Die jüngere fachdidaktische Forschung zur Elektrizitätslehre der Sekundarstufe I hat festgestellt, dass viele Schülerinnen und Schüler den Unterricht mit teils stark prävalenten fehlerhaften Vorstellungen zum Stromkreis verlassen (etwa die Stromverbrauchsvorstellung, unzureichende Trennung der Konzepte von Spannung und Stromstärke oder fehlendes Systemdenken beim Betrachten eines Stromkreises). Durch die explizite Aufforderung der Nutzung didaktischer Modelle zur Generierung von Hypothesen und Plausibilisierung von Ergebnissen soll eine stärkere Verknüpfung von Fachinhalt und didaktischem Analogie-Modell erreicht werden, was die Vernetzung der Fachinhalte im Gedächtnis unterstützt und zu gefestigteren Wissensstrukturen führen soll. Die Darstellung der Analogie-Modelle der Elektrizität durch Augmented Reality reduziert zusätzlich die mentale Hürde, sich der Modelle bei der Argumentation und Diskussion physikalischer Sachverhalte zu bedienen. Notwendige und förderliche Voraussetzungen Für einen Einsatz der beschriebenen Unterrichtseinheit ist das Vorhandensein eines Klassensatzes des Experimentierkastens ELEKTRIK 1 erforderlich. Die Lehrkraft muss die Kästen im Vorfeld entsprechend der Anleitung in der Applikation "PUMA : Spannungslabor" präparieren. Die Lehrkraft sollte vor Durchführung der ersten Unterrichtsstunde dieser Einheit die Applikation selbst sorgfältig durchgearbeitet haben. Dafür kann die in der Applikation verfügbare Tutorial-Ressource und das Informationsblatt zur Applikation genutzt werden. Für die Schülerinnen und Schüler ist es ideal, wenn die in der Applikation darstellbaren Analogie-Modelle der Elektrizität (Elektronengasmodell, Rutschenmodell, Stäbchenmodell) bereits bekannt sind und im Unterricht eingeführt wurden. Die Applikation kann aber auch ohne vorherige Nutzung der genannten Modelle im Unterricht für die Erarbeitung der Gesetzmäßigkeiten bei Parallel- und Reihenschaltung auf die beschriebene Art und Weise genutzt werden. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten in der Lage sein, die Lernenden im Selbstgesteuerten Lernen unter Verwendung digitaler Technologien unterstützen (3.4 Selbstgesteuertes Lernen). Die Lehrenden sollten gewährleisten, dass die Lernenden für die Präsentation ihrer Ergebnisse die digitalen Medien nutzen, um ihre Argumentationen zu ihren wissenschaftlichen Untersuchungen zu unterstützen (5.3 Aktive Einbindung der Lernenden). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verwenden Analogien und Modellvorstellungen zur Wissensgenerierung. stellen an einfachen Beispielen Hypothesen auf. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler setzen digitale Werkzeuge bedarfsgerecht zur Wissensgenerierung ein. können digitale Umgebungen und Werkzeuge für den Gebrauch anpassen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus. diskutieren Arbeitsergebnisse und Sachverhalte unter physikalischen Gesichtspunkten. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge zur Unterstützung ihrer Kommunikation und Argumentation. stärken ihre Technologiekompetenz im Umgang mit neuer Software durch zielgenaue Nutzung digitaler Werkzeuge. erkennen den Nutzen von digitalen Medien bei der Visualisierung von abstrakten mentalen Modellen.

