Bildungsstandards Biologie
Transcript of Bildungsstandards Biologie
Deutscher Verein zur Förderung des mathematischenund naturwissenscha� lichen Unterrichts e.V.
Arbeiten mit den Bildungsstandardsim Fach Biologie
fachspezifi sch und fachübergreifend,dimensioniert und niveauvoll
Empfehlungen für die Umsetzung der KMK-StandardsBiologie S I
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III
Arbeiten mit den Bildungsstandardsim Fach Biologie fachspezifi schund fachübergreifend, dimensioniertund niveauvollEmpfehlungen für die Umsetzung der KMK-Standards Biologie S I
Der deutsche Verein zur Förderung des mathemati-schen und naturwissenscha� lichen Unterrichts e.V. hat die bundesweite Entwicklung von output- und kompetenzenorientierten Standards in den naturwis-senscha� -lichen Fächern von Beginn an durch eigene Empfehlungen1 unterstützt.
Nach der Veröff entlichung von Standards durch die KMK für die drei Hauptfächer Deutsch, Englisch und Mathematik liegen seit dem Ende des Jahres 2004 ebensolche für die drei naturwissenscha� lichen Schul-fächer, Biologie, Chemie und Physik vor. Damit sind unter den sechs Fächer, für die bundesweite Standards gelten, vier vom Förderverein MNU vertretene.
Traditionell hat der Förderverein MNU in regelmä-ßigen Abständen fachspezifi sche Empfehlungen mit Vertretern aller Bundesländer erarbeitet, die geholfen haben, in der föderalistischen Schulstruktur der Bun-desrepublik Deutschland die Arbeit in den einzelnen Fächer zu vereinheitlichen. Mit den letzten Empfeh-lungen im Fach Biologie aus dem Jahre 20012 wurden wegweisende Schri� e im Hinblick auf Kompetenzen, kumulatives Lernen und Vermi� lungsmethoden aus-formuliert. Dieser Paradigmenwechsel fand in der Fol-ge Eingang in Lehr- und Rahmenpläne der Bundeslän-der und in Schulbücher.
Durch die Entwicklung von bundeseinheitlichen Stan-dards wurde die Wendung von der Input- zur Out-
putorientierung endgültig und konsequent vollzogen. Deren Umsetzung bleibt Ländersache. In der aktuellen Situation verfolgt MNU das Ziel und den Anspruch – zuerst im Fach Biologie – , die in den Bundesländern begonnene Arbeit an den länderspezifi schen Ausfor-mungen der Standards durch angebots-orientierte Umsetzungshilfen zu fördern, nicht zuletzt auch mit dem Ziel, dass die Fachgruppe bzw. die Lehrkra� vor Ort sich auf den Weg macht, den Unterricht im Fach Biologie nach Kompetenzen und Standards zu struk-turieren und durch Selbstevaluation zu verbessern.
Die vorliegenden Empfehlungen wurden auf einer Arbeitstagung vom 11. bis zum 15. April 2005 in der Reinhardswaldschule bei Kassel erarbeitet, zu der Ex-pertinnen und Experten aus den Bundesländern, aus der Fachpraxis und Fachdidaktik, vom vdbiol und von der GDNÄ, eingeladen waren, und einvernehmlich von allen Teilnehmerinnen und Teilnehmern verab-schiedet. Durch diese Empfehlungen sollen den Inten-tionen der Bildungsstandards zur Akzeptanz und zur Umsetzung verholfen werden, damit das eigentliche Ziel der Umsteuerung und Qualitätsverbesserung im Fach Biologie erreicht werden kann. Die Off enheit der Bildungsstandards wird allgemein gelobt. Sie bedür-fen der Konkretisierung und Diff erenzierung in Bezug auf die Basiskonzepte, Standards und Niveaukonkre-tisierungen.
Hagen, Wendisch Evern, im Dezember 2005
ARNOLD A CAMPO JÜRGEN LANGLETBundesvorsitzender Vorstandsamt [email protected] [email protected]
1 Lernen und Können im naturwissenscha� lichen Unterricht. Denkan-stöße und Empfehlungen zur Entwicklung von Bildungs-Standards in den naturwissenscha� lichen Fächern Biologie, Chemie und Physik (Se-kundarbereich I). MNU 56/5, 2003, Beihe� er
2 Biologieunterricht und Bildung. Die besondere Bedeutung des Faches Biologie zur Kompetenzentwicklung bei Schülerinnen und Schülern. Empfehlungen zur Gestaltung von Lehrplänen bzw. Richtlinien für den Biologieunterricht. MNU 54/4 (2001) Beihe� er
