Entwicklung von Aufgaben

1. Aufgabenstellung

Die Aufgaben für die schriftliche Abiturprüfung werden in manchen Bundesländern zentral erstellt, in anderen von der Schulaufsichtsbehörde aus zwei Vorschlägen des Fachlehrers ausgewählt. Die beiden Beispiele wurden von mir für Leistungskurse entwickelt und schon mehrmals gestellt. Bei früheren Varianten zeigten sich manchmal Verständnisschwierigkeiten, die einzelne Problemstellungen und Formulierungen betrafen. Einige Nachfragen waren berechtigt und führten zu Präzisierungen; so hat sich die Aufgabenstellung im Laufe der Zeit zu der vorliegenden Form entwickelt.
Aufgaben haben im Unterricht viele Funktionen [6], in diesem Fall steht die Bewertung im Vordergrund. Neben Basiswissen (Reproduktion) soll auch überprüft werden, ob das erworbene Wissen strukturiert ist und angewendet werden kann (Transfer, Probleme lösen). Konkret heißt das, ob der Prüfling in der Lage ist, Konzepte der Biologie anzuwenden, ein Thema mit Hilfe der Erschließungsfelder [1, 2] zu bearbeiten, zwischen den Organisationsebenen zu wechseln und Vorwissen zu überdenken und mit neuen Vorstellungen zu verbinden.
Damit die Aufgaben für alle, entsprechende Aufmerksamkeit im Unterricht und gründliche Prüfungsvorbereitungen vorausgesetzt, lösbar sind, muss das Gesamtproblem in Teilprobleme, die einen Lösungsweg vorgeben, unterteilt werden. Struktur der Aufgabe und Informationen des Textes sollen mit Vorwissen assoziiert und verzahnt werden und zur Lösung führen. Dabei muss man sich vor den beiden Extremen hüten: Trivialisierung durch suggestive Fragen und zu hohen Anforderungen durch zu große Denkschritte. Es gilt, einen guten Mittelweg zwischen einem gewissen Anspruch und guter Lösbarkeit mit Hilfe geeigneter Vorgaben und Hinweise zu finden. Einen Vorteil haben, verglichen mit späteren Situationen, die Schülerinnen und Schüler jetzt bei dem problemlösenden Anteil - sie können sicher sein, dass sie die nötigen Grundlagen im Unterricht erarbeitet haben.
Die Fingerzeige sollen als externer Stimulus helfen, die Fragestellung leichter mit einer bestimmten gespeicherten Information zu assoziieren. Manche Ansatzpunkte für Hilfen erschließen sich direkt, andere müssen durch "Versuch und Irrtum" auf dem Konzeptpapier erarbeitet werden. D.h. die Prüflinge müssen es gewöhnt sein, nicht sofort auf eine vollständige Lösung zu kommen, sondern eine gewisse Spannung auszuhalten und das Ergebnis zu erarbeiten.
Die Teilaufgaben sollten so entwickelt sein, dass es mit einer leichteren, reproduktiven Fragestellung beginnt und der Anspruch dann steigt. Diese Anordnung kommt dem Prüfling entgegen; er kann ohne Schwierigkeiten beginnen und die Nervosität legt sich, wenn schon etwas zu Papier gebracht wurde. Die Teilaufgaben haben natürlich einen inneren Zusammenhang; man sollte aber darauf achten, dass sie in der Regel auch isoliert lösbar sind. Das soll verhindern, dass Schwierigkeiten bei einem Teilschritt dazu führen, dass der ganze Rest der Aufgabe nicht mehr bearbeitet werden kann. Aus diesem Grund sollten kursübergreifende Fragestellungen nur wohlüberlegt gestellt werden.
Nach der erfolgreichen Lösung soll der Gedankengang elegant, folgerichtig, in sich geschlossen hervortreten - das entspricht der "Probe" bei Mathematikaufgaben.
Es wäre wünschenswert, wenn die Aufgaben so konstruiert wären, dass etwas Zusätzliches gelernt wird [4].
Ist man im Zweifel, sollte man die Aufgeregtheit der Prüflinge und die besonderen Erwartungen an die Form bedenken und die leichtere Variante auswählen.
Die Aufgabenstellung sollte nicht zu lang sein; durch die graphische Gestaltung sollte erreicht werden, dass sie übersichtlich und gut lesbar ist. Die vorgegebene ansprechende Form soll zu einer Entsprechung bei der Bearbeitung führen.
Ob die Leistungsanforderungen ausgewogen sind, kann selbst bei genauer Kenntnis des Unterrichts nur annähernd beurteilt werden. Schülerinnen und Schüler folgen dem Unterricht nicht immer gleich motiviert, haben unterschiedliche Auffassungsgaben und sind im Mitschreiben noch Übende. Auch bei guter Zeitplanung ist es eine hohe Anforderung, die in den Prüfungsfächern angesammelte Stofffülle durchzuarbeiten. Man sollte also beachten, dass die erwarteten Leistungen nicht nur von dem idealen, sondern von der Mehrzahl der Prüflinge erbracht werden können.
Dabei sollte man zusätzlich bedenken, dass man als Lehrer, der sich im Laufe der Aufgabenentwicklung so intensiv mit dem Problem und seinem Umfeld beschäftigt hat, am Ende den Anforderungsgrad und die Schwierigkeiten, die bei der Bearbeitung auftreten können, gar nicht mehr richtig abschätzen kann.