Schülerinnen und Schüler nutzen Aufnahmen und Spektren, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnen wurden, um die Masse eines Schwarzen Lochs in der Galaxie M87 zu berechnen. Mithilfe des Doppler-Effekts können Schülerinnen und Schüler die Geschwindigkeit ermitteln, mit der sich Gas in einer bestimmten Entfernung um das Zentrum der Galaxie M87 bewegt. Aus diesen Daten können sie dann auf die Masse schließen. Die mit einfachen Mitteln zu erzielenden Resultate sind durchaus mit den in der Literatur publizierten Werten vergleichbar. Das vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommene Bild (links) zeigt den aktiven Kern der Galaxie, aus dem ein gebündelter Jet aus Elektronen und subatomaren Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit herausschießt. Das hier vorgestellte Projekt ist eine von mehreren Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, die von der Arbeitsgruppe Fachdidaktik der Physik und Astronomie an der Physikalisch-Astronomischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelt wurden (weitere Projekte: Die Entfernung der Supernova SN 1987A und Die Entfernung der Galaxie M100 ). Von den mathematisch anspruchsvollen Übungen stellt das hier vorgestellte Projekt die höchsten Anforderungen an die Schülerinnen und Schüler. Die Suche nach Schwarzen Löchern Neben der Geschwindigkeit von Sternen oder Gas im Kern der Galaxien müssen bei der Suche nach möglichen Schwarzen Löchern noch weitere Kriterien herangezogen werden. Die Schülerinnen und Schüler erklären den Verlauf der Rotationskurven von Galaxien mit und ohne Schwarzem Loch im Kern der Galaxie. bestimmen mithilfe des Doppler-Effekts die Geschwindigkeit, mit der das Gas in Abhängigkeit von der Entfernung zum Zentrum der Galaxie M87 rotiert und schließen daraus auf die Masse. beziehen die Geometrie der um das Zentrum der Galaxie rotierenden Gasscheibe (Projektion des kreisförmigen Rings als Ellipse an die Himmelssphäre) in ihre Berechnungen mit ein und schulen dadurch ihr räumliches Vorstellungsvermögen. erkennen, dass die Auflösung des Hubble-Weltraumteleskops nicht ausreicht, in der Nähe des Schwarzschildradius relativistische Geschwindigkeiten nachzuweisen zu können. lernen für das Vorhandensein eines Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie neben den charakteristischen Eigenschaften der Rotationskurve noch weitere Indizien kennen. In letzter Zeit mehren sich die Anzeichen dafür, dass Schwarze Löcher nicht nur theoretisch möglich sind, sondern tief im Innern vieler Galaxien auch wirklich existieren. Sie könnten durch dynamische Vorgänge in den Galaxienzentren, wie etwa der Akkretion von Materie aus einer Gasscheibe, entstanden sein und so die am wenigsten exotische Erklärung für die Aktivitäten von Galaxienkernen, wie zum Beispiel intensive Röntgen- und Radiostrahlung und die Aussendung von Materie-Jets, darstellen. So deuten seit Langem gleich mehrere Indizien darauf hin, dass auch die riesige elliptische Galaxie M87 (Abb. 1), die zum Virgo-Galaxienhaufen gehört, ein massereiches Schwarzes Loch beherbergt. Dem hohen Auflösungsvermögen des Hubble-Weltraumteleskops verdanken wir die Entdeckung einer rotierenden Scheibe aus ionisiertem Gas im Zentrum dieser Galaxie. Keplersch oder nicht? Die empirische Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit v vom Abstand R ist bei normalen Galaxien nicht keplersch. Die inneren Partien von Spiral- und elliptischen Galaxien rotieren nämlich wie starre Körper, das heißt, die Bahngeschwindigkeit wächst linear mit dem Abstand. Dies lässt auf eine konstante Massendichte schließen. Weiter außen bleiben dann die Bahngeschwindigkeiten über große Abstände nahezu konstant, das heißt, dort wächst die Masse linear mit dem Abstand. Enthielte das Zentrum einer Galaxie nun ein Schwarzes Loch mit der Masse von einer Milliarde Sonnen, zeigt die Rotationskurve bei