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Sandra A. C. Zimmermann

• Die Neurowissenschaften sind in Forschungsarbeiten für Schüler und Studierende immer wieder als eines der schwierigsten Teilgebiete der Biologie angeführt. Die Inhalte werden überwiegend nicht verstanden. Als mögliche Ursache gelten die seltenen praktischen Zugänge für die Lernenden aufgrund limitierter Ressourcen. Diese Ursache konnte in der vorliegenden Arbeit durch eine Befragung der Lehrkräfte zu ihren Praxisumsetzungen bestätigt werden. 70 % der Lehrkräfte gaben an, dass sie keine Experimente in der Schule zum Thema Nervenzellen anbieten. Experimente zur Verhaltensbiologie führen 65 % der Lehrkräfte nicht durch. Um Schülern die Möglichkeit zu geben, sich experimentell mit den Themenfeldern der Neuro- und Verhaltensbiologie auseinanderzusetzen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Schülerlabortage auf dem Feld der Neurowissenschaften konzipiert. Die Konzepte wurden schülerorientiert umgesetzt und neurowissenschaftliche Forschung durch den eigenen Umgang mit modernen Forschungsapparaturen erfahrbar gemacht. Die drei Labortage für die Sekundarstufe II wurden wissenschaftlich begleitet: 1) Verhaltensbiologie, 2) systemische Ebene der Elektrophysiologie, 3) elektrophysiologische Forschungsmethoden. Um die Qualität und Wirksamkeit der Labortage beurteilen zu können, wurden sie mit Feedbackerhebungen begleitet. Die drei Labortage wurden sowohl von den Lehrkräften als auch von den Schülern bezüglich ihrer Qualität positiv bewertet. Für die Schüler konnte gezeigt werden, dass die Beurteilung weitgehend unabhängig von einem zugrunde liegenden Interesse an Biologie und Forschung ausfällt. Anhand einer retrospektiven Erhebung wird außerdem gezeigt, dass alle drei Labortage eine höchst signifikante, selbsteingeschätzte Steigerung des „Wissens“, der „Anwendungszuversicht“ und des „Interesses“ bewirken. Schüler mit niedrigen Ausgangswerten zeigen einen besonders hohen Anstieg. Für das Interesse kann weiter gezeigt werden, dass auch Schüler mit hohem Ausgangswert eine große Interessenssteigerung durch den Labortag aufweisen. Das Interesse für den verhaltensbiologischen Labortag liegt etwas niedriger – die Labortage mit elektrophysiologischen Inhalten zeigen dagegen für die Anwendungszuversicht etwas niedrigere Werte. Der Fokus der fachdidaktischen Forschung lag auf der Betrachtung des experimentellen Zugangs zur Elektrophysiologie über ein entwickeltes „EPhys-Setup“. Dabei handelt es sich um einen quasi-realen Messaufbau. Die Umsetzung kombiniert dazu Komponenten eines realen Elektrophysiologie-Setups (Hands-on Komponenten) mit einer speziell entwickelten schülerfreundlichen Software (Neurosimulation) und einem virtuellen Nervensystem in Form einer Platine. Als Modellnervensystem werden für diese Umsetzung Ganglien von Hirudo medicinalis verwendet – der Neurosimulation liegen originale elektrophysiologische Messspuren des Ganglions zugrunde. Experimentelle Vermittlungsansätze für die Elektrophysiologie finden sich kaum für den Schulbereich. Dem Bedarf einer entsprechenden Beforschung wurde mit verschiedenen Testinstrumenten nachgegangen, um den Vermittlungsansatz mit dem EPhys-Setup bewerten zu können. Dafür fand eine Wirksamkeitsanalyse über die Erhebung der Motivation der Schüler statt (Lab Motivation Scale; Dohn et al. 2016). Von Bedeutung war auch, inwiefern gegenüber der Umsetzung eine Technologieakzeptanz vorliegt (Technology Acceptance Model; Davis 1989), die im Schulkontext ausgehend von der steigenden Einbindung von Technologien einen entsprechenden Forschungsbedarf aufweist. Weiter wurde untersucht, ob sich die Bewertung des EPhys-Setups von der Bewertung einer Kontrollgruppe unterscheidet. Für die Kontrollgruppe wurde die Neurosimulation von den Hands-on Komponenten gelöst und die Schüler arbeiteten ausschließlich PC-basiert. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Umsetzungen die Motivation förderten und eine Technologieakzeptanz bei den Schülern aufwiesen. Der Unterschied der Untersuchungsgruppen fällt gering aus. Die Abhängigkeiten, die für die verwendete Simulationsumsetzung gefunden wurden, beziehen sich ausschließlich auf Komponenten der „Freude“. Somit wird der intrinsische Bereich von den Schülern die am EPhys-Setup gearbeitet haben höher bewertet. Zur weiteren Analyse der Testinstrumente wurde auch eine Abhängigkeit der Bewertung vom zugrunde liegenden Biologieinteresse sowie von den Computerfähigkeiten vergleichend betrachtet. Der Einfluss auf die Bewertungen der drei Testskalen ist in vielen Fällen höher als der Einfluss der verwendeten Simulation. Vom individuellen Biologieinteresse der Schüler zeigen alle untersuchten Komponenten eine Abhängigkeit. Die größeren Effekte beziehen sich auf die Komponenten der „Lernwirksamkeit“ oder der „Freude“. Von den individuellen Computerfähigkeiten der Schüler zeigen Komponenten zur „Zuversicht bezüglich der Methoden und der Inhalte“ eine Abhängigkeit.