2. Entwicklung der Aufgabe "Ableitung von Aktionspotentialen beim Regenwurm"

Die Aufgabenstellung kann direkt über den Browser als Arbeitsblatt ausgedruckt werden.

Das folgende strukturierte Basiswissen ist in der Regel Inhalt eines Kurses zur Neuro- oder Verhaltensphysiologie: Morphologie einer Nervenzelle (Dendriten, Soma, Axonhügel, Axon, Synapsen), Messanordnung für Membranpotentiale (Reizgerät, Oszilloskop, Reiz-, Mess-elektroden), Ionenverteilung an der Nervenzelle (Konzentrationen außen / innen, Ruhepotential), Reiz - Erregung (Ionenströme beim Zustandekommen eines "normalen" Aktionspotentials), Erregungsweiterleitung, Refraktärzeit. Dieses Stoffgebiet sollen die Lernenden beherrschen, aus ihm soll eine Aufgabe entwickelt werden.
Zu dem Themengebiet "Aktionspotential" gibt es eine Fülle kurzer Einzelaufgaben (Interpretation der veränderten Versuchsergebnisse nach Abkühlung, Giftwirkung oder abgewandelter Ionenkonzentration, ...), die die oben aufgeführten Anforderungen nicht erfüllen. Aus dem gleichen Grund verbietet es sich auch, viele kleine Aufgabenstellungen, die keinen inneren Zusammenhang haben, aneinander zu reihen. Gesucht ist also ein komplexeres Untersuchungsergebnis der Fachwissenschaft, aus dem eine Problemstellung entwickelt werden kann.
In der Praxis wird man dazu Literatur oder eine / seine Datenbank nach geeigneten Versuchsergebnissen (möglichst mit einer graphischen Darstellung) durchsehen. Ein in der Form abweichendes Aktionspotential bietet eine tragfähige Grundlage für eine umfassendere Fragestellung. Eine andere Kinetik erhält man bei einem anderen Zelltyp (Herz- oder Muskelzelle, Pflanzenzelle) oder einer anderen Messanordnung (beide Elektroden außen). Es wird die zweite Möglichkeit, das biphasische Aktionspotential, ausgewählt.
Dabei werden wenige Erschließungsfelder (Information, Strukturen, Ebenen, Zeit, Energie, Stoffe) und auch nur drei Komplexitätsebenen (Zelle, Membran, Moleküle) miteinander verbunden. Es wird aber erwartet, dass das vorhandene Wissen auf eine anspruchsvolle Art verknüpft und genutzt wird und dabei sowohl inhaltlich als auch versuchstechnisch etwas gelernt wird.
Die Interpretation des Kurvenverlaufs kann von einem durchschnittlichen Prüfling nicht ohne Hilfen geleistet werden. Die Hilfestellungen sollen einen gangbaren Lösungsweg vage andeuten, nicht aber plump vorgeben.
Die Anfertigung der Skizze (Teilaufgabe a) ist eine reproduktive Leistung mit einem geringen Transferanteil, der automatisch zu einem Hinweis führt. Es soll deutlich werden, dass sich beide Messelektroden außen befinden und dass der Abstand zwischen ihnen gering ist (sonst erhält man eine andere Kinetik). Diese für die Lösung von c wesentliche Tatsache könnte sonst leicht überlesen werden.

