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Mathematisch-Naturwissenschaftliche FakultätGLOBE an der Universität zu Köln

GLOBE in der Praxis

Die Umsetzung von GLOBE an der Universität zu Köln

Die Einbeziehung von GLOBE an der Universität zu Köln beinhaltet Forschung und Lehre, Angebote zur Praxis und Internationalisierung sowie Abschlussarbeiten.

Lehrveranstaltungen

Seit dem Jahr 2015 wurde das Angebot an Lehrveranstaltungen mit direktem Bezug zum GLOBE-Programm an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität zu Köln kontinuierlich ausgebaut und weiterentwickelt. Vor allem Lehramtsstudierende, aber auch B.Sc.- und M.Sc.-Studierende haben an den Seminaren, Workshops und Vorlesungen teilgenommen.

Im Rahmen der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen-Grundlegung wird am Geographischen Institut seit dem Wintersemester 2016/17 das Seminar Anwendung geographischer Konzepte im naturwissenschaftlichen Unterricht (jeweils 30 – 40 Anmeldungen) angeboten. Neben einem allgemeinen Überblick zur Geographie und den dort behandelten Themen und Inhalten werden auch interdisziplinäre Anknüpfungspunkte zu den übrigen Naturwissenschaften sowie wissenschaftliche Herangehensweisen und Arbeitstechniken aufgezeigt. Mit Hilfe der GLOBE-Protokolle werden praxisnahe Untersuchungen zu den Teilgebieten Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Pedosphäre durchgeführt, die sich fachübergreifend in den naturwissenschaftlichen Unterricht implementieren lassen. 

Das englischsprachige Seminar Statistical Analysis of Environmental Data (jeweils 20 – 30 Anmeldungen) wird seit dem Wintersemester 2016/17 als fester Bestandteil des IMES-Studiengangs in einem jährlichen Turnus angeboten. Im Mittelpunkt steht neben der Vermittlung statistischer Grundlagen (Rechengesetze, Lage- und Streumaße, Korrelation, Regression Normalisierung, Wahrscheinlichkeiten, Wahrscheinlichkeitsverteilungen) auch das wissenschaftliche Arbeiten an sich. Hierbei entwickeln die Studierenden einfache Fragestellungen, führen mit Hilfe der GLOBE-Protokolle entsprechende Untersuchungen durch und werten diese statistisch aus.

Inhaltlich vergleichbar hierzu ist das Seminar Individuelles Lernen mit interaktiven Medien am Beispiel GLOBE (jeweils 10 – 20 Anmeldungen), das seit dem Wintersemester 2017/18 als zusätzliches Angebot zur Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Grundlegung belegbar ist. In der Veranstaltung lernen die Studierenden am Beispiel des GLOBE Programms die Erhebung, Visualisierung und Auswertung von Umweltdaten kennen. Das Seminar wurde gemeinsam mit dem ZfL konzipiert und wird als Blended-Learning-Format angeboten. Neben Präsenzveranstaltungen mit praktischen Übungen nutzen die Studierenden auch ILIAS als interaktives Medium.

Im Sommersemester 2017 wurde das Seminar GLOBE in der Unterrichtspraxis (12 Anmeldungen) als Beitrag zur Fachmethodik angeboten. Die Studierenden konnten die Methode des Forschenden Lernens in der Praxis anwenden und dabei ihre zuvor erlangten theoretischen Kenntnisse zur Fachdidaktik und Fachmethodik vertiefen. In diesem Zusammenhang wurden zugleich interdisziplinäre Unterrichtssequenzen mit natur- und umweltwissenschaftlichen Inhalten konzipiert und gemeinsam mit SuS der Sekundarstufe II sowie mit Lehrkräften aus dem aktiven Schuldienst am Lernstandort Pulheimer Bach erprobt.

