In der Biologie stellt das Zeichnen eine zentrale Arbeitstechnik dar. Viele Studien konnten auf einen positiven Effekt des Zeichnens für bestimmte Situationen hinweisen. Schülerinnen und Schüler müssen diese Technik jedoch zunächst erlernen. Hierbei können zahlreiche Schwierigkeiten auftreten, die die inhaltliche Auseinandersetzung gefährden. Jedoch wurden sowohl Schwierigkeiten im Umgang mit unterschiedlichen Repräsentationsformen als auch der Zeichenprozess bislang nur lückenhaft untersucht. Die Studie dieser Arbeit hat daher zum Ziel, (I) den Zeichenprozess auf der Ebene der Sichtstruktur zu beschreiben, (II) die manifesten Schwierigkeiten von Lernenden zu erfassen, auf die sie während der Konstruktion biologisch bedeutsamer Repräsentationsformen (Ablaufdiagramme, mikroskopische Zeichnungen) treffen, (III) und auf Grundlage der empirischen Befunde Schülertypen abzuleiten. Vor diesem Hintergrund waren 21 Schülerinnen und Schüler angehalten, jeweils ein Ablaufdiagramm auf Grundlage eines Texts und eine mikroskopische Zeichnung auf Grundlage eines Präparats zu konstruieren und dabei laut zu denken. Fragen zur Vorerfahrung sowie retrospektiv gestellte Fragen zum Vorgehen der Teilnehmenden umrahmten den videografisch dokumentierten Prozess. Die Ergebnisse zeigen, dass der Zeichenprozess mehr als zehn unterschiedliche Tätigkeiten umfassen kann, wobei die Kerntätigkeit des Zeichnens durchschnittlich nur rund ein Drittel des Prozesses ausmacht. Die Prozessstruktur zwischen Fällen variiert erheblich. Weiterhin konnten etwa 30 Schwierigkeiten bzw. Fehler identifiziert werden, die während der Konstruktion beider Repräsentationsformen auftreten. Diese können dabei sowohl einzelne als auch mehrere Tätigkeiten betreffen und zu Tätigkeitsabbrüchen führen. Schwierigkeiten stehen häufig in Verbindung mit Tätigkeiten, die außerhalb der Kerntätigkeit des Zeichnens liegen (z. B. Abgleich mit der Textgrundlage). Bezogen auf Ablaufdiagramme stellt das Verhältnis depiktional bzw. deskriptional dargestellter Textinformationen den Ausgangspunkt der Typisierung dar: Typ I: realistisch abbildend, II: alternierend abbildend und III: schriftorientiert abbildend. Für mikroskopische Zeichnungen war die Häufigkeit des Abgleichs mit dem Objekt grundlegend für die Typisierung: Typ I: oberflächlich abbildend, II: objektorientiert abbildend und III: undifferenziert detailliert abbildend. Die Studie liefert erstmals Kategoriensysteme, die es erlauben, die Prozessstruktur des Zeichnens sichtbar und zwischen Fällen vergleichbar zu machen sowie schwierigkeitsbezogenes Grundlagenwissen zur Konstruktion von Zeichnungen, basierend auf Texten und Beobachtungen. Die Übertragbarkeit der Befunde auf andere Repräsentationsformen ist an vielen Stellen denkbar. Die theoretisch fundierte Systematisierung von Schwierigkeiten kann von weiterführenden Untersuchungsansätze aufgegriffen werden und erlaubt die Verortung situationsangemessener Unterstützungsmaßnahmen.