enger Annäherung an dieses Zentrum einen keplerschen Verlauf, so wie die des Sonnensystems. Geschwindigkeit von Sternen oder Gas im Kern der Galaxien Damit liegt eine Strategie für die Suche nach Schwarzen Löchern in Galaxienzentren auf der Hand: Wir müssen in möglichst kleinen Abständen vom Zentrum einer Galaxie die Geschwindigkeit von Sternen oder Gas messen. Ist die Rotationskurve dann keplersch, gibt dies einen deutlichen Hinweis darauf, dass im Galaxienzentrum ein sehr massereiches, kompaktes Objekt verborgen ist. Ein beeindruckendes Beispiel dafür ist die mit dem Langspalt-Spektrographen des Hubble-Weltraumteleskops aufgenommene Rotationskurve für das Zentrum der Galaxie M84. Abb. 2 zeigt die Zentralregion der Galaxie M84 in einer Aufnahme der Weitwinkelkamera des Weltraumteleskops (links). Der rechte Bildteil zeigt die Verteilung der Geschwindigkeiten von Sternen und Gas über die von dem Rechteck im linken Bild markierten Abstände vom Zentrum. Diese Radialgeschwindigkeitskurve zeigt die auf den Beobachter zu (blau) und von ihm weg (rot) gerichteten, messbaren Komponenten der Bahngeschwindigkeit. Ihre Auswertung führt auf 300 Millionen Sonnenmassen in einer Kugel mit 26 Lichtjahren Radius! Das begrenzte Auflösungsvermögen des Hubble-Weltraumteleskops verhindert bei Weitem die für den endgültigen Nachweis eines Schwarzen Lochs nötige Annäherung an dessen Schwarzschild-Radius, wobei sich relativistische Bahngeschwindigkeiten ergeben müssten. Aber auch dann, wenn die empirische Feststellung des keplerschen Verlaufs der Rotationskurve bei Annäherung an das Zentrum bei einem bestimmten kleinsten Abstand R abbricht, können wir aus einem ( R, v )-Messpunkt auf die von der Kugel mit dem Radius R eingeschlossene Masse schließen. Anschließend müssen jedoch andere Argumente zugunsten eines Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 als die (für noch kleinere Abstände empirisch nicht mehr vorhandene) Rotationskurve herangezogen werden, um Alternativen auszuschließen: Viel Masse auf engem Raum Ein Schwarzes Loch wird umso wahrscheinlicher, je mehr Masse in einem bestimmten Volumen enthalten ist und je mehr diese die Masse der darin leuchtenden Materie übersteigt. Mathematische Modelle Dynamische Rechnungen zeigen, dass nicht leuchtende Himmelskörper, wie zum Beispiel Braune Zwerge, Neutronensterne und stellare Schwarze Löcher, in der erforderlichen Anzahl rasch zu einem einzigen Schwarzen Loch kollabieren würden. Materie-Jet Nahezu senkrecht auf der Gasscheibe im Zentrum von M87 steht ein sogenannter Materie-Jet (Abb. 3), der radioastronomischen Beobachtungen zufolge aus einem Gebiet von höchstens sechs Lichtjahren Durchmesser austritt. Zur Erklärung dieses Phänomens wird seit Langem ein Schwarzes Loch diskutiert. Die in diesem Projekt durchgeführte Auswertung der M87-Daten drängen zu folgender Schlussfolgerung: Wenn wir die in einem relativ kleinen Volumen konzentrierte Masse nicht als die eines Schwarzen Lochs deuteten, wüssten wir nach dem heutigen Stand der Wissenschaft gar keine Erklärung dafür abzugeben. Um uns dieser Deutung noch mehr zu vergewissern, müsste die Bewegung von Sternen und Gas in noch größerer Nähe zum Zentrum der Galaxie analysiert werden. Zumindest für das Milchstraßensystem ist dies in jüngster Zeit geschehen (siehe Links und Literatur ). Eckart, A., Genzel, R. Erster schlüssiger Beweis für ein massives Schwarzes Loch?, Physikalische Blätter 54 (1998) (l) 25-30 Eckart, A., Genzel, R. Der innerste Kern des galaktischen Zentrums, Sterne und Weltraum 37 (1998) (3) 224-230 Ford, H.C., Tsvetanov, Z.I. Massive Black Holes in the Hearts of Galaxies, Sky & Telescope (1996) (6) 28-33 Ford, H.C., Harms, R.J., Tsvetanov, Z.I. et al Narrow Band HST Images of M87: Evidence for a Disk of Ionized Gas Around a Black Hole, Astrophysical Journal Letters 435 (1994) L27-30 Harms, R.J., Ford, H.C., Tsvetanov, Z.I. et al HAST FOS Spectroscopy of M87: Evidence for a Disk of Ionized Gas Around a Massive Black Hole, Astrophysical Journal Letters 435 (1994) L35-38 Lotze, K.