Die Lösung von b ist eine reproduktive Leistung. Hier kommt es auf Exaktheit und die genaue zeitliche Abfolge an. Formal handelt es sich um eine platte Reproduktion; im Aufgabenzusammenhang aber um einen nötigen Denkschritt zur Lösung des Gesamtproblems. In der Aufgabenstellung wird auf die "normale" Anordnung der Messelektroden hingewiesen.
Über diese beiden reproduktiven Teile a und b nähert man sich dem eigentlichen Problem. Neben der "Beruhigungsfunktion" und einer Ausgleichsfunktion für den schwierigen Teil haben die beiden ersten Aufgaben aber vor allem die Funktion, Hilfestellungen zu geben und gezielt Material für Assoziationen ins Gedächtnis zu rufen.
Die abgebildeten Potentiale widersprechen bekanntem Wissen, sie fügen sich nicht in die Schülervorstellungen ein. Der Prüfling muss nun schließen, dass die abweichende Kinetik auf die besondere Versuchsanordnung zurück geht. Da dieser Schritt in hohem Maße problemlösendes Denken und der nächste anspruchsvolle Transferleistungen verlangt, wurde in der Fragestellung Hilfen gegeben. Der Wurm soll mit dem Axon gleichgesetzt werden, d.h. das Axon liegt auf den Elektroden auf. Wenn der Prüfling die Ladungsumkehrung einträgt und sich in Gedanken die Erregungsfortleitung vorstellt, müsste er in der Lage sein, das biphasische Aktionspotential zu erklären. D.h. er muss bekanntes Wissen neu organisieren und strukturieren, um das neue Phänomen zu erklären. Die Lösung ist so einleuchtend, dass man von der Richtigkeit überzeugt sein kann.
Manchmal kann es sicher auch vorkommen, dass ein als Hilfe gedachter Hinweis die Prüflinge eher verwirrt als ihnen weiter hilft. Deshalb wurde bei Frage c nicht "hilfreich" nach dem Ausgangswert der Potentialmessungen gefragt. Für die Lösung ist es nicht unbedingt nötig, dass man weiß, dass es sich um die Nulllinie und nicht um das Ruhepotential handelt.
Bei der Lösung von d handelt es sich um eine Transferleistung. Wenn der Reizabstand einen bestimmten Wert unterschreitet, wird die (relative) Refraktärzeit unterschritten und auf den zweiten Reiz kann kein Aktionspotential ausgebildet werden. Ob auch noch mögliche Gründe (Vorgänge an den Ionenkanälen) angegeben werden können, hängt von dem vorangegangenen Unterricht ab.
Es wurde darauf geachtet, dass die Teilaufgaben weitgehend unabhängig von einander gelöst werden können; es ist allerdings sehr hilfreich, wenn die Reihenfolge eingehalten wird.
Da die Frage sich nur mit einem Kursthema beschäftigt, muss sie im Fall einer Abituraufgabe durch weitere Prüfungsaufgaben ergänzt werden. Dabei ergibt sich die Möglichkeit, den hohen problemlösenden Anteil dieser Frage durch eine Kombination mit einer leichteren auszugleichen.

3. Entwicklung der Aufgabe "Angepasstheit bei sukkulenten Pflanzen"

Die Aufgabenstellung kann direkt über den Browser als Arbeitsblatt ausgedruckt werden.