IV
1 Die KMK-Standards sind veröffentlicht: Was nun?
Bildungsstandards im Fach Biologie für den Mi�leren Bildungsabschluss3 sind gedacht als ein wesentlicher Faktor der Steuerung eines Schulsystems, das auf ver-mehrte Eigenständigkeit der Akteure setzt. Kompe-tenzen- und Standard-orientierte Bildung steht und fällt mit passenden Modellen für Kompetenzen. Als Mindest-, Regel- oder Maximal-Standards wird fest-gelegt, was Schülerinnen und Schüler am Ende eines bestimmten Bildungsabschni�s können sollen. Diese Empfehlungen beschränken sich auf die Kompe-tenzbereiche Wissen und Erkenntnisgewinnung. Die Bearbeitung des Kompetenzbereichs Kommunikation wird einer fachübergreifenden Tagung überlassen. Für den Kompetenzbereich Bewertung sind parallel neun Dimensionen inclusive Niveaukonkretisierungen ver-öffentlicht worden.4 Auf der Tagung wurden in den Kompetenzbereichen Fachwissen und Erkenntnisge-winnung die einzelnen Kompetenzen elementarisiert bzw. dimensioniert, in verschiedene Niveaus differen-ziert und Beispielaufgaben den Niveaus zugeordnet – ein beispielha�es Ablaufdiagramm für den Kompe-tenzbereich Fachwissen: (siehe Abb. 1)
Die Dimensionen der Kompetenzbereiche werden weiterhin in qualitativ unterschiedliche Niveaus dif-ferenziert. Diese Niveaukonkretisierung verbindet die umschreibenden Niveaueinteilungen einer Scien-tific Literacy5 mit den ersten Ansätzen einer Theorie
des bedeutungsvollen Verstehens6 mit den Niveaus: Ausgangsvorstellungen – Kennen – Anwenden – Re-flexion und Verstehen – Metareflexion und erweitert damit die gängigen Anforderungsbereiche, z. B. aus den EPA7.Neu ist in diesem Vorgehen die ausdrückliche Auf-nahme der Ausgangssituation in die angestrebte Kompetenzentwicklung, sodass ausgehend von den jeweiligen Alltagsvorstellungen der Schülerinnen und Schüler (Kompetenzniveau A) die intendierten Verän-derungen in Richtung wissenscha�licher Vorstellun-gen über mehrere Jahre und Kompetenzniveaus dif-ferenziert werden (Kompetenzniveaus I bis III). Eine Reflexions- und Bewertungsebene (R) wird besonders ausgewiesen. Das Kompetenzniveau II entspricht dem Regelniveau, das in allen Schulformen von der Mehr-heit der Schülerinnen und Schüler erreicht werden soll-te. Die darüber hinausgehenden Kompetenzniveaus sind als Angebot zu werten, das mit unterschiedlichen Lerntempi und Lernwegen angesteuert werden kann. Die weiterführenden Angaben sind daher auch als An-reiz für differenzierte Lernangebote zu sehen.Bei der Darstellung von Kompetenzmodellen ergibt sich ein Problem. Denn die üblichen Stufendarstel-lungen suggerieren eine Entwicklung, die von den Schülerinnen und Schülern hierarchisch durchlaufen werden; zudem beinhalten sie eine Abwertung der niederen Stufen. Deswegen wäre eine Darstellung in Form eines Tortendiagramms8 angemessener, das al-lerdings zur Erläuterung zwecks besserer Lesbarkeit wiederum in eine Kastenform ummodelliert wird:
3 h�p://www.kmk.org/schul/Bildungsstandards/Biologie_MSA_16-12-04.pdf4 C : HÖSSLE et al Neun Dimensionen der Ethischen Urteilskompetenz.
Dimensionierung und Niveaukonkretisierung. ZfDN ●●● (2005) ●●●.5 R.W. BYBEE: Scientific Literacy – Mythos oder Realität? In: W. GRÄBER et
al. (Hrsg.): Scientific Literacy., ●●● (2002), S. 21–43
6 vgl. j: LANGLET: Arbeiten mit den Bildungsstandards im Fach Biologie, fachspezifisch und fachübergreifend, elementarisiert und niveauvoll. Tagung von Vertretern der Bundesländer wie Experten aus der Fachdi-daktik und aus der Schulpraxis zur Erstellung von Empfehlungen für die Umsetzung der KMK-Standards Biologie S I (2005).
7 Einheitliche Prüfungsanforderungen (EPA) für das Fach Biologie. 5.2.2004. h�p://www.kmk.org/doc/beschl/EPA-Biologie.doc
8 siehe S. XIX
Abb. 1. Dimensionierung und Niveauzuordnung – beispielha� an einer Basiskompetenz im Kompetenzbereich Fachwissen
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Im Folgenden werden für die Kompetenzbereiche Fachwissen und Erkenntnisgewinnung in Kompe-tenzen ausformulierte Standards mit entsprechenden Testaufgaben vorgestellt.
2 Kompetenzbereich Fachwissen
Die Idee des kumulativen (besser: vernetzenden) Ler-nens im Fach Biologie (und in anderen Fächern) hat sich durchgesetzt – wozu die Veröffentlichung von Erschließungsfeldern12 wesentlich beigetragen hat. Nahezu jeder Lehrplan etc. und jedes neu aufgelegte Schulbuch beziehen sich Grund legend auf die Er-schließungsfelder. Dabei wurde im Laufe der Zeit der didaktisch intentionale Begriff »Erschließungsfeld« durch sog. Basiskonzepte13 oder Prinzipien ersetzt.Basiskonzepte repräsentieren biologisches Wissen in kondensierter Form. Mit der Orientierung an Basis-konzepten werden Fachinhalte des Biologieunterrichts strukturiert und miteinander knüp�. In verschiedenen Jahrgängen werden unterschiedliche Themen auf die Basiskonzepte ausgerichtet, sodass die Basiskonzepte in verschiedenen Kontexten immer wieder systema-tisch aufgegriffen werden und somit kumulatives Ler-nen ermöglicht wird.Die drei komplexen Basiskonzepte der KMK-Bil-dungsstandards Struktur und Funktion, Entwicklung und System werden daselbst eingehend erläutert. Da-rin finden sich die bekannten vdbiol-Erschließungsfel-der und die Basiskonzepte der EPA Biologie14 wieder: (siehe Abb. 2)Die Basiskonzepte bzw. Erschließungsfelder im Be-reich Fachwissen lassen sich in primär Biologie-unspe-zifische und Biologie-spezifische gliedern.
Während die Biologie-spezifischen Basiskonzepte die Wissenscha� und das Fach Biologie gegenüber an-deren abgrenzen und auszeichnen, sind die Biologie-unspezifischen Basiskonzepte ihrem Ursprung nach in anderen Wissenscha�en und Fächern (zumeist in der Physik und Chemie) beheimatet. Sie werden erst durch die Vorsilbe »Bio-» (Biosystem, Bioenergie usw.) zu biologischen Termini, wobei sie gleichfalls einen höheren biologischen Komplexitätsanspruch reprä-sentieren.15
Abb. 2. Basiskonzepte und Erschließungsfelder
Biologie-unspezifische Basiskonzepte
System Kompartimentierung
Struktur und Funktion Struktur und Funktion
Regelung und Steuerung
Stoff- und Energieumwandlung
Information und Kommunikation
KMK-Bildungsstandards EPA-Biologie
Biologie-spezifische Basiskonzepte
Entwicklung Reproduktion
Variabilität und Angepasstheit
Geschichte und Verwandtscha�
KMK-Bildungsstandards EPA-Biologie
12 R. BAALMANN; R. DIECKMANN; TH. FREIMAN; J. LANGLET; K.-P. OHLY; TH. SAATHOFF; A. SANDMANN; H. VOGT; V. WOLFF; J. ZABEL; H.-D. LICHTNER: Weniger (Additives) ist mehr (Systematisches). Kumulatives Lernen. vdbiol Handreichung für den Biologieunterricht in den Jahr-gängen 5–10. München; in der Folge auch in: Biologieunterricht und Bildung. Die besondere Bedeutung des Faches Biologie zur Kompe-tenzentwicklung bei Schülerinnen und Schülern. Empfehlungen zur Gestaltung von Lehrplänen bzw. Richtlinien für den Biologieunterricht. MNU 54 (2001) Nr. 4, Beihe�er
13 Bei dem Begriff Konzept handelt es sich um eine falsche Eindeutschung des angelsächsischen »concepts«, womit eigentlich »Begriffe« gemeint sind (mdl. Mi�eilung von G. SCHAEFER).
