Lehrstühle für Didaktik der Chemie

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Tablet-Einsatz zur Vermittlung und Sicherung von Fachwissen
(2022-06-15) Greitemann, Lars; Melle, Insa
Tablets kommt eine zunehmende Bedeutung im Unterricht zu. Sie ermöglichen die Erweiterung bewährter Unterrichtsformen (z. B. Bearbeitung von Aufgaben), aber auch neue Formate (z. B. Erstellung von Erklärvideos durch die Lernenden). Im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchung wird die Wirkung des Tablet-Einsatzes in der Erarbeitungs- und Sicherungsphase analysiert. Dafür wird eine digitale Lernumgebung zur Einführung in das Basiskonzept Chemische Reaktion evaluiert, welche die Schüler:innen durch die beiden Unterrichtsphasen führt. Die Intervention wird im Rahmen eines Projekttags im Chemieanfangsunterricht durchgeführt, wobei sechs Unterrichtsstunden à 45 Minuten zur Verfügung stehen. Während der Erarbeitungsphase erfolgt ein interaktiver Informationsinput. Anschließend werden die Inhalte in Form von Experimenten angewendet und vertieft. Für die Sicherungsphase wird die Klasse in zwei Gruppen eingeteilt: Die eine Hälfte der Lernenden erstellt eigene Erklärvideos, wohingegen die andere Hälfte Aufgaben auf den iPads bearbeitet. Die Evaluation erfolgt unter anderem im Hinblick auf den Fachwissenszuwachs und die Einschätzung der Lernmaterialien durch die Schüler:innen. Der Vergleich beider Gruppen ermöglicht Aussagen über die Effektivität beider Sicherungsmaßnahmen.
Gestaltung von Chemieunterricht für diverse Lerngruppen – ein Beispielunterricht zum Planungsmodell ChemDive
(2022-06-15) Holländer, Monika; Böhm, Katharina; Jasper, Leonie; Melle, Insa
Durch bildungspolitische und gesellschaftliche Veränderungen sind Lehrkräfte im deutschen Schulsystem mit einer zunehmend heterogenen Schülerschaft konfrontiert, nicht nur in inklusiven Lerngruppen. Dieser Diversität gilt es positiv zu begegnen, indem Unterricht von Beginn an für alle Lernenden zugänglich geplant und durchgeführt wird. Ein Konzept für die Gestaltung eines solchen Unterrichts ist das Universal Design for Learning, kurz UDL. Die Implementierung des nicht fachspezifischen UDL-Rahmenkonzepts in den Fachunterricht kann jedoch für (angehende) Lehrkräfte ein Hindernis darstellen. Vor diesem Hintergrund wurde auf Basis des UDL und anknüpfend an gängige Phasen- bzw. Verlaufsplankonzepte aus dem naturwissenschaftsdidaktischen Bereich das Planungsmodell ChemDive entwickelt, das Anregungen für konkrete Umsetzungsmöglichkeiten für einen universell zugänglichen Chemieunterricht bietet. ChemDive wird anhand eines Unterrichtsbeispiels erläutert und veranschaulicht.
„Das verbrannte Holz betreibt ja keine Fotosynthese mehr“ – Analyse der Lernhürden bei der Erstellung von Kohlenstoffkreisläufen anhand von Unterrichtsvideos
(2022-06-15) Krabbe, Christina; Thelen, Frederic; Simonds, Kathryn; Melle, Insa
Die Nutzung von fossilen und regenerativen Rohstoffen zur Energiegewinnung und deren Beitrag zum Kohlenstoffkreislauf ist ein komplexes Thema, welches unterschiedliche (Schüler:innen-)Schwierigkeiten mit sich bringt. Darum ist es umso wichtiger, bei der Planung eines solchen Unterrichts diese Lernhürden zu berücksichtigen. Um Studierende dafür zu professionalisieren, bietet sich die Arbeit mit Videos von realem Unterricht an. Daher wurden Unterrichtsvideos erstellt und deren Einsatz in einer Lehrveranstaltung beforscht. Die Videos zeigen Schüler:innen bei der Erstellung von Kohlenstoffkreisläufen und offenbaren (Schüler:innen-)Schwierigkeiten im Prozess der Aufgabenbearbeitung. Der Beitrag führt literaturbekannte Lernhürden zum Thema auf und zeigt anhand der ausgewerteten Ergebnisse der Videoanalysen, welche (Schüler:innen-)Schwierigkeiten Studierende anhand der entwickelten Unterrichtsvideos identifizieren können.