Zu der Lösung der Aufgabe benötigt man folgendes Grundwissen aus dem Kurs Ökologie und Stoffwechselphysiologie: Aufbau eines Laubblattes (Zelltypen im Querschnitt, Interzellularraum, Stomata), Funktionsweise der Spaltöffnungen, Gaswechsel entlang der Gradienten, Dilemma der Pflanzen - Kohlenstoffdioxidaufnahme (- Photosynthesevoraussetzung) bei gleichzeitiger Wasserdampfabgabe (- Wasserverlust), Bruttogleichungen der Photosynthese und Zellatmung, Stärke als Speicherprodukt der Pflanzen.
Als umfassendere Problemfelder dieses Themenbereichs bieten sich an: Regulation der Spaltöffnungsweite, Gaswechsel bei Flechten (Thallus, kein Verdunstungsschutz), ein Vergleich von C3-/C4-Pflanzen oder die Angepasstheit bestimmter sukkulenter Pflanzen (Crassulacean acid metabolism - CAM). Zu dem letzten Thema wird eine Aufgabe entwickelt.
Die Grundüberlegungen sind die gleichen wie bei der vorhergehenden Aufgabe, das Muster wiederholt sich.
Bei den Überlegungen zur Lösung müssen viele Erschließungsfelder (Angepasstheit, Regulation, Strukturen, Ebenen, Variabilität, Bewegung, Zeit, Wechselwirkung, Wachstum, Energie, Stoffe) und Komplexitätsebenen (Organismus, Organ, Gewebe, Zelle, Organelle, Moleküle) einbezogen werden. Zur Lösung führt die Betrachtung des Problems unter dem Blickwinkel der Erschließungsfelder Regulation und Angepasstheit.
Die Bohne (Kurve A) nimmt im Licht Kohlenstoffdioxid auf und assimiliert es (Photosynthese), im Dunkeln gibt sie welches ab - sie führt Zellatmung durch. Diese leichte Transferleistung führt nun zur Regulation bei hoher Temperatur (Kurve B) über. Wasserstress führt zu einem weitgehenden Verschluss der Spaltöffnungen und damit einer Verringerung der Wasserdampfabgabe. Unter diesen Bedingungen sind Glucosebildung und -verbrauch gleich; die Pflanze kann unter diesen Beschränkungen nicht wachsen.
Der Gaswechsel der sukkulente Pflanze (Kurve C) gleicht im Licht dem der Bohne unter Wasserstress (Trockengebiete!), im Dunklen zeigt sich eine Besonderheit, etwas, das nicht zu den Vorstellungen des Prüflings passt. Kohlenstoffdioxidaufnahme wurde bisher mit Photosyntheseaktivität gleichgesetzt - dazu ist aber Licht nötig. Im Vergleich zu B erkennt man den Vorteil der Angepasstheit, kann ihn aber noch nicht erklären. Die verlangte "Beschreibung" soll den Blick schärfen und zu den Besonderheiten und damit der Hauptproblemstellung hinführen.
Die Lösung verlangt eine konzentrierte Arbeit und ist erst möglich, wenn die zusätzlichen Informationen in Form von Versuchs- und Beobachtungsergebnissen gedeutet werden. Es wird nachts Äpfelsäure gebildet / angehäuft, die tagsüber verbraucht wird. Die Speicherung unterbleibt, wenn sich die Pflanze in CO₂ - freier Luft befindet. Daraus muss man folgern, dass nachts die Spaltöffnungen offen sind und Kohlenstoffdioxid aufgenommen und in Form von Äpfelsäure gespeichert wird - das erste Problem ist gelöst. Es wäre zu überlegen, ob die Angabe der Formel des L-Malats hilfreich wäre.
Es fällt auf, dass die Konzentrationen von Äpfelsäure und Stärke gegenläufig sind. Da der Stärkegehalt tagsüber ansteigt und der Reservestoff aus Glucoseeinheiten aufgebaut ist, muss man folgern, dass in dieser Zeit Photosynthese stattfindet, obwohl die Spaltöffnungen geschlossen sind. Das dafür benötigte CO₂ stammt aus der gespeicherten Äpfelsäure, deren Konzentration dadurch sinkt - das zweite Problem ist gelöst.
Es kann sein, dass die gefundene Lösung für den Prüfling teilweise noch hypothetischen Charakter hat. Teilaufgabe e sollte dann die Bestätigung der Lösung für d erbringen und einen Aha-Effekt auslösen. Der zuerst gesehene Widerspruch löst sich auf und entpuppt sich als eine Angepasstheit, die einen speziellen Vorteil bringt. Die Fähigkeit, nachts Kohlenstoffdioxid in Form von Äpfelsäure zu speichern, führt tagsüber zu hohen Kohlenstoffdioxidkonzentrationen im Blatt und das führt zum Schließen der Stomata. Dadurch wird wenig bis kein Wasserdampf abgegeben - in Trockengebieten ein Vorteil gegenüber der Pflanze, deren Untersuchungsergebnisse unter B dargestellt sind.