14 vgl. Anm. 7
15 G. SCHAEFER (2005): Naturwissenscha�liche Fächer oder ein Fach «Na-turwissenscha�”. Die Rolle von Fachkompetenz für die Entwicklung allgemeiner Kompetenzen. In: H. FRITSCH et al. (Hrsg.): Materie in Raum und Zeit. Verhandlungen der Gesellscha� Deutscher Naturfor-scher und Ärzte. Stu�gart
VII
2.1 Biologieunspezifische Basiskonzepte
Von den Biologie-unspezifischen Basiskonzepten wur-de auf der Tagung das zentrale Konzept »Stoff- und Energieumwandlung« ausgearbeitet [Arbeitsgruppe I]. Beide Begriffe sind eng miteinander ver-knüp�. Sie sind für Lebewesen als offene Systeme fundamental. Gleichfalls bilden sie im Unterricht der Sekundarstufe I die Grundlage des Verstehens der Biologie als Begrei-fen des Lebendigen. Die Dimensionen des Basiskon-zepts Stoff- und Energieumwandlung sind folgende:● Kenntnis und Anwendung der Stoffgruppen, de-
ren Zusammensetzung und Umwandlung auf der Grundlage der Teilchenvorstellungen
● Kenntnis und Anwendung des Stoff- und Energie-zusammenhangs in Organismen und in Zellen
● Kenntnis und Anwendung von Assimilation und Dissimilation
● Kenntnis und Anwendung der Stoffaufnahme, -verdauung und -abgabe
Die zugehörigen Standards werden exemplarisch am folgenden Aufgabenbeispiel niveaukonkretisiert:
Santorio Sanctorius – Der Mann auf der Waage16 (1561–1636)
Der italienische Wissenscha�ler Sanctorius war Pro-fessor für theoretische Medizin in Padua.Um herauszufinden, wie sich das Gewicht des mensch-lichen Körpers verändert, führte er schon vor nahezu 400 Jahren folgende Versuche durch: Er baute eine große Waage, an die er einen Stuhl hängte. Sanctori-us nahm seine Mahlzeiten in diesem Stuhl ein (siehe Abb.): Wenn er etwas aß, sank der Stuhl nach unten, im Laufe des Tages bewegte er sich jedoch wieder auf die ursprüngliche Höhe zurück.Sanctorius vermutete, dass zwischen der Aufnahme und dem Verbrauch von Nahrung und dem Körper-gewicht ein Zusammenhang besteht. Er dachte sich, dass man durch den an der Waage aufgehängten Stuhl die eigene Ernährung kontrollieren könne – wenn der Stuhl wieder auf die normale Höhe abgesunken sei, müsse man eben au�ören zu essen.Um genauere Ergebnisse zu bekommen, verbrachte er sogar über 30 Jahre einen Großteil seines Lebens auf der Waage. Er konstruierte eine große Pla�form, die an einer Waage hing. Hier aß und arbeitete er, auf ihr stand auch sein Be�. Auf diese Weise konnte er sein Körpergewicht ständig und recht genau erfassen. Au-ßerdem rechnete er zusammen, welche Mengen an Getränken und Nahrung er im Laufe des Tages zu sich nahm und wie viel Kot und Urin er wieder von sich gab. Was stellte er bei seinem täglichen Wiegen alles fest?Im Laufe des Tages ergaben sich Schwankungen in sei-nem Körpergewicht.
Wenn er am Tag 4 Kilo Nahrung zu sich nahm, so gab er nur 2 ½ Kilo wieder ab.Nach diesen Beobachtungen hä�e er nach zehn Tagen (40 Kilo Aufnahme, 25 Kilo Abgabe) eigentlich um 15 Kilo schwerer sein müssen. Da er jedoch nicht zu-nahm, zog er den Schluss, dass die fehlende Menge von 15 Kilo (1½ Kilo täglich) durch »unmerkliche Aus-dünstungen« dem Körper verloren gehen müssten.
2.2 Biologie-spezifische Basiskonzepte
Als biologiespezifisch werden diejenigen Basiskon-zepte angesehen, die im weitesten Sinne die Evolution betreffen. In den KMK-Bildungsstandards ist dazu das Basiskonzept Entwicklung formuliert.Die Arbeitsgruppe [Arbeitsgruppe II] entschied sich, für die Umsetzung der KMK-Standards die konkrete-re Definition und Formulierung der Basiskonzepte der Einheitlichen Prüfungsanforderungen für das Abitur (EPA 2004) zugrunde zu legen. Auf Evolution bezogen sind dies die EPA-Basiskonzepte:– Reproduktion,– Variabilität und Angepasstheit– Geschichte und Verwandtscha�.
Aus der Orientierung an den biologiespezifischen Ba-siskonzepten folgt zwingend, dass der Unterricht zur Evolution bereits auf unteren Klassenstufen einsetzt. Damit soll erreicht werden, dass das Verständnis der
16 verändert nach Sir MICHAEL FOSTER (1970): Lectures on the history of physiology during the sixteenth, seventeenth, and eighteenth century. Dover Publications Inc., New York
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Evolution in der Klasse 5 angebahnt und in den fort-laufenden Jahrgängen bis zur Klasse 10 vertie� wird. Die folgende Aufstellung erprobt den Einsatz des Basiskonzeptes Variabilität und Angepasstheit im Verlaufe des Sekundarbereichs I. Die Kompetenzen, biolo-gische Probleme evolutionär zu verstehen und zu erklären werden dabei gezielt und schri�weise auf-bauend eingeübt (vgl. Tab. 3, S. XI–XII). Es wird jeweils angegeben, in welcher Klassenstufe die Kompetenzen erreicht werden sollen. Auf höheren Klassenstufen werden sie selbstverständlich weiter gesichert und eingeübt. Darüber hinaus erfordern die Unterschiede innerhalb der Lerngruppen binnendifferenzierende Maßnahmen.