Systematische Integration des Universal Design for Learning in den Unterricht
(2022-03-08) Holländer, Monika; Böhm, Katharina; Melle, Insa
Um der Diversität in Klassenräumen des 21. Jahrhunderts besser gerecht zu werden, sollte Unterricht von der Planung an für ein möglichst breites Spektrum an Lernenden zugänglich gestaltet werden. Ein Konzept mit evidenzbasierten Strategien zum Abbau von unnötigen Lernbarrieren und zur Erreichung individuell anspruchsvoller curricularer Lernziele ist das Universal Design for Learning (UDL). Die Implementation des UDL-Rahmenkonzepts in den Fachunterricht stellt jedoch für (angehende) Lehrkräfte eine Herausforderung dar. Das auf Basis einer umfangreichen Literaturrecherche entwickelte Planungsmodell ChemDive soll vor dem Hintergrund ausgewählter didaktischer Funktionen die systematische Integration von UDL-Prinzipien in Unterrichtsstunden erleichtern. In zukünftigen Studien kann dieses für das Fach Chemie entwickelte Modell empirisch geprüft und für andere Fächer adaptiert werden.
Effektivität des Gruppenpuzzles im Chemieunterricht der Sekundarstufe I
(2007-12-17T14:05:33Z) Tepner, Markus; Melle, Insa; Ralle, Bernd
Ziel dieser Arbeit war es zu evaluieren, ob der Einsatz des Gruppenpuzzles im Chemieunterricht der Sekundarstufe I die Lernleistung und die Einstellung der Schüler im direkten Vergleich zu einer herkömmlich unterrichteten Lerngruppe erhöhen kann. Dabei wurde eine reale Unterrichtssituation experimentell untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt war die Konzeption und Erprobung eines Evaluationsinstrumentes, mit dem verschiedene Unterrichtsmethoden wissenschaftlich miteinander verglichen werden können. Für eine maximale Vergleichbarkeit der Untersuchungsgruppen wurden die beteiligten Klassen nach dem Matched-Pairs-Prinzip in zwei Hälften geteilt. Sie erhielten nacheinander von der gewohnten Lehrkraft Unterricht zum Thema Seifen, wobei dieses bei der ersten Gruppe "herkömmlich" (also im weitesten Sinne darlegend-informativ bzw. fragendentwickelnd) und bei der Experimentalgruppe nach der Gruppenpuzzle-Methode geschah. In beiden Fällen waren die Lerninhalte identisch, da der Frontalunterricht ebenfalls auf Basis der Gruppenpuzzle-Materialien konzipiert wurde. Unmittelbar vor bzw. nach Durchführung der Unterrichtsreihe wurden Wissens- und anonyme Meinungstests eingesetzt. Insgesamt nahmen 413 Gymnasiasten der Jahrgangsstufe 10 an der Studie teil, ergänzt durch 235 Schüler anderer Schulformen bzw. mit einem abweichenden Untersuchungsdesign. Ergebnisse: Das Gruppenpuzzle Seifen führt zu einem signifikant höheren Wissenszuwachs als vergleichbarer Frontalunterricht. Zudem wird es in drei von vier Teil-Untersuchungen als signifikant attraktiver von den Schülern beurteilt; eine Einstellungsänderung der Schüler zum Fach Chemie durch das Gruppenpuzzle konnte nicht festgestellt werden. Die Detailanalyse ergab, dass die Art der Wissensvermittlung eine entscheidende Rolle spielt: Die Experten der Gruppenpuzzlegruppe schnitten hoch signifikant besser ab als ihre Mitschüler, denen die Lerninhalte entweder von anderen Experten oder im Frontalunterricht vom Lehrer vermittelt wurden. Eine Abhängigkeit des Lernerfolgs von den Schülerleistungen sowie vom Geschlecht konnte nicht festgestellt werden. Ferner liegen die Rededauern des Lehrers während des Gruppenpuzzles deutlich unter denen im Frontalunterricht. Die Auswertung über Residuen, der Einsatz des U-Tests sowie die Dichotomisierung der Meinungstests