4. Allgemeine Voraussetzungen zur Lösung der Aufgaben

Diese Anforderungen, deklaratives und prozedurales Wissen einzubringen, kann man nur stellen, wenn der Unterricht entsprechend angelegt war und wenn diese Art der Aufgabenstellung immer wieder geübt wurde.
Zur Lösung beider Aufgaben wird zentrales Basiswissen benötigt, das dann aber auch auf eine völlig neue Fragestellung angewandt werden soll. Das verlangt von dem Prüfling eine neue Organisation und eine Ausweitung seiner Vorstellungen. Er darf seine bisherigen Ansichten nicht gewaltsam "zurechtbiegen"(das wäre die falsche Lösung), sondern unter einem neuen Blickwinkel sehen und erweitern. Er muss also aufgeschlossen und zum Lernen bereit sein. Das entspricht der Lage, in der er sich später öfter befinden wird - er muss problemlösend denken.
Um Lösungsstrategien zu entwickeln, bedarf es einer langen Übung. Das geschieht am Besten durch einen Unterricht, der immer wieder die naturwissenschaftliche Denkweise nachvollzieht und einübt (Wissenschaftspropädeutik). Zu einer Fragestellung (- Prüfungsaufgabe) wird eine Reihe von Hypothesen entwickelt (- Assoziationen des Prüflings) und durch Experimente (- Materialien, Hinweise) überprüft. Die dabei entwickelte Flexibilität und die angeeigneten Denkmuster bereiten auf die Bearbeitung und Lösung von Problemen vor. Dazu tragen auch das im Laufe der Zeit angeeignete strukturierte Grundwissen und der eingeübte Bestand an fachspezifischen Arbeitsmethoden und -techniken bei.
Naturwissenschaftliche Probleme lassen sich in der Praxis nur lösen, indem man etwas macht. Aus organisatorischen und zeitlichen Gründen bleibt es bei Prüfungsaufgaben bei einem geistigen Hin- und Herwenden der Probleme und ihrer Lösung auf dem Papier.
Beide Aufgaben verlangen ein genaues Lesen / Durcharbeiten des Textes, damit die Hinweise (z.B. "normales" Aktionspotential, Trockengebiete) genutzt werden können.

Literatur :

[1] Bossert, U.: Die Arbeit mit Erschließungsfeldern. PdN-BioS 7/50 (2001), S. 21-25
[2] Freiman, Th.: Kumulatives Lernen mithilfe von Erschließungsfeldern. PdN-BioS 7/50 (2001), S. 19-20
[3] Heinzel, H.-G. : Neurophysiologische Versuche am intakten Regenwurm. Biologie in unserer Zeit. 6/20 (1990), S. 308 - 313
[4] Kross, A. u. Lind, G.: Lernen mit Beispielaufgaben in Biologie und Physik. MNU 8/54 (2001), S. 491-496
[5] Kunsch, K.: Autotrophie der Organismen. Fischer, Stuttgart (1989), S. 78-80
[6] MNU: Biologieunterricht und Bildung. Empfehlungen zur Gestaltung von Lehrplänen und Richtlinien für den Biologieunterricht. Beilage 5/54 (2001)

Zur Aufgabenstellung "Angepasstheit bei sukkulenten Pflanzen"

Zur Aufgabenstellung "Ableitung von Aktionspotentialen beim Regenwurm"