Mit Mitteln des Rektorats sowie des Dekanats wurde im Wintersemester 2017/18 die Vorlesungsreihe Understanding Science through Inquiry-based Learning and Participation (80 Anmeldungen) durchgeführt (vgl. Abb. 1, S. 13). Die Reihe stellt im Kontext der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen-Grundlegung bzw. des Studium Integrale ein kombiniertes bilinguales Vorlesungs- und Seminarangebot dar, dass neben natur- und umweltwissenschaftlichen Themenfeldern gezielt die Internationalisierung im Lehramt sowie die Interdisziplinarität in den MINT-Disziplinen zum Inhalt hat. Als Vortragende konnten für die Reihe renommierte WissenschaftlerInnen aus dem In- und Ausland (Deutschland, Griechenland, Großbritannien, Indien, Kanada, Niederlande, Schweiz, Vereinigte Staaten von Amerika) gewonnen werden, um den Studierenden ein möglichst vielseitiges Bild des Forschenden Lernens zu vermitteln (vgl. Abb.2, S. 13). Zudem wurden auch Möglichkeiten für Kooperationen und Praktika mit den an GLOBE beteiligten Partnerinstitutionen (z.B. Mount Royal University, NASA/JPL) erörtert bzw. intensiviert.

Als beispielhaft für die Zusammenarbeit innerhalb der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät kann das im Wintersemester 2017/18 erstmals angebotene Oberseminar Interdisziplinäres Unterrichten mit GLOBE (15 Anmeldungen) angesehen werden. Die Veranstaltung wurde gemeinsam vom Institut für Biologiedidaktik sowie vom Geographischen Institut durchgeführt und durch Prof. Dr. Edelmann sowie durch Dr. Thiemer betreut. Am Beispiel des GLOBE Programms wurden vielfältige Möglichkeiten für eine fachübergreifende Ausrichtung des Unterrichts aufgezeigt, die unmittelbar auf das bereits vorhandene Vorwissen der Studierenden zu Fachdidaktik und Fachmethodik anknüpfen konnten. 

Praxisorientierung

Die QV-Mittel wurden in Teilen u. a. dazu verwendet, um einen Instrumentenpool zu Ausbildungszwecken aufzubauen.
Hierzu wurden fünf der auch an Schulen weit verbreiteten Interface-Systeme des Typs Vernier LabQuest 2 angeschafft, die sich mit einer Vielzahl von Messsonden erweitern lassen und daher für die jeweiligen Anforderungen der GLOBE-Protokolle geeignet sind. Ergänzend hierzu wurden fünf Wissenschaftliche Taschenrechner des Typs Texas Instruments-nspire CX CAS gekauft und mit dem zu Vernier kompatiblen LabCradle-Modul erweitert. Somit können die vorhandenen Sensoren auch mit den Taschenrechnern gekoppelt und über die dort vorinstallierte DataQuest-Applikation u. a. im Mathematik-, bzw. Chemieunterricht fachübergreifend eingesetzt werden.
Der zusammengestellte Instrumentenpool dient der praxisnahen Ausbildung der Studierenden und kann daher von allen an GLOBE beteiligten Einrichtungen und Arbeitsgruppen innerhalb der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen-Fakultät genutzt werden. Zugleich besteht für die Studierenden die Möglichkeit, im Rahmen ihres Berufsfeldpraktikums sogenannte GLOBE-Koffer mit den entsprechenden Instrumenten auszuleihen und im Unterricht zu verwenden. Hieraus erwächst für die Lehramtsstudierenden der Universität zu Köln die Chance, an den Schulen nicht nur als Praktikanten wahrgenommen zu werden, sondern vielmehr als Experten hinsichtlich der Anwendung innovativer Methoden im Bereich der Natur- und Umweltwissenschaften.