mittels Median erwies sich als praktikabel und vorteilhaft, so dass das verwendete Evaluationsinstrument insgesamt als geeignet angesehen werden kann, um verlässliche Daten aus einer Vergleichsgruppenuntersuchung zu erheben. Einschränkend bleibt zu sagen, dass die Effektivität des Gruppenpuzzles zum Thema Seifen lediglich für Chemieschüler der Jahrgangsstufe 10 an nordrhein-westfälischen Gymnasien evaluiert wurde. Die exemplarische Ausweitung auf andere Bundesländer und andere Schulformen, die erfolgreiche Durchführung auch ohne Anwesenheit des Lehrers, eine streng konservative Auslegung der Untersuchung sowie die Kongruenz mit Ergebnissen anderer Studien sprechen jedoch dafür, dass mit dieser kooperativen Lernform ein effektiver Beitrag zur Unterrichtsverbesserung im deutschen Chemieunterricht geleistet werden kann.
Die Entwicklung und Evaluation einer Lernumgebung, die der Konzeption Chemie im Kontext folgt
(Universität Dortmund, 2004-03-29) Hoffmann, Ingrid; Ralle, B.; Melle, I.
Entwickelt und evaluiert wurde eine neuartige Unterrichtsorganisation, die den Qualitätsmerkmalen der Konzeption Chemie im Kontext folgt. Chemie im Kontext zeichnet sich durch eine alltagorientierte, multiperspektivisch ausgerichtete Unterrichtsorganisation aus, die auf fachliche Basiskonzepte zurückgreift und dem selbständigen Lernen den Vorrang gibt. Das Forschungsdesign der vorliegenden Untersuchung ist eine Fallstudie. Zu den Aspekten, die untersucht werden, gehören drei Bereiche.Überprüft werden · die Akzeptanz einer kontextorientierten und multiperspektivisch ausgerichteten Unterrichtsorganisation, · die Auswirkungen auf die Lernmotivierung und · der Einfluss auf die Behaltensleistung. Für die Datensammlung werden qualitative und quantitative Erhebungstechniken genutzt. Dazu gehören angewandte Verfahren wie das Concept-Mapping, die Gruppendiskussion, die teilnehmende Beobachtung sowie eine Befragung zur Akzeptanz und Lernmotivierung. Die Ergebnisse der Befragung zeigen,· dass die Akzeptanz der Unterrichtsorganisation hoch war, höher als im bisherigen Chemieunterricht.· dass der Lerninhalt bedeutsam eingeschätzt wurde, bedeutsamer als die Kenntnisse aus dem früheren Chemieunterricht,· dass die Beteiligten sich kompetent und selbständig wahrgenommen haben, selbständiger und kompetenter als im vorangegangenen Chemieunterricht.Die ermittelten statistischen Kenndaten werden als explorative Instrumente genutzt, Hypothesen zu generieren oder mit vorhandenen Forschungshypothesen zu vergleichen. Aus der Faktorenanalyse des Datenmaterials ergibt sich ein Itembündel, das durch einen Faktor mit sehr hoher Aufklärungsvarianz repräsentiert wird. Wird der Faktor aus der Perspektive des interessengeleiteten Lernens interpretiert, so legen die Befunde dieser Untersuchung nahe, dass sich emotionale und wertbezogene Komponenten des Lernens auf die Lernmotivierung auswirken und damit die Qualität der Lernleistung bestimmen. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit Lerntheorien, die die Subjektivität des Lerners betonen und davon ausgehen, dass der Lernerfolg steigt, wenn der Lerninhalt für den Lerner bedeutsam ist und sein Interesse weckt und fördert.Die Wissensdiagnose in dieser Untersuchung zeigt, dass die selbständige Erarbeitung komplexer Zusammenhänge in einer kontextorientierten Unterrichtsorganisation zu einem profunden Wissen führt, das zu einem späteren Zeitpunkt problemorientiert angewendet und als Gruppen- und Einzelwissen präsentiert werden kann.