• Contemporary educational research has repeatedly found neuroscience being one of the most complex disciplines of the subject biology, for secondary school and university students alike. The lack of practical training due to limited resources has been discussed as a decisive factor for the difficulties in understanding the learning contents. In the frame of the present study, this finding has been confirmed by a survey conducted among biology teachers to evaluate the proportion of practical lessons in classes: 70 % of the teachers stated to not provide any practical experiments on the subject of neural cells and 65 % did not include experimental work in behavioural biology in their lessons. One objective of this research work was to create an opportunity for students to approach the topics neurobiology and behavioural biology in a practical and experimental manner. Therefore, an out-of-school laboratory has been conceptualized. Aiming to effectively promote neuroscience at schools the theoretical concepts were transferred into a learner-oriented model, allowing students to experience neuroscience by active handling of modern research devices. The three laboratory days for upper secondary level have been scientifically investigated: 1) behavioural biology, 2) systemic level of electrophysiology, 3) electrophysiology research methodology. In order to evaluate both quality and effectiveness of the approach, feedback surveys were conducted with participating students and teachers. Results showed an overall positive assessment of the quality of all three practical training days. For the students it could be shown that the feedback is largely independent of an underlying interest in biology and research. In addition, a retrospective self-evaluation has shown that all three laboratory days resulted in a perceived significant increase of “knowledge”, “confidence in use” and “interest” among the students. Interestingly, students with lower baseline scores reported exceptionally strong increases for all three factors, however, with regard to the factor “interest” even students with high baseline values were found to experience a strong increase. The interest in the behavioural biology laboratory day is somewhat lower - laboratory days with electrophysiological content, on the other hand, show marginally lower levels of application confidence. The focus of the didactic research was to evaluate the experimental approach to electrophysiology by using the devised EPhys-Setup, which is a quasi-real measurement setup. For the implementation elements of real electrophysiology setup (hands-on components) have been combined with specifically developed student-friendly software (neurosimulation) and a virtual neural system realized as a circuit board. Ganglions of hirudo medicinalis were used as a model for the realisation of the neural system – for the neurosimulation real electrophysiological data sets of ganglions were used. Experimental mediation approaches for electrophysiology are barely available in the education sector – an according search of related studies was unsuccessful, what again indicates a particular demand. This need was pursued by different methods to proof the mediation provided by the EPhys-Setup. Therefore, an efficacy analysis of students’ motivation was done (Lab Motivation Scale; Dohn et al. 2016). It was also important to find out to which extent there is a technology acceptance towards the implementation (Technology Acceptance Model; Davis 1989), assuming that increased integration of technology in the school life required more research. Further on, it was investigated if the evaluation of the EPhys-Setup differs from that of a control group. For the control group, the neurosimulation was separately from the hands-on components and the students only worked PC-based. The results show that both implementations promoted the motivation and exhibited a technology acceptance among the students. The differences between the test groups are small. A correlation for the used simulation implementation has only been found within the components of “enjoyment”. Consequently, the intrinsic realm, e. g. the situational interest of the motivation scale, is rated higher from those students working with the EPhys-Setup. Moreover, the authentic awareness is higher for the EPhys-Setup. For further analysis, a comparative evaluation of the underlying interest in biology as well as of the computer self-efficacy was considered. The influence on the evaluation of the three scales of assessment is higher in many cases than the impact of the used simulation implementation. All evaluated components have shown dependence on the individual interest in biology. The biggest impacts are connected to the elements “learn effect” and “enjoyment”. From the individual computer self-efficacy, the components to “confidence into the methods and the content” show a dependency.