Beispielaufgaben zur Ebene der Anpassungsprozesse17
Nahrungswechsel bei Sauriern
Kürzlich konnten im US-Bundesstaat Utah ca. 1700 Knochen einer bis dahin unbekannten Saurierart ge-borgen werden. Die neu entdeckte Art erhielt den Namen Falcarius utahensis und erregte weltweit Auf-sehen. Biologen nehmen an, dass diese Tiere einen Nahrungswechsel vollzogen haben und das Binde-glied zwischen den ursprünglichen kleineren Fleisch fressenden Dinosauriern und den späteren großen Pflanzen fressenden Sauriern darstellen.Die Tiere waren etwa vier Meter lang und erreichten aufrecht stehend eine Höhe von 1,4 m. Ihre Vorder-
gliedmaßen endeten in 10 cm langen gebogenen und scharfen Krallen. Die Hintergliedmaßen scheinen im Vergleich mit ihren Vorfahren kleiner und dicker ge-wesen zu sein. Dennoch waren ihre Oberschenkelkno-chen noch länger als die Schienbeine, ein Hinweis auf die Fähigkeit schnell laufen zu können. Der Hals der Tiere war relativ lang gezogen. Ihr Gebiss enthielt vie-le gleichartige bla�förmige und messerscharfe Zähne, Reißzähne fehlten dagegen. Das breite Becken der Tie-re bot möglicherweise Platz für einen großen Magen bzw. einen langen Darm.
»Mit Falcarius haben wir einen fossilen Beweis für die Ernährungsumstellung von Sauriern vom Fleisch- zum Pflanzenfresser«, beschrieb ein Biologe die Bedeutung der neu entdeckten Fossilien.
[Abb. nach h�p://pharyngula.org/index/weblog/comments/falcarius_utahensis/]
1. Ordne die im Text genannten Baumerkmale von Falcarius in die nachfolgende Tabelle ein.
Lösungsbeispiel
Anpassung an Fleischnahrung Anpassung an pflanzliche Nahrung
• lange gebogene und scharfe Krallen
• Verhältnis von Oberschenkelknochen und Schiene → relativ schnelles Laufen
• gleichartige bla�förmige Zähne• Fehlen von Reißzähnen• kleinere und dickere Hintergliedmaßen als bei den ausschließlich
Fleisch fressenden Vorfahren• breites Becken → großer Magen, langer Darm• langer Hals → Erreichen von Blä�ern
2. Einige Tiere unter den Vorfahren von Falcarius hat-ten zufällig einen längeren Darm.a) Wie hat sich dies vermutlich auf die mögliche Er-
nährungsweise dieser Tiere ausgewirkt? Wie kam es dazu, dass nach einer längeren Zeit
eine ganze Gruppe von Tieren mit längeren Där-men entstand?
Organismisch-physiologische Ebene: Kompetenz-niveau I.1: … ordnen vorgegebene Merkmale oder Prozesse vorgegebenen Funktionen zu und beziehen diese Merkmale auf die Lebensweise (Angepasst- heit).
Ebene der Anpassungsprozesse, Kompetenzniveau II.2: … leiten größere Überlebens- und Fortpflan-zungschancen aus dem Grad der Angepasstheit an be-stimmte Lebensbedingungen ab (Selektion).3. Falcarius lebte in der frühen Kreidezeit vor ca. 125
Mio. Jahren, zu einer Zeit also, als die Blütenpflan-zen sich stark verbreiteten. Entscheide, welche der
17 Es kann hier nur eine Aufgabe wiedergegeben werden, weitere finden sich in U. KATTMANN, A. JANSSEN-BARTELS, M. MÜLLER: Warum gibt es Säugetiere? Kompetenzentwicklung in der Naturgeschichte. Unterricht Biologie, 24 (2005) 307/8, S. 18–23 und in U. KATTMANN, A. JANSSEN-BARTELS, M. MÜLLER: Die Entstehung von Giraffe und Okapi. Unter-richt Biologie, 24 (2005) 310, S. 12–17.
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XIII
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ein verbessertes Nahrungsangebot für Tiere, die pflanzliche Nahrung verwerten konnten.
b. Die Aufnahme pflanzlicher Nahrung führte bei einigen Sauriern zu entsprechenden Anpassun-gen an die neue Nahrung.
c. Zwischen beiden Ereignissen ist kein Zusam-menhang zu vermuten.
Ebene der Anpassungsprozesse, Kompetenzniveau II.2: s. oben4. Die Hintergliedmaßen von Falcarius sind kleiner
und dicker als die seiner Vorfahren. Entscheide, welche der folgenden Aussagen die Entstehung dieser Veränderung am besten erklärt. Begründe deine Entscheidung.a. Eine Ursache der Veränderung sind Modifikatio-
nen.b. Eine Ursache der Veränderung sind Mutationen.c. Aufrecht stehen bei relativ hohem Körperge-
wicht führte zu einer Stauchung der Knochen. Diese Veränderung wurde an die Nachkommen vererbt.
d. Die Tiere haben sich an veränderte Lebensbedin-gungen angepasst.
Ebene der Anpassungsprozesse, Kompetenzniveau II.1: … führen das Au�reten neuer oder das Vorhan-densein unterschiedlicher Varianten auf genetische Ursachen zurück (Mutation und Rekombination).5. Formuliere eine fiktive Diskussion zwischen La-
marck und Darwin zu den Ursachen der beschrie-benen Umstellung der Ernährung bei einigen Sau-riern.
Ebene der Anpassungsprozesse, Kompetenzniveau II.2 (s. oben).6. Begründe, warum Biologen aus fossilen Skele�tei-
len auf die Ernährungsweise eines Tieres schließen können.
organismisch-physiologische Ebene, Kompetenzni-veau II, 2: … leiten Funktionen aus Merkmalen ab und interpretieren diese Zusammenhänge als Beispiele für Angepasstheit.
Ebene der Anpassungsprozesse, Kompetenzniveau III, 2: … treffen eine Voraussage über die erwartete Häufigkeit der Varianten bei gegebenen Lebensbedin-gungen.