Der 11. Jahrgang Chemie in Nordrhein-Westfalen
(Universität Dortmund, 2003-12-22) Krilla, Bodo; Ralle, B.; Schmidkunz, H.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der 11. Jahrgang für das Fach Chemie, entsprechend des nordrhein-westfälischen Lehrplans, geplant, erprobt und evaluiert. Die Planung des Unterrichtganges orientierte sich an den Ideen des Konzepts von Chemie im Kontext, dabei handelt es sich um die drei 'Säulen' Kontextorientierung, Förderung des selbstständigen Lernens und Erlernen von vernetzen Basiskonzepten. Innerhalb des gesamten Unterrichtjahres wurden für diese Arbeit zwei Schwerpunkte gesetzt: Die Einstiegseinheit Alkohol - zum Trinken viel zu schade? sowie die Einführung des chemischen Gleichgewichts.Vorgegangen wurde nach dem Forschungsmodell der partizipativen fachdidaktischen Aktionsforschung, wie es von Eilks & Ralle beschrieben wurde. Die Besonderheiten dieses Forschungsmodells bestehen in einer engen Zusammenarbeit mit aktiven Lehrkräften, sowie einer zyklischen Erprobung, Evaluierung und anschließender Überarbeitung von Unterrichtskonzepten und -materialien. Es wurden zwei Forschungszyklen durchlaufen, welche jeweils das gesamte Schuljahr umfassen. Eine verstärkte Evaluation, mit der Zielsetzung Ansatzpunkte zur Optimierung der Einheiten zu finden, fand zu den beiden, oben genannten Schwerpunkten dieser Arbeit innerhalb des zweiten Zyklus statt. Alkohol - zum Trinken viel zu schade?Für die Einheit Alkohol - zum Trinken viel zu schade? legten die Ergebnisse der Evaluation vor allem Änderungen in zwei Bereichen nahe. Der erste Bereich betrifft die Vermittlung der Erarbeiteten Ergebnisse der arbeitsteiligen Gruppenarbeit in der Erarbeitungsphase. Von einer reinen Präsentation der Ergebnisse ist vor allem dann abzusehen, wenn auch neben Faktenwissen auch prozedurales Wissen vermittelt werden soll. Der zweite Bereich umfasst zwei Aspekte: zum einen experimentieren die Schüler sehr gerne, zum anderen empfanden die Schüler die Einheit als zu theorielastig, insbesondere schienen sie die Besprechung von Theorie im Anschluss an Experimente nicht zu mögen. Zur Behebung dieses Konfliktes, sowie zur Vereinfachung der Ergebnisvermittlung wurde folgender Vorschlag gemacht: Ein Großteil der Experimente wird in die arbeitsteilige Gruppenarbeit gelegt. Dort sollen sie, neben der Ermittlung von Faktenwissen insbesondere auch dem Erwerb von handwerklichem Geschick und dem Erwerb von sozialen Kompetenzen dienen. Entsprechend dem obigen Vorschlag erfolgt die Vermittlung der zur Erklärung notwendigen Theorien zeitlich deutlich versetzt, z. B. in einem anschließenden Lernzirkel. Die Einführung in das chemische GleichgewichtDer Kurs zur Einführung in das chemische Gleichgewicht besteht insgesamt aus drei Einheiten, von denen die Einheit Saure Reiniger im Haushalt im Rahmen dieser Arbeit näher untersucht wurde. Eine Besonderheit dieser Einheit besteht darin, dass die Begegnung der Schüler mit dem chemischen Gleichgewicht über ein Computertutorium zur Einführung in die Stoßtheorie stattfindet.Es wurden eine Fragebogen- und eine Interviewstudie mit dem Ziel durchgeführt, Hinweise für die Optimierung des Unterrichtganges und des Tutoriums zu bekommen. Daher wurde besonders auf das Auftauchen von