-H. Schwarze Löcher - vom Mythos zum Unterrichtsgegenstand, Praxis der Naturwissenschaften/Physik 49 (2000) (5) 21-27 Lotze, K.-H. Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, Projekt Nr. 1: Die Entfernung der Supernova SN1987A, Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht (MNU) 51 (1998) (4) 218-222 Lotze, K.-H. Praktische Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, Projekt Nr. 2: Die Entfernung der Galaxie M100, Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht (MNU) 52 (1999) (2) 85-91 Rubin, V.C. Dark Matter in Spiral Galaxies, Scientific American 248 (1983) (6) 96-106

Im gesellschaftlichen Diskurs wird häufig von der (Natur-)Wissenschaft gesprochen, die oft als allgemeingültige Argumentationsgrundlage herangezogen wird. In der Unterrichtseinheit sollen Schülerinnen und Schüler dieses Verständnis kritisch hinterfragen. Als Beitrag zu einer umfassenden naturwissenschaftlichen Bildung erarbeiten sie die Rahmenbedingungen von naturwissenschaftlichem Forschen und Handeln, diskutieren bestehende Kontroversen und Grenzen und gelangen so zu einem vertieften Verständnis über das Wesen bzw. die Eigenschaften der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung. In dieser Unterrichtseinheit setzen sich die Lernenden mit den (Natur-)Wissenschaften auseinander und werden befähigt, naturwissenschaftliche Erkenntnisse kritisch zu reflektieren und kompetent einzuordnen. Eine Schülerin stellt ihre Erfahrung mit der Unterrichtseinheit im Community Call des Forums Bildung (2023) vor: https://www.youtube.com/watch?v=DV387Otll_M&t=22s . Die Unterrichtseinheit ist nach den Prinzipien des Unterrichtskonzept des Deeper Learning nach Anne Sliwka und Britta Klopsch konzipiert und folgt dem Drei-Phasen-Modell des Deeper Learning. Vertiefende Informationen dazu bietet das Workbook für Lehrkräfte: "Deeper Learning gestalten" (Beigel, Klopsch & Slwika, 2023) der Deutsche Telekom Stiftung, das am Ende der Einheit verlinkt und kostenfrei verfügbar ist. Ziel der Unterrichtseinheit ist es, dass die Schülerinnen und Schüler Fachwissen im Bereich Naturwissenschaften erwerben und dieses durch die ko-kreative und ko-konstruktive Bearbeitung einer authentischen Lernleistung anwenden. Der Fokus liegt dabei auf dem Erwerb vielfältiger Kompetenzen, die in verschiedenen Konzepten beschrieben sind. Zum einen in den sogenannten 4Ks, die vier zentralen Kompetenzen des Lernens im 21. Jahrhundert: kritisches Denken, Kreativität, Kommunikation und Kollaboration. Zum anderen in den 21st Century Skills, die über das reine Fachwissen hinausgehen und Fähigkeiten wie Problemlösefähigkeit oder Eigenverantwortung umfassen. Weitere Kompetenzen sind die Entwicklung von Mastery – das tiefergehende Verständnis von einem bestimmten Fachgebiet –, von Kreativität sowie der Stärkung der Identität in Co-Agency, das gemeinsame Gestalten von Lernprozessen. Was zeichnet Prozesse der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung aus? Wie arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler? Welche naturwissenschaftlichen Forschungsmethoden