Unsere Welt und die technischen und naturwissenschaftlichen Erkenntnisse verändern sich aktuell sehr schnell. Dies betrifft auch die naturwissenschaftliche Forschung und erfordert vermehrten Einsatz der Wissenschaftskommunikation und der Bildung. Ein Instrument der Wissenschaftskommunikation und eine Erweiterung des schulischen Unterrichts kann die Beteiligung von Freiwilligen bei wissenschaftlichen Arbeiten sein, welches auch als Citizen Science (CS) bezeichnet wird. CS Projekte erfreuen sich einer wachsenden Beliebtheit, unter anderem von Schulen (Burger, 2016). Dabei werden unter anderem die Förderung des Kontextwissens, der Scientific Literacy, der Umwelteinstellung und des –verhaltens versprochen (Peter et al., 2019). Interventionsstudien zu den Bildungspotentialen kommen jedoch zu unterschiedlichen Ergebnissen (Gommermann & Monroe, 2012; Turrini et al., 2018). Diese inkonsistenten Ergebnisse der Studien können auf die unterschiedliche Gestaltung der einzelnen evaluierten CS Projekte zurückgeführt werden. Es wird angenommen, dass Teilnehmende, die in mehr Schritten des wissenschaftlichen Prozesses eingebunden werden, ein größeres Bildungspotential haben, als Teilnehmende, die nur in wenige Schritte eingebunden werden (Burger, 2016; Shirk & Bonney, 2018). Bonney, Ballard et al. (2009) haben dazu ein dreistufiges Modell entwickelt. Das Modell wird unter anderem auch von Shirk et al. (2012) und Jordan et al. (2015) unterstützt, ist jedoch bezüglich der Lernwirksamkeit nicht empirisch überprüft (Edwards et al., 2018; Jordan et al., 2015). Deswegen schließt die Forschungsfrage dieser Studie hier an: Unter welchem Partizipationsansatz sind die Lerneffekte in einem CS Projekt am größten für Schülerinnen und Schüler? Um diese Frage zu beantworten, wurde ein CS Projekt mit drei Experimentalgruppen geplant und durchgeführt. Insgesamt nahmen 199 Schülerinnen und Schüler an dem Projekt teil. Innerhalb der Interventionsstudie wurden die Schülerinnen und Schüler zu drei Testzeitpunkten zur Umwelteinstellung und -verhalten, Nature of Science, Einstellung zur Wissenschaft und dem Kontextwissen befragt. Die Analysen über die Messzeitpunkte zeigen keine statistisch signifikanten Einflüsse der Experimentalgruppen auf die abhängigen Variablen. Jedoch ist die Teststärke bei allen Tests zu gering, um abschließende Aussagen über die Annahmen zu treffen. Wird jedoch die generelle Wirkung der Intervention betrachtet, zeigen sich signifikante Effekte auf alle Schülerinnen und Schüler, unter anderem steigt das Verständnis über Nature of Science. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Schlussfolgerungen von Phillips (2017), Phillips et al. (2019) und Del Bianco (2018) überein, die ebenfalls Zweifel an dem Modell von Bonney, Ballard et al. (2009) äußerten. Innerhalb dieses CS Projektes konnte sich keiner der drei Partizipationsansätze bezüglich des Bildungspotential für Schülerinnen und Schüler hervorheben lassen. Jedoch ist diese Studie unter anderem durch die geringe Teststärke limitiert und endgültige Aussagen bedürfen weiterer systematischer Forschung.

Die Zielsetzung der vorliegenden Masterarbeit lag darin, die instrumentelle Gewäs-seranalytik im Freiland für Schüler*innen erschließbar zu machen. Als Maßnahme der Master-Thesis wurde eine arbeitsteilige Lerneinheit rund um das Thema Gewässeranalytik für den außerschulischen Chemieunterricht der Sekun-darstufe II konzipiert und evaluiert. Die Konzeption erfolgte in Anlehnung an die Lehrpläne der Fächer Biologie, Geografie, Physik und Chemie des Landes Rhein-land-Pfalz. Zur Bewertung der Gewässergüte kam das digitale Messsystem Einstein Labmate für zahlreiche physikalisch-chemische Parameter zur Verwendung. Zu-sätzlich wurde das Online-Portal FLUVIDAT Saar zur rudimentären Bestimmung von Indikatororganismen sowie für eine Einordnung der Gewässerstruktur genutzt. Im Rahmen der begleitenden Evaluation wird der Forschungsfrage nachgegangen, in wie weit die konzipierte Einheit praxistauglich und adressatengerecht für den Chemieunterricht der Oberstufe ist. Dies wird anhand der Konstrukte „Aktuelles Inte-resse“ und „Cognitive Load“ mit einem Fragebogen, einer Videoanalyse mit litera-turbasiertem Codierleitfaden sowie einem Lesbarkeitsindex der zugrundeliegenden Experimentieranleitungen überprüft. Die Ergebnisse der Datenauswertung zeigten ein hohes aktuelles Interesse der Schüler*innen sowie eine angemessene kognitive Belastung. Durch die Erhebung der lernbezogenen kognitiven Belastung zeigte sich, dass die im unteren Bereich liegende Schwierigkeit der Materialien kognitive Kapazitäten zur Schemabildung frei gab.

Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Verbesserung von Lehren und Lernen im Physikunterricht. Damit fügt sie sich in den Bereich physikdidaktischer Forschung ein, die eine forschungsbasierte Entwicklung und Evaluation von Unterricht zum Gegenstand hat, sich also auf die empirische Lehr-Lern-Forschung konzentriert. Die Motivation dazu basiert dabei auf drei in der aktuellen physikdidaktischen Diskussion prioritären Defiziten: Die mangelnde Fähigkeit deutscher Lernender zur Anwendung ihres physikalischen Wissens in neuen Kontexten, die Realitätsferne der Aufgaben und Inhalte des deutschen Physikunterrichts sowie die unzureichende Einbindung der auf diesen Erkenntnissen basierenden Konzepte in den Physikunterricht. Diese Defizite stellen die physikdidaktische Forschung vor drei grundlegende Aufgaben: Initiierung stärker schüler- und anwendungsorientierter Lehr-Lernprozesse, Hervorhebung der Bedeutung einer neuen "Aufgabenkultur" im Rahmen authentischer Problemstellungen sowie Entwicklung von Konzepten zur nachhaltigen Implementation neuer Erkenntnisse in den Physikunterricht. Der Anspruch dieser Arbeit ist die Reduktion der analysierten Defizite. Dazu erfolgt die Ausrichtung auf drei Ziele hin: Die theoriegeleitete Entwicklung praktikabler und flexibler Lernmedien im Rahmen aufgabenorientierter Lernumgebungen, die Implementation und detaillierte empirische Untersuchung des entwickelten Ansatzes sowie die Bildung einer "Learning Community" zur Unterrichtsentwicklung. Dazu wird basierend auf dem instruktionspsychologischen "Anchored Instruction"-Ansatz theoriegeleitet das Konzept einer Modifizierten "Anchored Instruction" (MAI) entwickelt. Dieses greift die Vorzüge der originären Rahmentheorie auf und behebt zudem die damit verbundenen Probleme durch die Umsetzung von drei Leitlinien: "Praktikabilität", "Flexibilität" und "empirische Forschung". Dies wird hier durch die Entwicklung und theoretische Einbettung von "Zeitungsaufgaben" als authentisch wirkendes Lernmedium zur Verankerung des Wissens an realitätsnahen Lerngegenständen verdeutlicht. Die Effektivität der Implementation von "Zeitungsaufgaben" als Lernmedium im Physikunterricht im Sinne des MAI-Ansatzes bildet dabei den ersten Untersuchungsschwerpunkt. Es wird Breitenwirkung und Robustheit des Ansatzes hinsichtlich Lerneffekt und Motivation im Rahmen einer Interventionsstudie mit 911 Lernenden, 15 Lehrkräften und in insgesamt 39 Schulklassen an zehn verschiedenen Schulen untersucht. Die durch Mehrebenenanalysen erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass "Zeitungsaufgaben" themenübergreifend zu größerer Motivation und Leistungsfähigkeit der Lernenden führen als "traditionelle" Aufgaben und dass diese Überlegenheit zudem auch wenigstens mittelfristig Bestand hat (Motivation: p < 0.001; Cohens d = 0.87; Leistung: p < 0.001; Cohens d = 1.13). Zudem wurden vielfache Einflüsse von Moderatorvariablen auf die Motivations- und Lerneffekte geprüft (Lehrkraftmerkmale, Geschlecht, Thema, Schulart, Physik-Vorleistung, Intelligenz und Textverständnis). Es zeigt sich, dass die positive Wirkung von "Zeitungsaufgaben" auf die Motivation der Lernenden weitgehend unempfindlich gegenüber diesen Einflussfaktoren ist. Hingegen wird die Lernleistung neben der großen, positiven Wirkung von "Zeitungsaufgaben" zudem noch durch die Physik-Vorleistung sowie durch die Ausprägung des Interesses der Lehrkräfte am Unterrichten von Physik beeinflusst, und zwar in praktisch bedeutsamen Ausmaß. Neben Breitenwirkung und Robustheit des MAI-Ansatzes stellt dessen Optimierung im Rahmen einer Interventionsstudie den zweiten Untersuchungsschwerpunkt dar. Diese Detailuntersuchung resultiert aus dem Zusammenhang zwischen Authentizität und Komplexität einerseits und kognitiver Belastung andererseits. Bezogen auf das MAI-Lernmedium " Zeitungsaufgabe" steht dabei die Optimierung des Instruktionstextes " also des Zeitungsartikels " im Zentrum der Untersuchung. Es wird nachgewiesen, dass "Zeitungsaufgaben" mit mittelschweren Zeitungsartikeln sowohl Motivation als auch Lernleistung besser fördern als "Zeitungsaufgaben" mit leichten oder schweren Zeitungsartikeln. Dagegen sind Motivation und Leistung bei der Arbeit mit "traditionellen Aufgaben" umso geringer je schwieriger der Aufgabentext ist. Zudem wird im Rahmen von Pfadanalysen ein Wirkgefüge modelliert, das kausale Zusammenhänge zwischen verschiedenen Variablen darstellt, die die positive Wirkung von "Zeitungsaufgaben" auf Motivation und Leistungsfähigkeit beeinflussen. Dieses Kausalmodell verdeutlicht, dass die positive Wirkung von "Zeitungsaufgaben" am stärksten davon abhängt, wie stark die laut Theorie für ein MAI-Lernmedium erforderlichen Merkmale auch tatsächlich von den Lernenden als solche wahrgenommen werden (Motivation: p < 0.001; b = 0.40; Leistung: p < 0.001; b = 0.30). Ein Konzept zur Einbindung der auf Erkenntnissen der Lehr-Lern-Forschung basierenden Maßnahmen in den Physikunterricht stellt den Abschluss dieser Arbeit dar.