Fehlvorstellungen geachtet und diese mit in der Literatur bekannten verglichen. Es zeigte sich, dass die Vorstellung der gleichen Konzentrationen von Edukten und Produkten im Gleichgewicht eine vergleichsweise große Rolle spielte. Weiterhin fanden sich bei der Analyse der Interviewstudie Hinweise auf das auftreten von Hilfshypothesen oder -erklärungen bei einigen Schülern. Sie lassen sich, in unserem Fall, darauf zurückführen, dass die Schüler die stoßtheoretische Erklärung der Gleichgewichtseinstellung bzw. -verschiebung noch nicht vollständig akzeptiert haben. Für die Durchführung des Unterrichts wird daher die Empfehlung ausgesprochen, die häufig zur Erklärung von Gleichgewichtsphänomenen herangezogenen Argumente auf Basis stoßtheoretischer Annahmen erläutern zu lassen bzw. zu erklären. Es sei besonders darauf hingewiesen, dass die Ergebnisse eine deutliche Rollenzuweisung für die Lehrkraft beim Umgang mit Computertutorien bedeuten. Die Lehrkraft verschwindet nicht hinter dem Tutorium, sie hat vielmehr die Verantwortung dafür, dass die im Tutorium grundgelegten Vorstellungen gefestigt und vervollkommnet werden.
Inhaltliche und methodische Gestaltung des Themas Energetik bei chemischen Umsetzungen unter besonderer Berücksichtigung spontaner, endothermer chemischer Reaktionen in der Ausbildung von Chemielaboranten im dualen System
(Universität Dortmund, 2002-12-18) Frigge-Hagemann, Inge; Schmidkunz, Heinz; Ralle, Bernd
Problemorientierte Lernumgebungen im Eingangsstudium des Faches Chemie
(Universität Dortmund, 2002-02-19) Ruttert, Matthias; Ralle, Bernd; Fischer, R. A.
Aufbauend auf Theorien und Ansätzen des 'situierten Lernens' wurde für das Eingangsstudium im Fach Chemie an der Ruhr-Universität Bochum ein Curriculum konzipiert, in dem die Studierenden in problemorientierten Lernumgebungen flexibel anwendbares Wissen erwerben sollen, das sie zu einem kompetenten Handeln befähigt. Kernidee dieses problemorientierten Curriculums ist, dass die Lernenden schon zu Beginn des Studiums - und nicht erst in der Abschlussphase ihres Studiums - lernen, komplexe und authentische Problemstellungen selbständig zu bearbeiten. Die Problemstellungen zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Komplexität im Laufe der Lehrveranstaltung zunimmt und nicht bereits im Vorfeld durch den Lehrenden reduziert wurde - auf diese Weise bieten die Problemstellungen mehrere alternative Lösungswege. Authentizität bedeutet, dass die kognitiven Prozesse, die die Lernenden bei der Lösung der Problemstellungen anwenden, denen bei der Lösung realer Probleme entsprechen. Die Lernenden müssen das Problem in sinnvolle Teilprobleme zerlegen, mit anderen Studierenden über Schwierigkeiten diskutieren, Ergebnisse aus- und bewerten und veröffentlichen.Den Erwerb solchen 'intelligenten Wissens' zu unterstützen, ist nicht trivial: Es gilt, eine Balance zwischen der notwendigen (Lerner-)Konstruktion und der wohlorganisierten (Lehrer-)Instruktion zu finden. Mit Hilfe prozessorientierter Evaluationsmethoden soll untersucht werden, inwieweit durch dieses Curriculum der Erwerb flexibel anwendbaren chemischen Wissens und chemischer Strategien tatsächlich gefördert werden kann und inwieweit die Lernenden ihr Handeln durch metakognitive Strategien kontrollieren.