Mit dem Lernstandort Pulheimer Bach verfügt die MNF über ein externes Lernlabor, das in besonderer Weise für die praxisorientierte Ausbildung der Lehramtsstudierenden geeignet ist.
Während des Wintersemesters 2015/16 konnten im Rahmen der Veranstaltungsreihe „An international perspective on STEM education“ am Standort Pulheimer Bach zahlreiche GLOBE Trainings veranstaltet werden, für die zudem eine Akkreditierung als Fortbildungs- und Qualifizierungsangebot durch die Hessische Lehrkräfteakademie in Wiesbaden erfolgte. Internationale GLOBE Trainer stellten die Protokolle zu den Bereichen Hydrosphäre (Water Temperature, Water Transparency), Atmosphäre (Air Temperature, Surface Temperature), Biosphäre (Green-Up / Green-Down) und Pedosphäre (SMAP) vor, und vermittelten schulpraktische Anwendungsmöglichkeiten. Neben Studierenden der Universität zu Köln nahmen auch Lehrkräfte aus Bayern, Hessen und Nordrhein-Westfalen an den englischsprachigen Workshops teil, sodass der durch die Planung vorgesehene Theorie-Praxis-Dialog aktiv gefördert werden konnte.
Über die Pädagogische Achse Pulheimer-Bach ist die Mathematisch-Naturwissenschaftliche-Fakultät eng mit Schulen der Primar- und Sekundarstufe in der näheren Region verbunden und verfügt dadurch über geeignete Kanäle, um das forschend-entdeckende Lernen mit der schulischen und universitären Bildung zu verknüpfen. Zur Festigung und Weiterentwicklung dieser Achse wurden am 4. Dezember 2015 sowie am 13. Mai 2016 durch Stephan Langer und Andreas Thiemer gemeinsame Workshops am Lernlabor Pulheimer Bach organisiert und durchgeführt, bei dem die Möglichkeiten zum forschenden Lernen am außerschulischen Lernort vorgestellt wurden. Dabei hat sich im Dialog mit den anwesenden Lehrerinnen und Lehrer vor allem gezeigt, dass ein enormes Interesse an praxisorientierten Unterrichtsmethoden und ihrer Umsetzung mit GLOBE besteht, vor allem aber bezüglich der Möglichkeiten zur Einbettung in die bestehenden Curricula.

Unter Bezugnahme auf die Vorgaben des Landes Nordrhein-Westfalen wurde daher eine umfassende Analyse der Kernlehrpläne für den naturwissenschaftlichen Fächerkanon an den Haupt-, Gesamt- und Realschulen, sowie an den Gymnasien durchgeführt. Die Curricula der Fächer Biologie, Geographie und Physik wurden unter Anleitung von Herrn Thiemer durch Lehramtsstudierende hinsichtlich der Anknüpfungspunkte an die GLOBE-Protokolle untersucht. Diese Analyse gibt den Lehrkräften einen umfassenden Überblick zu Anwendungsmöglichkeiten von GLOBE im Regelunterricht bzw. als Ergänzung zum Unterricht an die Hand. Um eine möglichst leicht lesbare Darstellungsform zu erhalten, wurde eine in ihrem grundlegenden Aufbau einheitliche Matrix entwickelt. In dieser Matrix werden die durch GLOBE behandelten Themenbereiche den im Unterricht zu vermittelnden Kompetenzen gegenüberstellt. Die sich ergebenden Übereinstimmungen wurden durch die Eintragung der Inhaltsfelder kenntlich gemacht, so dass eine Zuordnung zu den jeweiligen Unterrichtssequenzen auf einfache Weise möglich wird.
Somit konnte ein wesentliches Implementationshindernis abgebaut werden, dass bisher eine langwierige Auseinandersetzung mit den Inhalten der GLOBE-Protokolle vorausgesetzt hat.