Von November 2001 bis Dezember 2002 wurden 304 Grundwassermessstellen in Baden-Württemberg je zweimal faunistisch beprobt. Ebenso wurden Wasserproben zur Ermittlung der hydrochemischen Feldparameter entnommen. Dabei wurden 106 Tierarten gefunden, von denen 74 als stygophil oder stygobiont einzustufen sind. Mehr als 20 % der Messstellen waren unbesiedelt. Es wurden im Durchschnitt 2,3 Arten je Messstelle gefunden. Die meisten dieser Arten waren über das gesamte Gebiet verbreitet, nur etwa 20 waren in ihrer Verbreitung regional beschränkt. Vier Arten konnten nicht bestimmt werden und dürfen als bisher unbeschrieben gelten. Bemerkenswert ist der Einzelfund eines Syncariden der Familie Parabathynellidae, bei dem es sich um den Erstnachweis für diese Familie nördlich der Alpen und um eine neue, sehr ursprüngliche Art handelt. Mit zunehmender Tiefe wurde eine Abnahme der Artenzahl, Abundanz, Diversität und Besiedlungsfrequenz festgestellt, wobei diese Veränderungen unterhalb 20 m Tiefe sprunghaft erfolgten, wobei das oberflächennahe Grundwasser am dichtesten und artenreichsten besiedelt war. Die Zahl der tatsächlich vorkommenden, insbesondere der seltenen Arten, konnte vermutlich nicht annähernd erfasst werden. Die Zahl der in einer beliebigen Landschaftseinheit festgestellten Arten korrelierte linear mit der Zahl der untersuchten Messstellen. Auch konnten einige aus anderen Untersuchungen in Baden-Württemberg bekannte Arten nicht wiedergefunden werden. Dies weist darauf hin, dass die Zahl der im Untersuchungsgebiet lebenden Arten stark unterschätzt wurde. Eine starke Unterschätzung der Artenvielfalt im Grundwasser wird deswegen auch für die überwiegende Mehrzahl anderer grundwasserfaunistischer Studien angenommen. Die faunistischen Unterschiede zwischen den einzelnen Messstellen waren erheblich, was auf die große Heterogenität des Lebensraumes Grundwasser zurückzuführen ist. Eine Auswertung der Daten auf der Ebene der Einzelmessstellen und selbst auf der Ebene der Naturräume führte daher zu keinem Ergebnis. Ebenso wenig konnten deshalb Referenzzoozönosen beschrieben werden. Auf der nächst höheren Auswertungsebene, der Ebene der Naturraumgruppen zeigte die Fauna Verteilungsmuster, die sehr gut die geographischen Verhältnisse widerspiegeln, d. h. die faunistischen Ähnlichkeiten zwischen den Naturraumgruppen entsprachen annähernd auch ihrer räumlichen Lage zueinander. Auf dieser Auswertungsebene ergaben sich auch indirekte Zusammenhänge zwischen der Artengemeinschaft und der Landnutzung, der Leiterstruktur und der Nährstoffverfügbarkeit Fast alle Arten, die eine regional beschränkte Verbreitung aufwiesen, kamen im Einzugsgebiet des Rheins vor, waren jedoch in der Regel selten. Nur eine Art, Acanthocyclops gmeineri, wurde exklusiv im Donaueinzugsgebiet, an einer einzelnen Messstelle, gefunden. Ebenso waren auf Gemeinschaftsebene einzugsgebietsbedingte Verbreitungsmuster zu erkennen. Ein Einfluss der ehemaligen, voreiszeitlichen Flussgebietszugehörigkeit auf die Fauna konnte im Gebiet des Hochrheins, des Schwarzwaldes und des voralpinen Moor- und Hügellandes festgestellt werden: Diese Regionen, die heute dem Rheingebiet angehören, waren im Pliozän noch dem Flusseinzugsgebiet der Donau zugeordnet. Eine Reihe von