3 Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Wissenscha�smethodische Kompetenzen gehören zum Kern der naturwissenscha�lichen Bildung. Sie werden in der Sekundarstufe I als fachgemäße Denk-
und Arbeitsweisen, in der Sekundarstufe II als Wis-senscha�spropädeutik im Unterricht vermi�elt. In den Bildungsstandards der KMK sind sie als Kompe-tenzbereich Erkenntnisgewinnung beschrieben. Die Grund legende naturwissenscha�liche Methode ha-ben die Fächer Biologie, Chemie und Physik gemein-sam18. Neben den Gemeinsamkeiten der Erkenntnis-gewinnung der Naturwissenscha�en hat die Biologie jedoch bestimmte, ihrem Gegenstand entsprechend, eigene Ausprägungen von Erkenntnismethoden ent-worfen, wie z. B. mikroskopische Untersuchungen, Genanalyse und Verhaltensbeobachtung. Diese Me-thoden zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie der hohen Komplexität sowie dem Umstand, dass es sich um lebende Systeme handelt, Rechnung tra-gen. Dies bedeutet, dass diese nur bedingt einer expe-rimentellen Veränderung unterzogen werden können. Im Biologieunterricht bietet sich damit die besondere Gelegenheit, die Grenzen der naturwissenscha�lichen Methode in ihrer Anwendung auf Lebewesen zu er-arbeiten, und zwar in wissenscha�spropädeutischer und ethischer Hinsicht.Wie zum Kompetenzbereich »Basiswissen« existiert auch zum Kompetenzbereich »Erkenntnisgewinnung« eine Vielfalt von Ansätzen und Ausformungen. Diese deutet sich bereits in den Oberbegriffen an: Modi der Welterschließung19, Denk – und Arbeitsweisen, Er-kenntnis-gewinnung, Methoden. Auch hier zeigt sich trotz aller Differenzierungen eine hohe Einheitlichkeit. Zu beachten ist allerdings, dass einige Ansätze primär den Weg (welchen auch immer) der wissenscha�lichen Erkenntnis beschreiben, die anderen dagegen eher die – vom Unterrichtsskript unabhängigen – Kompeten-zen fokussieren. Im Sinne der Kompetenzorientierung ist sicher Letzteren der Vorzug zu geben.
Die in den Bildungsstandards formulierten Kompeten-zen der Erkenntnisgewinnung können zu drei basalen Kompetenzen der Wissenscha�smethodik im Biolo-gieunterricht zusammengefasst werden (Abb. 3)20.
Entsprechend dem komplexen und mehrdimensi-onalen Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung lassen sich unterschiedliche Kriterien für eine Diffe-renzierung in Kompetenzniveaus angeben (Tab. 4) [Arbeitsgruppe III]. So müssen manuelle Fertigkeiten beim Mikroskopieren anders differenziert werden als das Verständnis kriteriengeleiteten Vergleichens und wiederum anders als der Umgang mit Theorien und Modellen. Die aufgelisteten Kriterien werden hier als heuristisches Instrument verstanden, das seinen theo-retischen Wert in der fachdidaktischen Forschung, seine Praktikabilität in der Unterrichtspraxis erweisen muss und letztendlich der Weiterentwicklung bedarf.
18 vgl. Anm. 119 Dieser an H. BLUMENBERG angelehnte Begriff wurde (wie auch der
Begriff der Denk- und Arbeitsweisen) erstmalig auf die naturwissen-scha�liche Erkenntnisgewinnung bezogen in: Lernen und Können im naturwissenscha�lichen Unterricht. Denkanstöße und Empfehlungen zur Entwicklung von Bildungs-Standards in den naturwissenscha�li-chen Fächern Biologie, Chemie und Physik (Sekundarbereich I). MNU 56/5, 2003, Beihe�er
20 MAYER/BRÜMMER/TEICHERT (2005): Manuskript
XIV
Aufgabe22: Kompetenz Experimentieren/Differenzierung nach Offenheit – Sachlogisches Vorgehen
Anmerkung: Au�räge 1–4 werden nicht alle sofort, son-dern erst sukzessive nach der Bearbeitung der vorgehenden Teilaufgabe ausgegeben.
In einem Versuch (A) wurde die Kohlenstoffdioxid-Abgabe der Haut eines Menschen gemessen. Dabei wurde festgestellt, dass der Handrücken einer jungen Frau (100 cm²) bei Raumtemperatur 1,2 ml Kohlen-stoffdioxid in einer Stunde abgibt.
1. Überlege, welche Faktoren die Kohlenstoffdioxid-Abgabe beeinflussen könnten. Formuliere dazu deine Hypothesen.
2. Wähle eine deiner Hypothesen aus. Plane für diese Hypothese einen Versuch B, der dir als Ergänzung zum Versuch A hil�, deine Hypothese zu unter-mauern oder zu widerlegen.
Anmerkung: Schüler ohne Hypothese erhalten zusätzlich die Infokarte 1a. Bei der Untersuchung der Hypothesen auf den Infokarten 1e–k wird das Experiment komplexer, weil die Kontrolle bei der Planung berücksichtigt werden muss.
Infokarte 1a: Hypothese: Das Geschlecht beeinflusst die Kohlenstoffdioxid-Abgabe der Haut.
Abb. 3. Ebenen der Wissenscha�smethodik
Material für den Lehrer zur Erstellung von Infokarten 1b – k
Variablen Lehrerinfo
das Alter (b) alt < jung
die Hautstelle (c, spezieller siehe h) sonst < Hand, Fußsohle, Stirn, Wange
die Temperatur (d) niedrig < hoch
die Jahreszeit € wohl kein Einfluss
das Licht (f) wohl keinen Einfluss
der Partialdruck PCO2 (g) CO2-Gehalt der Lu� über 9 % (PCO2 = 71–74) führt zu CO2-Aufnahme der Haut
die Anzahl der Schweißdrüsen auf der Haut(h, allgemeiner siehe c) die Gesundheit der Haut(z. B. Schuppenflechte, Verbrennungen) (i)
Unklar
die Lu�feuchtigkeit (k)
Anmerkung: Nach der Planung bekommen die Schüler In-fokarte 2 (bzw. analoge Infokarten b–k).
Infokarte 2a: Es wird die Hypothese aufgestellt, das Geschlecht beeinflusse die Kohlenstoffdioxid-Abgabe der Haut. Zusätzlich zu dem Versuch A wird Versuch B durchgeführt und liefert folgendes Ergebnis.