Forschung

Unmittelbar im Zusammenhang mit GLOBE konnten im Rahmen des EU-Comenius Projekts „Motivate and Attract Students to Science (MASS) Drittmittel in Höhe von 81.000 Euro eingeworben werden.
Bedingt durch das eng mit der GLOBE-Community verbundene Projekt werden in Zusammenarbeit mit Einrichtungen in Estland, Griechenland, Lettland, Polen, Tschechien, Zypern und den Niederlanden gute Beispiele aus der Unterrichtspraxis identifiziert, dokumentiert und den Schulen zugänglich gemacht, um das Interesse von Schülerinnen und Schülern am naturwissenschaftlichen Unterricht in geeigneter Weise aktiv fördern zu können. Besondere Schwerpunkte sind die Nutzung digitaler Medien, das forschungsorientierte Lernen und die Förderung leistungsschwacher Schülerinnen und Schülern. Die Projektleitung des deutschen Beitrags liegt bei Prof. Schneider.
Als Ergebnis der im Kontext des GLOBE Projekts entstandenen Kooperation wurde unter der Federführung von Prof. Schneider ein gemeinsames Projekt des Instituts für Physik und ihre Didaktik (Prof. Bresges), der Geographie (Prof. Schneider) und der TH-Köln (Prof. Ribbe) zum Thema „Umweltmonitoring mit Smartphones“ entwickelt. Die RheinEnergie Stiftung fördert dieses Projekt mit insgesamt 100.000 € im Zeitraum von 2016 bis 2018. In diesem Projekt wird anhand von Beispielen aus der Umweltforschung untersucht, inwieweit die Nutzung von Smartphones in Umweltprojekten das Interesse an den MINT-Fächern, bzw. ein Verständnis für naturwissenschaftliche Methoden und die Bereitschaft zur Teilhabe an der Umweltforschung stärkt.
Zusätzlich werden Lehr- und Partizipationsformate auf ihre Eignung geprüft, um von Nicht-Wissenschaftlern durch Crowd-Monitoring erhobene Daten in wissenschaftlichen Projekten zu nutzen. Als Plattform für die Dateneingabe wird insbesondere auf die durch GLOBE genutzte Datenbank, bzw. das GLOBE Visualization System zurückgegriffen. Die Übersetzung der neu entwickelten eTraining Einheiten des GLOBE Programms ins Deutsche wurde der Leitung des GLOBE Projekts an der UzK vom GIO angetragen. Hierdurch ergeben sich unmittelbare Synergien zwischen dem RheinEnergie Projekt und den Zielen des GLOBE Projekts der UzK im Rahmen der Lehramtsausbildung. Mit dem Projekt „Regionaler Wasserverbrauch für unseren Lebensstil“ erfolgte die Einreichung einer Projektskizze bei der Robert-Bosch-Stiftung mit einem vorgesehenen finanziellen Förderumfang in Höhe von 40.000 Euro durch Prof. Schneider, Dr. Astrid Hensel und Andreas Thiemer. Ziel dieses Projektvorschlags war es unter dem Leitthema der Bildung für Nachhaltigkeit in Zusammenarbeit mit Schulen am Standort Pulheimer Bach einen unmittelbaren Zugang für SuS zu aktuellen Forschungsthemen zu schaffen.
Mit Hilfe des Konzepts „virtueller Wasserfußabdruck“, unter Verwendung der GLOBE-Protokolle, der GLOBE Datenbanken und der von GLOBE bereitgestellten Satellitendaten der GPM und SMAP Mission sollte ein grundlegendes Verständnis der SuS dafür geschaffen werden, wieviel Wasser für die Produktion von Lebensmitteln in den Regionen der Erde aufzuwenden ist. Der Vorantrag war erfolgreich und das Projektteam wurde, leider mit sehr knapper Terminvorgabe, von der Robert-Bosch-Stiftung zur Vollantragstellung aufgefordert. Angesichts der gegenwärtig starken Belastung der Lehrkräfte an den Partnerschulen war vor dem Hintergrund des gegebenen Zeitrahmens eine aktive Beteiligung der Lehrerinnen und Lehrer an der Ausgestaltung des Vollantrags nicht realisierbar, sodass von der Antragstellung Abstand genommen werden musste.