Arten hat in diesen Regionen und im heutigen Donaueinzugsgebiet, also den Donau-Iller-Lechplatten und der Schwäbischen Alb, ihren Verbreitungsschwerpunkt. Wie oben bereits erwähnt, konnten die meisten regional begrenzten Arten im Rheineinzugsgebiet angetroffen werden. Nur eine Art konnte exklusiv für das rezente Donauflussgebiet festgestellt werden. Dieses Muster dürfte damit in Zusammenhang stehen, dass weite Teile des pliozänen oberen Donaueinzugsgebietes an das rezente Rheinsystem angegliedert wurden. So lassen sich drei Gruppen von Grundwassertieren unterscheiden: Arten des pliozänen Rheins, Arten der pliozänen Donau und nacheiszeitliche Wiederbesiedler mit einer landesweiter Verbreitung. Zusammenhänge zwischen der glazialen Vereisung und der rezenten Besiedlung des Grundwassers konnten nur insofern gefunden werden, als die meisten Arten als nacheiszeitliche Wiederbesiedler im gesamten Gebiet auftreten. Nur indirekte Zusammenhänge konnten zwischen der Besiedlung und der Art bzw. dem Chemismus der verschiedenen Grundwasserlandschaften gefunden werden. Als entscheidender Faktor für die Besiedlung erwies sich die hydraulische Leitfähigkeit. Diese überlagerte alle anderen Einflussgrößen, wie naturräumliche Gliederung, Hydrogeologie und Hydrographie. Danach konnten vier Gruppen unterschieden werden, von denen drei " Geringleiter, Lockergesteinsleiter und Kluftleiter - eindeutig voneinander zur trennen waren, während der Karst teilweise starke faunistische Ähnlichkeit mit den Lockergesteinsleitern aufwies. Große Ähnlichkeiten wurden zwischen den verschiedenen Lockergesteinsleitern festgestellt, so dass sie auch unter ökologischen Gesichtspunkten als einheitliche Gruppe aufgefasst werden können. Kluftleiter und Geringleiter waren in ihrer Besiedlung wesentlich heterogener als Karst- und Lockergesteinleiter. Um die Grundwassergemeinschaften bestimmter Landschaftseinheiten zu charakterisieren, erscheint es erforderlich, alle vorhandenen Aquifertypen der untersuchten Einheiten zu erfassen. Dabei sollte der Fokus nicht nur auf den Lockergesteinsleitern, sondern vor allem auch auf den Kluft- und Geringleitern liegen. Zwischen der faunistischen Besiedlung und natürlichen chemischen Stoffen und Parametern - einschließlich des Sauerstoffs " wurden keine direkten, signifikanten Zusammenhänge festgestellt. Korrelationen ergaben sich dagegen mit dem Nahrungsangebot, insbesondere der Menge an Detritus und toten Kleintieren (Aas). Daher ist davon auszugehen, dass das Auftreten von Grundwasserorganismen vor allem durch das Nahrungsangebot und weniger durch den Wasserchemismus beeinflusst wird. Das Nahrungsangebot seinerseits ist eine direkte Folge des hydrologischen Austausches, d. h. der Beeinflussung des Grundwassers durch Oberflächenwasser. Zur zukünftigen ökologischen Klassifizierung von Grundwasserlebensräumen wird ein hierarchisches, dreistufiges System, beginnend bei den geographischen, hydrographischen und naturräumlichen Verhältnissen über den Typ des Grundwasserleiters bis zum hydrologischen Austausch der Einzelstandorte diskutiert. Mit dem hydrologischen Austausch als zusätzliches Gliederungskriterium können die trophischen Verhältnisse mitberücksichtigt werden, die die kleinräumige Verteilung der Arten bestimmen.