gibt es? Diese Fragen stehen im Mittelpunk von Phase I, der Instruktions- und Aneignungsphase der Einheit. Schülerinnen und Schüler erhalten verschiedene Lernmaterialien, die in einer vorbereiteten Lernumgebung, teilweise auch digital, zur Verfügung stehen. Ziel ist es, mit Hilfe der Materialien die Eigenschaften von Naturwissenschaften zu verstehen und fachwissenschaftlich korrekt wiederzugeben. Dabei dienen die sieben von Lederman et al. (2002, 2006, 2014) identifizieren Merkmale von Naturwissenschaften als angestrebtes gemeinsames Wissensfundament für die Schülerinnen und Schüler, da sie alltagsrelevante und lebensnahe Eigenschaften darstellen. Die Lernenden wenden diese gelernten Merkmale daraufhin in einem fachlichen Kontext an und zeigen so, dass sie verstanden haben, wodurch wissenschaftliche Ergebnisse geprägt sind. In Phase II, der Phase "Ko-Konstruktion und Ko-Kreation" , wenden die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen aus Phase I praktisch an, indem sie die Merkmale naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnungsprozesse am konkreten Beispiel einer Wissenschaftlerin bzw. eines Wissenschaftlers oder alternativ anhand einer historischen oder aktuellen naturwissenschaftlichen Fragestellung erarbeiten. Die entstehenden Erkenntnisse werden für eine anschließende Präsentation aufbereitet, wobei den Schülerinnen und Schülern die Wahl des zu erstellenden Lernprodukts freisteht. In Phase III, der Phase "Authentische Leistung" , präsentieren die Schülerinnen und Schüler anschließend ihre authentische Lernleistung und teilen ihren Erkenntnisgewinn mit der Lerngruppe und ggf. der Schulöffentlichkeit. Relevanz des Themas In aktuellen gesamtgesellschaftlichen Diskussionen und Entwicklungen wird den Naturwissenschaften eine gemeinhin hohe Bedeutung zugemessen. Unsere heutige Welt basiert in vielen Bereichen auf naturwissenschaftlichen Erkenntnissen – technologische, medizinische und ökologische Fortschritte sind untrennbar mit ihnen verbunden. Gleichzeitig wird bestimmten naturwissenschaftlichen Erkenntnissen, etwa dem menschengemachten Klimawandel, aber auch immer wieder von einzelnen Personengruppen die Legitimität abgesprochen. Ziel einer umfassenden naturwissenschaftlichen Bildung sollte es daher sein, Schülerinnen und Schüler dazu zu befähigen, die Grundlagen und Rahmenbedingungen naturwissenschaftlicher Forschung zu verstehen, bestehende Kontroversen und Grenzen zu kennen und diese differenziert bewerten zu können. So entwickeln sie die Fähigkeit, naturwissenschaftliche Erkenntnisse kritisch einzuordnen, argumentativ zu verteidigen und fundiert in gesellschaftliche Diskurse und Aushandlungsprozesse einzubringen und werden letztlich in die Lage versetzt, ihre Zukunft reflektiert und verantwortungsvoll mitzugestalten. Vorkenntnisse Es ist davon auszugehen, dass Schülerinnen und Schüler zum Ende der Sekundarstufe I bereits grundlegend mit dem Prozess der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung vertraut sind. Je nach Bedarf stellt Material III dahingehend eine Wiederholung oder Einführung dar. Die Unterrichtseinheit ist so konzipiert, dass sich die Lernenden die notwendigen fachlichen Kenntnisse zur "Nature of Science" in der Aneignungs- und Instruktionsphase aneignen. Schülerinnen und Schüler, die in diesem Bereich bereits über Vorwissen verfügen, können die Phase schneller abschließen bzw. sich intensiver mit den weiterführenden Informationen in Material II auseinandersetzen. Didaktisch-methodische Kommentar Die Lerneinheit wurde für den Einsatz