Unter der Leitung der GLOBE Partner an der Universität Athen, sowie mit weiteren europäischen Partnern aus dem GLOBE-Umfeld wurde im Rahmen von Horizon 2020 ein Antrag zu „Cool Cities“ eingereicht. Hierbei sollten Einwirkungen und Anpassungsstrategien des Menschen auf das Stadtklima unter Einbeziehungen von GLOBE-Schulen untersucht werden, um einerseits SuS einen Zugang zu den Natur- und Umweltwissenschaften zu eröffnen und andererseits die Partizipation breiter Bevölkerungsschichten an den im Zuge des Klimawandels zunehmend bedeutsamen Anpassungsstrategien zu fördern.
Das Projekt mit einem Gesamtvolumen von ca. 1,2 Millionen Euro wurde durch die Gutachter der Europäischen Kommission mit 13 von 15 möglichen Punkten bewertet und verfehlte damit die Förderung knapp. In diesem Jahr soll ein überarbeiteter Vorschlag eingereicht werden.

Internationalisierung

Während des 19th GLOBE Annual Meeting vom 19. bis zum 24. Juli in Los Angeles/USA konnte Prof. Schneider in einem Vortrag das Konzept zur Einbindung von GLOBE in die Lehramtsausbildung an der Universität zu Köln den Teilnehmern aus 35 Ländern vorstellen. Zugleich wurden die bestehenden Kontakte zu Vertretern der NASA, aber auch zu Universitäten und Forschungseinrichtungen dazu genutzt, um für die Durchführung der Vorlesungs- und Seminarreihe „An international perspective on STEM education“ mit internationalen Experten an der Universität zu Köln zu werben, die mit einer sehr kurzen Vorlaufzeit im WS 2015/16 erfolgreich durchgeführt wurde.
Als Ergebnis dieser Konferenz und auf Initiative von Prof. Schneider wurde für die nächste weltweite GLOBE Konferenz, die im Juli 2016 in Estes Park, Colorado/USA stattfindet, eine Session „GLOBE at Universities“ etabliert auf der u. a. die Gründung eines „University Network of Science Education and Research“ (UNSER) diskutiert werden soll. Dieses Netzwerk soll eine für die Internationalisierung im Lehramt spezifische Plattform etablieren, die die Reziprozität des Studierendenaustauschs durch kompatible und an GLOBE orientierte Angebote ebenso gewährleistet, wie die gegenseitige Anerkennungsfähigkeit der besuchten Lehrveranstaltungen.

Im Rahmen des GLOBE Europe and Eurasia Regional Meeting 2015 vom 23. bis zum 24. November 2015 in Warschau wurden die neuen Konzepte der UzK zur Einbindung von GLOBE in die Lehramtsausbildung präsentiert. Aufgrund der sichtbaren Positionierung der UzK im GLOBE Programm sowie der Teilnahme am MASS Projekt war die Bewerbung der UzK um die Ausrichtung des GLOBE Europe and Eurasia Regional Meeting 2016 erfolgreich. Zu dieser Konferenz werden Teilnehmer aus über 20 Ländern (Europa / Eurasien) erwartet.
Die Präsentation der Implementationskonzepte von GLOBE in der Lehramtsausbildung führte dazu, dass der Chair des GLOBE Implemention Office (GIO), Dr. Tony Murphy (Boulder/CO), Prof. Schneider zur Teilnahme bei der Durchführung des Workshops „Implementation of Inquiry based learning with GLOBE at Universitys in Jordan“, eingeladen hat. Die Entscheidung über den Antrag bei der NSF steht noch aus. Die Etablierung eines Netzwerks mit jordanischen Universitäten ist nicht zuletzt vor dem Hintergrund der aktuellen Flüchtlingsthematik sehr relevant. Die Verfügbarkeit der GLOBE Konzepte in arabischer Sprache bietet eine wesentliche Hilfestellung bei Fragen der Integration von Migranten wie auch im Hinblick auf konkrete Kooperationsmöglichkeiten mit Universitäten im arabischen Sprachraum. Zu diesem Thema ist die Erarbeitung eines Projektantrags durch die GLOBE Gruppe an der UzK avisiert.
Weiterhin wurde eine Zusammenarbeit mit dem beim Schweizer Bundesamt für Umwelt (BAFU) angesiedelten Partner GLOBE Schweiz, und der für GLOBE beim Ministerium der deutschsprachigen Gemeinschaft in Belgien (DG) verantwortlichen Sonderbeauftragten vereinbart. Das gemeinsame Ziel ist, eine überarbeitete Übersetzung der GLOBE-Protokolle anbieten zu können, um Studierenden und Lehrenden geeignete Unterrichtsmaterialien an die Hand geben zu können. Hinsichtlich der Internationalisierung in den Lehramtsstudiengängen besteht im Zusammenhang mit GLOBE die Möglichkeit für einen Studierendenaustausch mit der University of Toledo in Ohio/USA.