Entwicklung und Evaluation von Lernzyklen zum Thema Maßgeschneiderte Polymere im Rahmen der Konzeption Chemie im Kontext
(Universität Dortmund, 2001-09-25) Köhler-Krützfeldt, Angela; Ralle, Bernd; Schmidkunz, Heinz
Ausgehend von der aktuellen Situation des Chemieunterrichts, die von geringem Interesse seitens der Schüler und Schülerinnen geprägt ist, werden die Struktur des von Parchmann und Ralle entwickelten Curriculums 'Chemie im Kontext' sowie relevante lerntheoretische Hintergründe erläutert. Diese Kontexte sind als vierphasige Lernzyklen mit Begegnungs- und Neugierphase, Erarbeitungs- sowie Vertiefungs- bzw. Vernetzungsphase konzipiert. Nach diesem Schema werden zwei Lernzyklen zu superabsorbierenden und zu leitfähigen Polymeren entwickelt sowie die dazu benötigten Unterrichtsmaterialien einschließlich der entwickelten Experimente erläutert.Die praktische Umsetzbarkeit des Lernzyklusses zu superabsorbierenden Polymeren wird in mehreren Schülergruppen durch Kombination von quantitativen und qualitativen Methoden evaluiert. Unterrichtsbeobachtungen, Fragebogenerhebungen und Gruppendiskussionen ergeben, dass ein in Alltagskontexten verankerter Unterricht mit vielfältigen Methoden und einem hohen Maß an Eigentätigkeit von den Schüler und Schülerinnen als besonders interessant und motivierend angesehen wird. Die entwickelten Experimente werden in Bezug auf Routineaspekte, Wahrnehmungsaspekte und Handlungsaspekte untersucht und für schultauglich befunden.
Falschvorstellungen von Schülern in der Elektrochemie
(Universität Dortmund, 2000-11-16) Marohn, Annette
Die vorliegende Studie beschreibt Falschvorstellungen von Schülern (Diese und ähnliche Personenbezeichnungen sind geschlechtsneutral zu verstehen.) in der Elektrochemie. Bei diesen handelt es sich um Vorstellungen, die nicht mit den wissenschaftlichen Konzepten im Bereich der Elektrochemie übereinstimmen. Ziel der Arbeit war es, Falschvorstellungen zu erforschen, die das Verständnis der Vorgänge in elektrochemischen Zellen erschweren und die Kommunikation zwischen Lehrer und Schüler im Chemieunterricht behindern können. Darüber hinaus sollten geeignete Mehrfachwahlaufgaben entwickelt werden, um einen Eindruck von der Häufigkeit der gefundenen Vorstellungen und ihrer Stabilität gegenüber den richtigen Konzepten zu gewinnen. Die Studie stellt 25 Mehrfachwahlaufgaben und 7 Aufgaben mit offener Antwortmöglichkeit vor. Diese wurden in fünf Untersuchungszyklen entwickelt und von ChemieGrundkurs und Leistungskursschülern aus dem gesamten Bundesgebiet schriftlich bearbeitet. Die Schüler wurden gebeten, ihre Antworten ausführlich zu begründen. Insgesamt nahmen etwa 16000 Schüler an der Untersuchung teil. Im Verlauf der Studie konnten Falschvorstellungen zu fünf verschiedenen Aspekten identifiziert werden: Elektrolyse, Ladungstransport im Elektrolyten, Kathode und Anode, Minuspol und Pluspol sowie Strom``verbrauch`` und Elektronenumsatz. Durch die Formulierung von Aufgabenvarianten und die wiederholte Erprobung einer Aufgabe in verschiedenen Untersuchungszyklen war es möglich, die Gültigkeit der gewonnenen Ergebnisse zu überprüfen. Die besonders häufig beobachteten Falschvorstellungen werden im folgenden aufgeführt: Auffällig war die große Zahl von Schülern, die den Elektrolysevorgang als eine Spaltung des Elektrolyten in seine Ionen interpretierten. Viele Schüler hatten keine Vorstellung davon, daß bei einer Elektrolyse Elektronenübertragungen an den Elektroden stattfinden. In den Schülerkommentaren zum Ladungstransport im Elektrolyten dominierte die Falschvorstellung, der Stromfluß im Elektrolyten beruhe auf der Bewegung von Elektronen. Dabei wurden drei unterschiedliche Mechanismen beschrieben: ein Fluß freier Elektronen, ein Transport der Elektronen mit Hilfe von