Versuch Hautstelle Alter Geschlecht Temperatur Ergebnis
A Handrücken jung Frau Raumtemperatur 1,2 ml CO2/100 cm² h
B Handrücken jung Mann Raumtemperatur 0,9 ml CO2/100 cm² h
22 Auch hier ist nur Platz für eine Aufgabe; weitere Aufgabenbeispiele sind bei Jürgen Mayer zu erhalten.
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XVI
3. Beschreibe die Versuchsdurchführung des Versuchs B und begründe, welchen Schluss das Experiment zulässt.
Anmerkung: Infokarten 1b-d müssen dem Schüler zusätz-lich gegeben werden.
Infokarte 3: Das Experiment zeigt, dass die Haut der Hand des jungen Mannes bei Raumtempe-ratur weni-ger Kohlenstoffdioxid abgibt als die Haut der jungen Frau. Solange sich das Ergebnis dieses Experiment immer wiederholt, auch beim Vergleich beider Ge-schlechter an anderen Hautstellen, bei jungen und al-ten Männern und Frauen und bei verschiedenen Tem-peraturen bei beiden Geschlechtern, kann behauptet werden, dass die Haut des Mannes weniger Kohlen-stoffdioxid abgibt als die Haut der Frau.
4. Beschreibe die Schri�e beim Experimentieren.
Erwartungshorizont O1 O2 O3 O4
1. wenigstens eine Hypothese, einen Versuchsvorschlag auf der Grundlage seiner eigenen Hypothese (Au�rag 2) und kann anhand einer Infokarte (analog Infokarte 2, Lehrerinformationen nutzen) einen angemessenen Schluss ziehen.
X
2. sachgerechte Planung der eigenen Versuche mit Konstanthaltung aller weiteren Variablen, bei 1e–k zusätzlich Kontrollversuch.
X
3. Aus den Ergebnissen ableiten, dass die Haut des Mannes weniger Kohlenstoffdioxid abgibt als die der Frau.
X
4. sachrichtiges Beschreiben der Schri�e Frage – Hypothese – Durchführung – Ergebnis – Schluss
X
Erwartungshorizont SV1 SV2 SV3 SV4
1. wenigstens eine Hypothese der Infokarten 1a–1k oder Bezugsgröße Zeit (z. B. halbe Stunde messen) oder Bezugsgröße Hautfläche (z. B. 50 cm²) variiert
X
2. wenigstens ein Hypothese der Infokarten 1a–1d, zuzüglich wenigstens eine Hypothese der Infokarten 1e–1k
X
3. nicht alle Hypothesen der Infokarten 1a–1d
X
4. die Hypothesen der Infokarten 1a–1d
X
Aufgabe: Nachweis von GasenKompetenz chemische Nachweismethoden durchführen Differenzierung nach Methodenverständnis und Selbstständigkeit
Problemstellung:In einem Standzylinder befinden sich gequollene Boh-nensamen. Der Zylinder wird einen Tag im Dunkeln stehen gelassen.Hypothese: Im Glas ist Sauerstoff oder Kohlenstoffdi-oxid entstanden.
Aufgabe 1: Schlage ein Verfahren vor, um das Gas im Zylinder zu identifizieren!F1 Arbeitstechnik kennen • Schüler kann die Glimmspanprobe beschreiben. • Er kennt den Unterschied: Sauerstoff: Glimmspan
flammt auf vs. Kohlenstoffdioxid: brennender Span erlischt.
F2 Arbeitstechnik begründet auswählen • Der Schüler wählt die Glimmspanprobe als geeig-
nete Methode zur Überprüfung der Hypothese aus.
F3 Arbeitstechnik variieren • Der Schüler kann weitere Methoden beschreiben,
um die Anwesenheit von Sauerstoff oder Kohlen-stoffdioxid zu überprüfen.
Aufgabe 2: Führe das Experiment durch!MF1 Der Schüler kann das Experiment nach einer be-
bilderten Arbeitsanleitung oder nach einem De-monstrationsexperiment des Lehrers durchfüh-ren.
MF2 Der Schüler kann das Experiment selbstständig durchführen.
MF3 hier nicht möglich, da Experiment zu einfach (keine Reihenfolge zu beachten, die man falsch machen könnte)
Für diese Kompetenzstufe müsste man ein komplexe-res Experiment auswählen, z. B. Nachweis von Stärke im Bla�, weil dort die Reihenfolge zu beachten ist.
4 Zum theoretischen Hintergrund von Standards, Kompetenz(modellen) und Niveau-konkretisierungen
Bildungsstandards zielen auf »die bei Individuen verfüg-baren oder von ihnen erlernbaren kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, bestimmte Probleme zu lösen, sowie die damit verbundenen motivationalen, volitionalen und sozia-len Bereitscha�en und Fähigkeiten, die Problemlösungen in variablen Situationen erfolgreich und verantwortungsvoll nutzen zu können«23 Diese Kompetenz-Definition wird
23 F. E. WEINERT: Vergleichende Leistungsmessung in Schulen – eine um-stri�ene Selbstverständlichkeit. In F. E. WEINERT (Hrsg.). Leistungsmes-sung in Schulen. – Basel (2001) S. 17–31
XVII
seit der Diskussion um Kompetenzen und Standards in allen deutschen Veröffentlichungen (so auch in den KMK-Bildungsstandards) verwendet, obwohl sie noch nirgendwo angemessen und vollständig umgesetzt wurde. Eine solche allgemeine Problemlösungskomp-etenz entzieht sich wie andere allgemeine Kompeten-zen (z. B. Methoden-, Personal- und Sozialkompetenz) der Forderung nach definierter Validität. Vielmehr be-dingt deren Allgemeinheit, das haben Forschung und Praxis gezeigt, eine präambelha�e Unverbindlichkeit und damit Wirkungslosigkeit.