Als Ergebnis der Einladung von Prof. O’Connor im Zuge der Veranstaltungsreihe „An international perspective on STEM education“ wurde ein Memorandum of Understanding zwischen der Mount Royal University in Calgary/Kanada und dem Zentrum für LehrerInnenbildung (ZfL) an der Universität zu Köln vereinbart, das einen Studierendenaustausch beider Universitäten voraussichtlich ab dem Wintersemester 2016/17 zum Ziel hat. Das Memorandum of Understanding befindet sich derzeit im Unterzeichnungsverfahren.
Im gleichen Kontext wurde mit Wissenschaftlern des NASA Jetpropulsion Laboratory in Pasadena/USA vereinbart, Praktikumsangebote für Studierende und Forschungsaufenthalte für Wissenschaftler im Rahmen der GLOBE-SMAP-Kampagne zu entwickeln.
Ein entsprechender PPP (Programme des Projektbezogenen Personenaustauschs) Antrag an den Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) wurde zum 31. Mai 2016 eingereicht. Dieser Kooperationspartner steht in besonderer Weise für die Schnittstelle zwischen aktueller wissenschaftlicher Spitzenforschung und deren Vermittlung in Öffentlichkeit und Schule.

Abschlussarbeiten

In Folge der GLOBE-Veranstaltungen kam es seitens der Studierenden bereits zu vermehrten Anfragen bezüglich der Anfertigung von Abschlussarbeiten mit Bezug zum GLOBE-Programm.

Bisher wurden bzw. werden vier Bachelorarbeiten rund um das Thema GLOBE von Lehramtsstudierenden angefertigt:

  • Leonie Höer befasst sich mit dem Thema: „Konzept und Umsetzung des Forschenden Lernens im Wandel der Zeit“. Das Ziel der Arbeit ist es, die Entwicklung der Methode aufzuzeigen, wobei Literatur beginnend mit der Bildungsreform in den 1960/70er Jahren bis zur heute üblichen Kompetenzorientierung analysiert wird. Darüber hinaus werden Möglichkeiten angeführt, die sich aus der Umsetzung des forschenden Lernens im Fach Geographie durch GLOBE ergeben. 
  • Carina Meier hat ihre Bacherlorarbeit mit dem Titel „Teachers’ experience with the GLOBE Program and their motivation to utilize it in American schools“ eingereicht. Im Rahmen eines durch ein PROMOS Stipendium geförderten Forschungsaufenthalts an der University of Toledo vom 15.10.2015 bis 15.01.2016 hat sie die Fragestellung untersucht, inwieweit die Umsetzung von GLOBE an den Schulen den Vorgaben und Zielen des Programms entspricht. 
  • Daniel Vilvo setzt sich in seiner Arbeit mit dem „Smartphone-Einsatz im Geographieunterricht“ kritisch auseinander. Dabei zeigt er die Anwendung mobiler Endgeräte im Zusammenhang mit natur- und umweltwissenschaftlichen Themenfeldern und geht auch auf den Einsatz der für iOS und Android verfügbaren GLOBE-Apps ein. 
  • Kai Adam hat eine Bachelorarbeit zum Thema „Vergleichende Analyse verschiedener Methoden zur Bestimmung der Bodenfeuchte mit besonderer Berücksichtigung des SMAP Messprotokolls im GLOBE Programm“ angefertigt.