in der Grundlagenakademie der Einführungsphase entwickelt. Sie stellt eine Ergänzung zum fachgebundenen (Mathematik-, Deutsch- oder Englisch-) Vertiefungskurs nach der Ausbildungs- und Prüfungsordnung für die gymnasiale Oberstufe NRW dar, fördert gezielt fachliche und überfachliche Kompetenzen und führt die Schülerinnen und Schüler an das Konzept des Deeper Learning heran. Thematisch ist die Einheit in den naturwissenschaftlichen Fächern Biologie, Chemie und Physik verankert, wobei die Wahl der Vertiefungsthemen den Interessen und Neigungen der Schülerinnen und Schülern überlassen bleibt. Ziel ist die explizite Vermittlung von "Nature of Science" bzw. der Eigenschaften von Naturwissenschaften. Gebhard, Höttecke und Rehm (2017) stellen in ihrer "Pädagogik der Naturwissenschaften" heraus, dass die fachdidaktische Forschungslage zur Wirksamkeit der Vermittlung eindeutig ist. Dabei beziehen sie sich auch auf Khisfhe und Abd-El-Khalick (2002), die herausgearbeitet haben, dass Schülerinnen und Schülern von vielfältigen Reflexionsanlässe profitieren. Die naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung bzw. die Natur der Naturwissenschaften, soll von einer Meta-Ebene aus nachvollzogen werden. Am Beispiel der weiterentwickelten Bildungsstandards in den Naturwissenschaften für das Fach Chemie (MSA) (KMK, 2024) lässt sich exemplarisch die Passung von "Nature of Science" auf die curricularen Vorgaben verdeutlichen: "Bildung in der Chemie ermöglicht Einblicke in die Arbeitsweisen der chemischen Industrie und Forschung, fördert das Wissenschaftsverständnis im Sinne von Nature of Science, trägt zur lebenslangen individuellen Kompetenzentwicklung bei und ist somit ein wichtiger Teil der Allgemeinbildung (KMK, 2024, S.6)." "Die Erkenntnisgewinnungskompetenz der Lernenden zeigt sich in der Kenntnis grundlegender naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen verbunden mit der Fähigkeit, diese zu beschreiben, zu erklären, für Erkenntnisprozesse systematisch zu nutzen und deren Möglichkeiten und Grenzen zu reflektieren (KMK, 2024, S.7)." Dittmer und Zabel (2019) betonen, dass naturwissenschaftliche Bildung die Rahmenbedingungen, Kontroversen und Grenzen von Wissenschaft in den Blick nehmen sollte. Der Bildungswert der Wissenschaft wird dabei unter dem Begriff "Nature of Science" diskutiert. "Nature of Sciene" steht für den didaktischen Anspruch, wissenschaftstheoretische und -historische Aspekte in den Naturwissenschaftsunterricht zu integrieren und die Vermittlung naturwissenschaftlicher Mythen durch eine rein lehrbuchorientierte geprägte Unterrichtspraxis zu verhindern (Dittmer & Zabel, 2019). Zentrale Fragen dabei lauten: Welche Fragen können Naturwissenschaftlerinnen und Naturwissenschaftler beantworten – und welche prinzipiell nicht? Welches Welt- und Menschenbild transportieren naturwissenschaftliche Theorien und Forschungsvorhaben? Worauf gründet sich naturwissenschaftliches Wissen, und wie haltbar und weitreichend ist es? Wie verhalten sich Naturwissenschaft und Religion zueinander? Worin unterscheidet sich die naturwissenschaftliche Sichtweise auf die Welt beispielsweise von einer künstlerischen Perspektive? (ebd.). In Phase I der Unterrichtseinheit steht das Sammeln bedeutungsvoller Lernerfahrungen im Mittelpunkt. Die Schülerinnen und Schüler erwerben ein solides Wissensfundament, das sie in Phase II gezielt vertiefen und weiterentwickeln. Die Vermittlung erfolgt über Impulse durch die Lehrkraft (z. B. Kurzvorträge) sowie durch die gemeinsame Diskussion im Plenum. Ergänzend arbeiten die