Nur eine Konkretisierung wie z. B. die folgende kann erreichen, dass Kompetenzen und Standards von der Basis, den Schulen und den Lehrkrä�en, angenom-men werden: »Kompetenzen sind einer Person zugeschrie-bene Fähigkeiten, die in Form von erfüllbaren Standards beschrieben werden und damit evaluierbar sind. Um dies zu erreichen, sind Dimensionen und Tätigkeitsoperatoren im Kerncurriculum anzugeben.« – graphisch in Form einer Matrix dargestellt:
Die bildungstheoretischen Leitideen fließen in Kom-petenzbereiche ein: Die Welt kennen, sich erschließen, kommunizieren und bewerten können sind die vier Kompetenzbereiche der KMK-Standards. Die Bereiche müssen in einzelne erwünschte Kompetenzen diffe-renziert, in ihren Dimensionen analysiert, in Form von Standards bezogen auf ein Kerncurriculum operatio-nalisiert und Niveaus zugeordnet werden. Kompeten-zen müssen sich als Leistungen in konkreten Anfor-derungen zeigen24, nur dann sind sie mit geeigneten Aufgaben zu evaluieren. Es steht also das tatsächliche Können der Lernenden im Fokus. Die Lehrkra� will wissen, welchen Erkenntnisfortschri� die Schülerin-nen und Schüler tatsächlich im Unterricht erworben haben: Das Können erkennen!
Kompetenzmodell und Niveaukonkretisierung25
»Kompetenzentwicklungsmodelle besitzen dabei eine Schlüsselrolle. Sie helfen, die unterrichtlichen Förderung von Kompetenzen über Jahrgangsstufen hinweg derart zu planen, dass bestehende Kompetenzniveaus aufgegriffen und systematisch weiter entwickelt werden können (kumu-
Abb. 4. Von bildungstheoretischen Leitideen zur Evaluation der geforderten Kompetenzen
lative Förderung von Kompetenzen). Zudem bieten Kom-petenzentwicklungsmodelle durch ihre konkreten Hinweise auf Möglichkeiten der Operationalisierung von Kompetenz-niveaus Orientierung hinsichtlich des Rückmeldens und Prüfens von Kompetenzzuwachs.«26
Derartige Kompetenzmodelle werden also in erster Linie als Beschreibungen der Kompetenzen und Ni-veaus verstanden. Je konkreter diese ausfallen, desto genauer können die unterrichtliche Förderung und das Erreichen von bestimmten Niveaus in Aufgaben überprü� werden.Dagegen unterliegen Test an großen Populationen, die sog. Vergleichsarbeiten, wie sie z. B. das IQB27 plant, statistischen Gütekriterien (Raschmodell), sodass die Aufgaben weniger konkret an den Unterricht ange-bunden sein werden. Zudem sollen beim IQB Aufga-ben kreiert werden, die »sich post hoc in einem Kompe-tenzmodell verorten«28 lassen. Dieses Verfahren wurde bereits bei PISA gewählt: Kompetenzstufen wurden im Nachhinein anhand der Beantwortung der Aufga-ben durch die Testklientel festgelegt. Dabei wurde die
24 E. KLIEME et al. Zur Entwicklung nationaler Bildungsstandards – Eine Expertise. Berlin (2003)
25 Der Begriff »Niveaukonkretisierung« stammt aus den Bildungsstan-dards des Landes Baden-Wür�emberg
26 M. HAMMANN: Kompetenzentwicklungsmodelle. Merkmale und ihre Bedeutung – dargestellt anhand von Kompetenzen beim Experimentie-ren. MNU 57 (2004) Nr. 4, 196–203.
27 Institut für Qualitätsentwicklung im Bildungswesen, das allerdings erst in einigen Jahren damit beginnen kann, Aufgaben und Tests für die drei Naturwissenscha�en zu entwickeln (so der Leiter, O. KÖLLER, am 7.3.2005, nicht gehaltener Vortrag in Bielefeld).
28 vgl. Anm. 26
XVIII
Skala mit der Stufeneinteilung nach Bybee29 analogi-siert, nach der die Alltagsvorstellungen zunehmend durch naturwissenscha�liches Verständnis ergänzt werden30.
Dieses Vorgehen offenbart das zentrale Problem bei der Aufstellung von Kompetenzmodellen mit einem Dilemma und bestimmten Konsequenzen:• Es existieren kaum empirische Ergebnisse (außer
Hammann [26]), wie sich Kompetenzen entwickeln bzw. welche Leistungen Menschen mit welchen Kompetenzen vollbringen können. So ist zwar die alte Unterteilung von Piaget31 in konkret- bzw. abs-trakt-operationales Denken immer noch anerkannt; es hat sich aber gezeigt, dass Kinder bei entspre-chender Förderung und auf der Grundlage gefes-tigten inhaltlichen Wissens sehr viel früher zur Ab-straktion befähigt sind.
1. Deshalb sollte man vorerst sehr behutsam im Hin-blick auf Entwicklungsmodelle vorgehen.
2. Andererseits kann aus den oben genannten Grün-den auf Kompetenzmodelle als Hilfen für die kon-krete Arbeit in den Schulen nicht verzichtet wer-den.
3. Insofern sind die in den beiden Kompetenzberei-chen Wissen und Erkenntnisgewinnung analytisch gewonnenen Dimensionen (s. o.) und die nun fol-genden Niveaueinteilungen vorerst hypothetisch. Allerdings werden sie getragen durch den Sachver-stand und die vieljährige Praxiserfahrung der Ex-perten.
4. Zudem sollten sie – wenn schon kaum evidenzba-siert – theoriegeleitet sein.
5. Die Akzeptanz derartiger Modelle in der Praxis wird dadurch bestimmt, ob die Lehrkrä�e die bis-herigen Anforderungsbereiche mehr oder weniger wiederfinden.
6. Die oben vorgeschlagenen und abzustimmenden hypothetischen Niveaueinteilungen werden aber heuristische Wirkung in der schulischen Praxis und in der fachdidaktischen Forschung entfalten. Dabei werden sie selbst einer andauernden Revision und Entwicklung unterliegen.
Abb. 5. Niveauschema der Dimensionen horizontal
5 Ausblick
Das ehrgeizige Ziel der Bildungspolitik, mit Hilfe von Kompetenz-orientierten Standards die Qualitätsent-wicklung von Schule und (naturwissenscha�lichem) Unterricht im Hinblick auf eine international zu ver-bessernde Leistungsfähigkeit des Bildungssystems zu fördern und gleichzeitig die bundesweite Vergleich-barkeit und Anschlussfähigkeit schulischer Abschlüs-se in den Bundesländern zu erhöhen, erfordert ge-waltige Anstrengungen von allen Beteiligten. Mit den Bildungsstandards ist ein Fundament gelegt, auf dem das »neue Haus« errichtet werden kann. Die tragen-den Balken aus den Bildungsstandards für das Fach Biologie auszurichten, sie miteinander zu verknüpfen und ihre charakteristische Struktur herauszuschälen und zu feilen – diese Aufgabe hat die MNU-Arbeits-tagung erfolgreich bewältigt und veröffentlicht ihre Ergebnisse in diesen Empfehlungen.