Ionen, die sich von einer Elektrode zur anderen bewegen und ein Weiterreichen der Elektronen von Ion zu Ion. Die Elektrodenreaktionen wurden in diesem Zusammenhang dahingehend gedeutet, daß sich die in der Oxidationsreaktion freigesetzten Elektronen durch die Lösung bewegen müssen, um an der anderen Elektrode im Reduktionsvorgang wieder aufgenommen werden zu können. Bei galvanischen Elementen verstärkte sich die Vorstellung vom Elektronenfluß in der Zelle deutlich, wenn anstelle des Diaphragmas eine Salzbrücke vorgegeben wurde. Eine besondere Schwierigkeit bereitete die Richtung des Ladungstransportes in galvanischen Zellen. Aufgrund ihrer Kenntnisse über die gegenseitige Anziehung ungleichnamiger Ladungen gaben Falschvorstellungen in der Elektrochemie viele Schüler an, daß sich negative Ionen in Richtung des Pluspols, positive Ionen in Richtung des Minuspols bewegen müssen. Die von den Schülern gegebenen Definitionen der Begriffe Kathode, Anode, Minuspol und Pluspol zeigten, daß die Vorgänge in elektrochemischen Zellen aus unterschiedlichen Perspektiven beschrieben werden können. So erwies sich die Definition der Reduktion als Elektronenaufnahme und der Oxidation als Elektronenabgabe als nicht eindeutig, da diese Begriffe sowohl aus der Sicht der Teilchen in der Lösung als auch aus der Perspektive der Elektrode (Der Begriff Elektrode bezeichnet hier nur die elektronenleitende Phase. ) gedeutet werden können. Entgegen der wissenschaftlichen Konvention definierten viele Schüler die Oxidation als den Vorgang, bei dem die Elektrode Elektronen an positive Ionen in der Lösung abgibt. Dementsprechend wurde die Reduktion als ein Prozeß interpretiert, bei dem nicht die positiven Ionen in der Lösung, sondern die Elektrode selbst Elektronen aufnimmt. Die Mehrzahl der Schüler identifizierte den Minuspol und Pluspol einer galvanischen Zelle, indem sie von den bei Stromfluß stattfindenden Elektronenübergängen auf die Ladung der jeweiligen Elektrode schlossen. Die Beschreibung des Elektronentransfers und der Kausalschluß auf die Ladung der Elektrode erfolgten auch hier aus unterschiedlichen Perspektiven: Zum einen konnte sowohl der Elektronentransfer zwischen der Elektrode und dem inneren Leiter als auch der Elektronenübergang zwischen der Elektrode und dem äußeren Leiter betrachtet werden. Zum anderen wurde der Elektronentransfer einmal als Ursache, einmal als Folge der Ladung der Elektrode interpretiert. Die gleichen Argumentationsweisen zeigten sich am Beispiel elektrolytischer Zellen, ohne daß dabei die Polung der äußeren Spannungsquelle berücksichtigt wurde. Falschvorstellungen in der Elektrochemie. Bei gleichzeitiger Verwendung der Begriffspaare Kathode/Anode und Minuspol/Pluspol wurde die Kathode von den meisten Schülern mit dem Minuspol gleichgesetzt und auch bei galvanischen Elementen dem negativen Pol der Zelle zugeordnet. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, daß einige Schüler einen ungleichen Elektronenumsatz an den Elektroden einer Elektrolysezelle für möglich halten, der unterschiedliche Stromstärken auf beiden Seiten der Zelle zur Folge hat. Auf der Basis einer Analyse verschiedener Schulbücher wurden abschließend mögliche Ursachen für die aufgezeigten Falschvorstellungen diskutiert und einige Anregungen für den Chemieunterricht gegeben. Die Kenntnis der beschriebenen Falschvorstellungen kann dazu beitragen, fehlerhafte Aussagen von Schülern besser zu verstehen und gezielter auf Schwierigkeiten von Schülern in der Elektrochemie einzugehen. Die entwickelten Aufgaben können zudem von Lehrern im Chemieunterricht eingesetzt werden, um sich einen Überblick über die Schwierigkeiten ihrer Schüler zu verschaffen oder um eine Diskussion über einen Sachverhalt aus dem Bereich der Elektrochemie in Gang zu setzen.
