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Zusammenfassung (Englisch)

In Germany, an increasing demand for qualified natural scientists could be observed in the last few years. This demand cannot be covered by the number of graduates in the fields of science and technology. The students’ decreasing interest in scientific subjects can already be recorded during their schooldays. Moreover, international comparative studies, such as PISA and TIMSS, report a need for improvement concerning the scientific literacy of German students. Science education that is often rarely practical and that only has low references to everyday life, is deemed as the main reason for this. School laboratories such as the BeLL Bio (Bergisches Lehr-Lernlabor) at the University of Wuppertal seek to counter this trend by offering experiment-based courses that are authentical and have a close proximity to research. Therefore, within the scope of this research study, bioscientific questions, methods and solution strategies were tested and optimized for use in the experimentbased courses of the BeLL Bio. Amongst other things, different human hypervariable DNA-regions were tested for their suitability for use in the school laboratory. These chromosomal gene sequences can, for example, be used to identify suspects in forensics. Moreover, alternatives were examined to substitute ethidium bromide that is often used in molecular biological laboratories, by a substance that is not carcinogenic. Technical procedures of the experiments could be developed further and be established as methods with a close proximity to research for the school laboratory.

The technically optimized courses “Genetic Fingerprinting”, “Out of Breath” and “A close look at Protozoa” that evolved from this were then evaluated concerning their affective and cognitive efficiency. In the scope of a main study covering 631 students from the upper secondary level, a significant growth in knowledge, a short rise in students’ self concepts concerning their biological capacity and a high authenticity of the laboratory courses could be proofed for all the courses. Moreover, it was possible to compile and evaluate a model of the causal connections between the affective influences at the learning location BeLL Bio. Within the scope of the main study, a theory based and economic questionnaire was developed to analyze the experiment-related perceived selfefficacy (FSWEx). In an ancillary study of 45 students from the upper secondary level, the FSWEx was applied and it could be observed that already a one-time visit to the school laboratory has got the potential to raise the subjective valuation of one’s own practical capacity for experimentation. Moreover, it was possible, within the scope of a study involving 45 biology teachers, to identify clear differences in the perceived self-efficacy between teachers feeling confident concerning practical laboratory work and those that do not feel confident. The present study does not only make a significant contribution to the research into effects at the extra-curricular learning location ‚students‘ laboratory‘, but also to the bioscientific optimization of experiments for courses in school laboratories.

Zusammenfassung (Deutsch)

In den letzten Jahren kann in Deutschland ein steigender Bedarf an qualifizierten Naturwissenschaftlern beobachtet werden. Dieser kann durch die Absolventenquoten in den naturwissenschaftlich-technischen Studiengängen nicht gedeckt werden. Bereits in der Schule ist ein abnehmendes Interesse der Schülerinnen und Schüler (SuS) an naturwissenschaftlichen Fächern zu beobachten und internationale Vergleichsstudien wie PISA und TIMSS bescheinigen Schülerinnen und Schülern in Deutschland Optimierungsbedarf in der naturwissenschaftlichen Grundbildung. Als ursächlich dafür wird ein häufig wenig praktischer naturwissenschaftlicher Unterricht mit geringem Alltagsbezug gesehen. Schülerlabore wie das Bergische Lehr-Lernlabor Biologie (BeLL Bio) an der Bergischen Universität Wuppertal bemühen sich, diesem Trend durch forschungsnahe, authentische Experimentierkurse entgegenzuwirken. So wurden im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit biowissenschaftliche Fragestellungen, Methoden und Lösungsstrategien für den Einsatz in Laborkursen des BeLL Bio optimiert. Unter anderem wurden verschiedene humane, hypervariable DNA-Regionen auf ihre Eignung für den Einsatz im Schülerlabor getestet. Diese chromosomalen DNAAbschnitte werden beispielsweise zur Identifizierung von Tatverdächtigen in der forensischen Kriminalistik eingesetzt. Weiterhin wurden für die Verwendung im Schülerlabor Alternativen für das in molekularbiologischen Laboren gebräuchliche, cancerogene Ethidiumbromid untersucht. Technische Verfahrensabläufe beim Experimentieren konnten weiterentwickelt und als forschungsnahe Methoden im Schülerlabor etabliert werden. Die daraus entwickelten, fachlich optimierten Laborkurse „Genetischer Fingerabdruck“, „Außer Atem-Sportliche Enzyme“ und „Kleine Einzeller ganz groß“ wurden dann auf ihre affektive und kognitive Wirksamkeit hin evaluiert. Im Rahmen einer Hauptstudie an 631 an Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe konnte in allen Kursen ein bedeutsamer Lernzuwachs, eine kurzfristige Steigerung des biologischen Fähigkeitsselbstkonzeptes sowie eine hohe Authentizität des Kursangebotes festgestellt werden. Weiterhin gelang es, ein Modell der Kausalzusammenhänge der affektiven Einflüsse am Lernort BeLL Bio zu entwickeln und zu evaluieren. Im Rahmen der Hauptstudie wurde weiterhin ein theoriebasierter, ökonomischer Fragebogen zur Erfassung der experimentbezogenen Selbstwirksamkeitserwartung (FSWEx) entwickelt. In einer Nebenstudie an 45 Gymnasiasten wurde unter Einsatz des FSWEx festgestellt, dass bereits ein einmaliger Besuch im Schülerlabor das Potential besitzt, die subjektive Einschätzung der eigenen praktischen Experimentierfähigkeit zu steigern. Darüber hinaus gelang es, in einer Fragebogenerhebung an 45 Biologielehrerinnen und -lehrern, deutliche Unterschiede in der Selbstwirksamkeitserwartung von laborpraktisch sicheren und unsicheren Lehrpersonen zu identifizieren. Die vorliegende Studie leistet damit nicht nur einen wichtigen Beitrag zur Wirkungsforschung am außerschulischen Lernort Schülerlabor, sondern auch zur biowissenschaftlichen Optimierung von Experimenten in Schülerlaborkursen

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