Lernenden in Einzel- und Gruppenarbeitssettings an der Erschließung der "Lederman seven", wobei der Fokus auf eigenständiger Recherche liegt. Zur Unterstützung dient Material II, das als vorstrukturierte Lernhilfe konzipiert ist und Binnendifferenzierung ermöglicht. Es bündelt Informationen zum Thema "Nature of Science" für unterschiedlichen Niveaustufen - von populärwissenschaftlichen Texten über fachdidaktische Beiträge bis hin zu englischsprachigen Quellen. Darüber hinaus stehen audio-visuelle Angebote zur Verfügung, um unterschiedliche Lernzugänge zu ermöglichen und eine adressatengerechte Differenzierung zu fördern. Die zur Sicherung der Lerninhalte eingesetzte Mystery-Methode basiert auf einem problemorientierten Ansatz, bei dem die Schülerinnen und Schüler ein zunächst rätselhaftes Phänomen oder eine spannende Leitfrage bearbeiten. Im Sinne eines problemorientierten Unterrichtsansatzes gilt es, Informationen zu sammeln, zu analysieren und auf der Grundlage des in Phase I erworbenen Wissen miteinander zu verknüpfen, um das eingangs gestellte Problem bzw. die Frage zu beantworten. Das Ergebnis der Auseinandersetzung ist eine Concept-Map, die die individuellen Denkwege, Hypothesen, Ideen und Vorstellungen der Schülerinnen und Schülern sichtbar macht. Durch die kooperative Erstellung der Concept-Map werden, neben fachlichen Kompetenzen, insbesondere auch Kommunikationsfähigkeiten, Argumentationsfähigkeit und soziale Kompetenzen gezielt gefördert. In Phase II erfolgt die Erstellung der Lernprodukte. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten kollaborativ, kreativ und während der Recherchephase auch digital. Dabei wählen sie eigenverantwortlich ihre Lerngruppe, ihren Lernweg sowie die Form des Lernprodukts nach dem Prinzip "voice & choice" und gestalten ihren Lernweg aktiv mit. Durch den selbstgesteuerten Lernweg stärken sie sowohl ihre Recherchekompetenz als auch ihr methodisches Know-how. Ein zentrales Element dieser Phase ist die kritische Auseinandersetzung mit den gesammelten Informationen, die von den Lernenden analysiert und reflektiert werden. Die Lehrkraft begleitet diesen Prozess durch formatives Feedback zu dem Arbeitsprozess sowie zu den entstehenden Lernprodukten. Zur Strukturierung der Teamarbeit stellt Material IV eine koordinierende Aufgabenübersicht in Tabellenform zur Verfügung, die als niedrigschwellige Planungs- und Organisationshilfe in Phase II dient. Ergänzend wird die Kanban-Methode (Material V) eingeführt, die die Schülerinnen und Schüler in das agile Arbeiten einführt, agile Arbeitsprozesse und die Aufgabenverteilung im Team visualisiert und als Feedbackgrundlage dient. Für Lernende, die Unterstützung bei der Themenwahl benötigen, ist eine Liste mit Themenvorschlägen beigefügt, die passende Vorschläge zur Vermittlung der "Nature of Science" enthält und fachdidaktisch erprobt ist. Die Präsentation der authentischen Lernprodukte vor der Schulgemeinschaft und ggf. einer schulexternen Öffentlichkeit in Phase III fördert sowohl die Kommunikationskompetenz als auch das Selbstwirksamkeitserleben der Schülerinnen und Schüler. Sie erleben, dass sie komplexe naturwissenschaftliche Inhalte adressatengerecht vermitteln können und sie aktiv zu gesellschaftlich relevanten Diskussionen über die Eigenschaften von Naturwissenschaften beitragen können. In die Bewertung der Lernleistung durch die Lehrkraft werden dabei mehrere Komponenten einbezogen: Berücksichtigt werden vor allem die individuellen Lernprozesse, die Qualität der Lernprodukte, die Teamarbeit sowie die Präsentationsleistung