Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen

Um aussagekräftige Daten zur erhalten, führen Naturwissenschaftler umfangreiche Beobachtungen und Messungen natürlicher Phänomene durch. Unter definierten und kontrollierten Bedingungen kann dies auch als selbst geplantes Experiment geschehen. Hierzu werden stets Hypothesen zugrunde gelegt, welche durch die Ergebnisse von Experimenten überprüft und begründet werden. Gewonnene Messdaten können kompakt verarbeitet in Tabellen und Diagrammen anschaulich dargestellt werden. Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge werden bereits bekannt Sachverhalte herangezogen.
Im Rahmen des Schulunterrichts werden zu ausgewählten kurzfristig oder langfristig durchzuführenden Experimenten Protokolle angefertigt. Hierbei ist folgender Aufbau zu beachten: Hypothese, Skizze zum Experiment, Planung und Beschreibung der Durchführung, Beobachtung und Auswertung sowie Interpretation der Ergebnisse.

Auswertung graphischer Abbildungen

Die Auswertung von Diagrammen umfasst verschiedene Ebenen: Beschreiben des Kurvenverlaufs, Erläutern der Hintergründe des Kurvenverlaufs und Vergleich von mehreren Kurven.

* farbige Flächen repräsentieren eine ähnliche Menge an Fallzahlen
** ein Strich – = 2 Wochen

Belinda Flemming: Vergleich der Infektionsrate von SARS-CoV-2 ohne und mit Maßnahmen zur Eindämmung , CC BY-SA 3.0

Zur Auswertung müssen der Diagrammtyp und die Struktur des Diagramms bestimmt werden. Für ein Achsendiagramm werden also die auf den beiden Achsen dargestellten Größen (inkl. Maßeinheiten) und die Unterteilung der Skalen der Achsen benannt.

Beispiel: Infektionsrate an COVID-19 mit und ohne Eindämmungsmaßnahmen
Die Diagramme zeigen jeweils die Anzahl der Infizierten an COVID-19 im 2-wöchigen Rhythmus im Zusammenhang mit der Kapazität unseres Gesundheitssystems, unter a) ohne und unter b) mit der Ergreifung von Maßnahmen zur Verlangsamung der Ausbreitung des Coronavirus.

Anschließend folgt die Beschreibung des Diagramms. Man nennt für jeden Kurvenverlauf die wichtigsten Merkmale (Maxima, Minima, Wendepunkte, Kurventyp) und greift diese in der nachfolgenden Auswertung wieder auf. Kleine Abweichungen im Kurvenverlauf können vernachlässigt werden, da diese meist auf methodenbedingten Messfehlern beruhen. Solche Messungenauigkeiten können bei kontinuierlichen Messwerten mithilfe von Ausgleichskurven oder -geraden ausgeglichen und Tendenzen dargestellt werden. Dieser dadurch idealisierte Kurvenverlauf stellt den Kurventyp dar und ist bereits eine Interpretation der Messwerte. Sind mehrere Messreihen in einem Diagramm dargestellt, so ist eine Einzelbeschreibung oder eine vergleichende Beschreibung der Kurvenverläufe möglich.

Übersicht verschiedener Arten von Kurvenverläufen als Hilfestellung zur Einordnung und Beschreibung der eigenen Beobachtungen und Messwerte:

Belinda Flemming: Arten und Vergleich von Kurvenverläufen , CC BY-SA 3.0

Beispiel: Infektionsrate an COVID-19 mit und ohne Eindämmungsmaßnahmen
Die Kurve a) steigt nach circa einer Woche stark exponentiell an, weit über die Kapazität des Gesundheitssystems hinaus. Nachdem nach circa 11 Wochen ein hohes Maximum an Infizierten erreicht ist, fällt die Kurve wieder stark ab.
Im Gegensatz dazu steigt die Kurve b) langsam an. Nach circa 10 Wochen wird der weiterhin langsame Anstieg steiler bis zu einem Maximum bei circa 25 Wochen, welches unterhalb der Kapazität des Gesundheitssystems liegt. Danach fällt die Kurve langsam wieder und verläuft flacher und über einen längeren Zeitraum als die Kurve a).

Zur weiteren Auswertung eines Diagramms erfolgt nun die Erläuterung und/oder der Vergleich der Kurvenverläufe. Dazu werden die vorliegenden Daten mit Fachwissen, biologischen Prinzipien und Theorien in Zusammenhang gebracht. Hierbei ergänzt man die wichtigsten Aspekte der Beschreibung mit dem zum Gesamtverständnis führenden Hintergrundwissen, ohne diese komplett zu wiederholen.