Es hat sich gezeigt, dass der Prozess des »Herunter-brechens« der Bildungsstandards sehr anspruchs-voll und zeitaufwändig ist. Auch wenn wir meinen, mit diesen Empfehlungen eine gute Vorarbeit geleistet zu haben, kommt auf die Standard-Kommissionen in den Bundesländern und den einzelnen Fachgruppen in den Schulen immer noch eine gewaltige Arbeit zu. Deshalb fordern wir die Kultus-ministerien dringend auf, den mit dieser Aufgabe beau�ragten Arbeitsgruppen und Lehrkrä�en ausreichend Zeit, Muße und Hilfen zu bieten. Diese Arbeit kann nicht im Nebengeschä� erle-digt werden! Die Kompetenz des Fördervereins MNU bieten wir auch den einzelnen Bundesländern an.
Es ist zu fragen, inwieweit die Lehrkrä�e auf die kon-krete Umsetzung der Bildungsstandards vorbereitet sind. Oder noch deutlicher: Reicht die bisherige Leh-rerbildung in allen drei Phasen aus, den hohen An-spruch der Bildungsstandards zu gewährleisten und die Wendung hin zum Lernen und Können für die Schülerinnen und Schüler Gewinn bringend zu be-werkstelligen?
Für die Fachdidaktik öffnet sich ein breites Forschungs-feld. In allen Kompetenzbereichen sind die Dimensio-nen der jeweiligen Kompetenzen auf der Grundlage dieses ersten Vorschlags zu erforschen. Weiterhin sind die bislang heuristischen Kompetenzmodelle auf ihre Anwendbarkeit zu überprüfen, um daraus empirisch gesicherte Kompetenzentwicklungsmodelle zu erstel-len.
29 vgl. Anm. 530 Dieses Vorgehen wird kritisiert, da es u. a. das Verhältnis von Alltags-
vorstellungen und wissenscha�lichen Vorstellungen nicht angemes-sen berücksichtigt, vgl. U. KATTMANN: Vom Bla� zum Planeten. Scientific Literacy und kumulatives Lernen im Biologieunterricht und darüber hinaus. In B. MOSCHNER et al. (Hrsg.): PISA 2000 als Herausforderung. Baltmannsweiler (2003).
31 W. GRÄBER, H. STORCK: Die Entwicklungspsychologie Jean Piagets als Mahnerin und Helferin des Lehrers im naturwissenscha�lichen Unter-richt. MNU 37/4, S. 193–201; MNU 37/5, S. 257–269, 1984
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Teilnehmerinnen und Teilnehmer
OStD ARNOLD A CAMPO, Hagen (Tagungsleitung)StR´ Dr. BARBARA BEETZ, Halle/Saale (Vertreterin Sachsen-Anhalt) [Arbeitsgruppe I]StD Dr. HORST BICKEL, Düsseldorf (Vertreter Nordrhein-Westfalen) [Arbeitsgruppe III]StD´ GABRIELE BÖCK, Murrhardt (Vertreterin Baden-Wür�emberg) [Arbeitsgruppe III]StD´ GABRIELE BORLINGHAUS, Speyer [Arbeitsgruppe I]StD THOMAS FREIMAN, Bayreuth [Leitung Arbeitsgruppe I]StD Dr. PETER GILBERT, Karlsruhe [Leitung Arbeitsgruppe I]MR´ HEIKE GÖTTE, Düsseldorf (Vertreterin Nordrhein-Westfalen) [Arbeitsgruppe III]Fachleiterin ELKE HILBIG, Eisenach (Vertreterin Thüringen) [Arbeitsgruppe I]StD HERBERT JELINEK, Hamburg (Vertreter Hamburg) [Arbeitsgruppe III]Prof. Dr. ULRICH KATTMANN, Universität Oldenburg [Leitung Arbeitsgruppe II]Prof. Dr. DIRK KRÜGER, FU Berlin [Leitung Arbeitsgruppe III]StD JÜRGEN LANGLET, Lüneburg (Tagungsleitung)Prof. Dr. JÜRGEN MAYER, Universität Gießen [Leitung Arbeitsgruppe III]MARLIES MÜLLER, Rostock (Vertreterin Mecklenburg-Vorpommern) [Arbeitsgruppe III]
Prof. Dr. PATRICIA NEVERS, Universität Hamburg [Arbeitsgruppe II]StD Dr. WOLFGANG PHILIPP, Esslingen (Vertreter Physik) [Arbeitsgruppe I]RL REINHOLD REHBACH, Vaterste�en (Vertreter Bayern) [Arbeitsgruppe I]StR BERND REICHLING, Berlin (Vertreter Berlin) [Arbeitsgruppe II]OStD´ Dr. RENATE RICHTER, Ganderkesee (Vorsitzende der EPA-Kommission Biologie)StR WOLFGANG RUPPERT, Universität Frankfurt/Main [Leitung Gruppe II]StD Dr. PETER SABEL, Westerburg (Vertreter Rheinland-Pfalz) [Arbeitsgruppe I]Prof. Dr. GERHARD SCHAEFER, Asendorf (Vertreter GDNÄ-Bildungskommission) [Arbeitsgruppe I]Dir. e. GS. CHRISTA SCHILHABEL-TIMPE, Frankfurt/Main (Vertreterin Hessen) [Arbeitsgruppe I]StD RUDOLF SCHMIDT, Trier (Vertreter Chemie) [Arbeitsgruppe I]KATHRIN SCHOLZ, Radebeul (Vertreterin Sachsen) [Arbeitsgruppe I]OStR´ ELISABETH STÖCKL, München [Arbeitsgruppe III]StD JÜRGEN WEILER, Dreieich (Vertreter Hessen) [Arbeitsgruppe I]StR´ UTE WIELIGMANN, Leer (Vertreterin Niedersachsen) [Arbeitsgruppe I]Fachbetreuer VOLKER WOLFF, Halberstadt [Arbeitsgruppe II]
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