vor der Schulgemeinschaft. Den Abschluss der Einheit bildet die Retrospektive im jeweiligen Team, in deren Rahmen die Schülerinnen und Schüler reflektieren, welche neuen fachlichen, methodischen und sozialen Kompetenzen sie in der Deeper Learning-Einheit entwickelt haben. Diese Reflexionsphase dient nicht nur der individuellen Auseinandersetzung der Lernenden mit dem eigenen Lernprozess, sondern liefert auch der Lehrkraft wertvolle Impulse zur Weiterentwicklung der Unterrichtseinheit. Fachbezogene Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler erläutern das Konzept der „Nature of Science“, kennen die Möglichkeiten und Grenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung und können die zentralen Kriterien, Bedingungen und Eigenschaften wissenschaftlicher Wissensproduktion beschreiben. stellen die wissenschaftlichen Grundlagen fachwissenschaftlicher Probleme dar und ordnen diese in fachliche, historische und gesellschaftspolitische Kontexte ein. beurteilen Quellen in Bezug auf spezifische Interessenlagen. begründen die eigene Meinung kriteriengeleitet anhand von Sachinformationen, bewerten die persönliche und gesellschaftliche Tragweite und Bedeutsamkeit einzelner Forschungsprojekte im Kontext von „Nature of Science“. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler führen zielgerichtete Informationsrecherchen durch und wenden dabei Suchstrategien an (Medienkompetenzrahmen NRW 2.1.). filtern und strukturieren themenrelevante Informationen und Daten aus Medienangeboten, wandeln diese um und arbeiten sie auf (Medienkompetenzrahmen NRW 2.2). präsentieren Lern- und Arbeitsergebnisse sach-, adressaten- und situationsgerecht unter Einsatz geeigneter analoger und digitaler Medien, belegen verwendete Quellen, kennzeichnen Zitate und tauschen sich mit anderen konstruktiv über naturwissenschaftliche Sachverhalte auch in digitalen kollaborativen Arbeitssituationen aus. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler arbeiten ko-konstruktiv und ko-kreativ bei der Erstellung ihrer Lernprodukte. hinterfragen die von ihnen bearbeiteten Materialien kritisch und bewerten die Qualität von Informationen. kommunizieren ihre Arbeitsergebnisse sach- und adressatengerecht in ihren Gruppen und vor der Schulgemeinschaft. Beigel, J., Klopsch, B. & Sliwka, A. (2023). Deeper Learning gestalten. Ein Workbook für Lehrkräfte. Weinheim: Beltz. Open access: https://www.telekom-stiftung.de/sites/default/files/files/media/publications/deeper-learning-gestalten-workbook.pdf Deeper Learning Initiative: https://hse-heidelberg.de/hsedigital/hse-digital-teaching-and-learning-lab/deeper-learning-initiative/deeper-learning Dittmer, A. & Zabel, J. (2019) . Das Wesen der Biologie verstehen; Impulse für den wissenschaftspropädeutischen Biologieunterricht. In Groß, J. et al. (Hrsg.), Biologiedidaktische Forschung: Erträge für die Praxis. Berlin: SpringerSpektrum. Heering, P. & Kremer, K. (2018). Nature of Science. In: Krüger, D. et al. (Hrsg.), Theorien in der naturwissenschaftlichen Forschung. Berlin: SpringerSpektrum. Gebhard, U., Höttecke, D. & Rehm, M. (2017). Pädagogik der Naturwissenschaften. Ein Studienbuch. Berlin: SpringerSpektrum. Forum Bildung Digitalisierung: Community Call: Digitaltag 2023 mit Deeper Learning: Entdecken. Verstehen. Gestalten.: https://www.youtube.com/watch?v=DV387Otll_M&t=22s Kultusministerkonferenz. (o. D.). Medienbildungskompetenz - Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I .: https://www.schulministerium.nrw/sites/default/files/documents/Medienkompetenzrahmen_NRW.pdf