Beispiel: Infektionsrate an COVID-19 mit und ohne Eindämmungsmaßnahmen
Das Ziel der Eindämmungsstrategien liegt nicht nur darin die Zahl der absoluten Coronafälle zu reduzieren, sondern vielmehr den Zeitrahmen zu strecken, innerhalb dessen diese auftreten. Dies gelingt nur durch Ergreifen von Maßnahmen gegen die Ausbreitung des Virus, wie die Kurve b) zeigt. Die farbigen Flächen der Kurven a) und b) repräsentieren eine ähnliche Menge an Fallzahlen, jedoch mit unterschiedlichen Infektionsraten.
Das sehr hohe Maximum an Infizierten der Kurve a) lässt auf eine sehr hohe Infektionsrate innerhalb kürzester Zeit schließen. Dieser Zeitrahmen beträgt circa 28 Wochen. Da keine Schutzmaßnahmen ergriffen werden, breitet sich das Coronavirus schneller aus und die Infizierten Anzahl überschreitet die Kapazitäten des Gesundheitssystems. Das heißt, im Krankenhaus können die meisten an SARS-CoV-2 Infizierten nicht versorgt werden, wodurch es zu einer hohen Sterberate kommt. Die Infektionsrate sinkt danach abrupt ab.
Das flache Maximum der Kurve b) lässt auf eine niedrigere Infektionsrate schließen. Durch Ergreifung von Maßnahmen zur Eindämmung des Coronavirus treten die Fälle über einen langen Zeitraum von circa 45 Wochen auf, bewegen sich aber innerhalb des Kapazitätsrahmens der Gesundheitsversorgung. Alle Infizierten können im Krankenhaus versorgt werden. Die Sterberate wird daher geringer sein.

Tabellen erstellen

Eine Tabelle ist eine übersichtliche und geordnete Darstellung von Messergebnissen. Sie ermöglicht den leichteren Vergleich und dadurch die Erschließung von Zusammenhängen. Die Einteilung einer Tabelle erfolgt in Zeilen und Spalten. In der obersten Zeile werden die zu vergleichenden Sachverhalte aufgeführt, die linke Spalte enthält die Vergleichskriterien. Einheiten nicht vergessen! Die Messwerte der Tabellen dienen häufig zur Erstellung von Diagrammen. Ein solcher Wechsel der Darstellungsform kann auch umgekehrt erfolgen, von einem Diagramm in eine Tabelle.

Diagramme erstellen

Es gibt verschiedenste Diagrammtypen, die in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Daten gewählt werden können. Hier besteht die Möglichkeit qualitative und quantitative Zusammenhänge visuell zu veranschaulichen.

Arten von Diagrammen:
Kurvendiagramme: Wiedergabe der kontinuierlichen Abhängigkeit einer Variablen von einer anderen Variablen, x-Achse – unabhängige Variable, der sich kontrolliert verändernde Parameter, z. B. Zeit, y-Achse – abhängige Variable, der sich unkontrolliert verändernde Messwert, z. B. Anzahl der Infizierten

Arten von Graphen:
• lineare Kurve – bei kontinuierlichen Messwerten oder bei Annahme einer kontinuierlichen Entwicklung (einzelne isolierte bzw. diskontinuierliche Messwerte liegen dann nicht auf der Verbindungslinie, wie in einem Punktdiagramm)
• exponentiell verlaufende Kurven – bei diskontinuierlichen, zunehmenden oder abnehmenden Messwerten

Säulen- oder Balkendiagramm: Veranschaulichung der Messwerte bezüglich einer Variablen durch Säulen oder Balken, Möglichkeit durch Säulen- oder Balkengruppierung die Ergebnisse mehrerer Messreihen zu Vergleichen

Kreis- oder Tortendiagramm: Wiedergabe der prozentualen Anteile verschiedener Größen im Vergleich zum Ganzen, Unterscheidung der Einzelsegmente (= Tortenstücke) durch unterschiedliche Farben oder Schraffuren, Erstellung erfolgt durch Umrechnung der einzelnen Messwerte in Prozentzahlen des Gesamtwerts und den entsprechenden Winkelanteilen von 360˚

Übersicht von Diagrammen:
Die Erstellung eines Diagramms ist nur sinnvoll, wenn dieses übersichtlich dargestellt ist. Hierzu ist eine ausreichende Größe, eine Überschrift sowie die Beschriftung der Achsen und eine aussagekräftige Achseneinteilung mit Maßeinheiten erforderlich. Ist die Angabe einer exakten Maßeinheit nicht möglich, wird mit relativen Einheiten beschriftet. Die Minimal- und Maximalwerte bestimmen die Einteilung der Skalen der Achsen. Messwerte müssen eindeutig voneinander unterscheidbar sein und daher in einem genügend großen Abstand voneinander liegen.