Die Gruppendiskussion als Forschungsmethode in der Chemiedidaktik
(Universität Dortmund, 2000-05-12) Eybe, Holger
Forschungsmethoden sind in der Chemiedidaktik ein wichtiges Thema. Forschungsergebnisse können besonders überzeugend sein, wenn mit Blick auf die Methode nachvollziehbar ist, wie diese Ergebnisse zustande gekommen sind. Seit vielen Jahren sind am Lehrstuhl für Chemiedidaktik von Prof. Dr. Hans-Jürgen Schmidt Gespräche mit Schülergruppen geführt und auf Video aufgezeichnet worden. Ergebnisse aus schriftlichen Erhebungen, bei denen Testaufgaben von großen Schülerkollektiven bearbeitet wurden, sind in Gruppengesprächen über einige dieser Testaufgaben validiert worden. Es entstand die Idee, ein systematisches Gruppendiskussionsverfahren zur Erforschung von Schülervorstellungen zu entwickeln. Aus den kognitiven Lerntheorien kann man schließen, daß individuelle Vorstellungen anders beschaffen sind als wissenschaftliche Vorstellungen. Lernen wird als aktiver Prozeß beschrieben, der bei jedem Individuum zu unterschiedlichen kognitiven Strukturen führen kann. Diese Strukturen können mit wissenschaftlichen Begriffen unvereinbar sein. Die möglichen Lernschwierigkeiten, die daraus entstehen können, sind ein Grund, in der chemiedidaktischen Forschung Schülervorstellungen zu untersuchen. Das Ziel ist, im Unterricht besser auf die Schüler eingehen zu können. Schülervorstellungen werden in der naturwissenschaftsdidaktischen Forschung mit einer Vielzahl von Methoden untersucht. Qualitative Ansätze, bei denen eine Annäherung an Forschungssubjekte angestrebt wird, sind bei der Erforschung individueller Vorstellungen verbreitet. Durch Beschreibung und Interpretation sollen auf einem systematischen, nachvollziehbaren Weg Forschungsergebnisse erzielt werden, die argumentativ verallgemeinert werden können. Durch das Zusammenspiel verschiedener Methoden kann dabei die Validität der Ergebnisse erhöht werden. Bei diesem Forschungsprozeß wirken Forscher und Beforschte in unterschiedlichster Weise aufeinander ein. Es können Interessenskonflikte und nachteilige Konsequenzen für alle Beteiligten entstehen. Da der Forscher für sein Handeln verantwortlich ist, müssen ethische Aspekte bei allen Entscheidungen, die den Forschungsprozeß betreffen, berücksichtigt werden. Im Unterricht trifft man auf die Vorstellungen von Schülergruppen. Eine Gruppendiskussionsmethode, mit der Schülervorstellungen zu chemischen Grundbegriffen bei Schülergruppen untersucht werden können, ist bislang in der Chemiedidaktik-Forschung nicht erprobt worden. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Untersuchung von Schülervorstellungen bei Diskussionen im Klassen- bzw. Kursverband. Die Gruppendiskussionsmethode sollte folgende Eigenschaften haben: 1. Der Einfluß des Forschers soll möglichst gering sein. 2. Das Gespräch soll sich auf ein Thema der Chemie konzentrieren. 3. Das Gespräch soll sich auf chemische Grundbegriffe konzentrieren. 4. Die Schüler sollen möglichst frei darüber entscheiden können, welche Aspekte eines Themas sie für diskussionswürdig halten und auf welche Art sie diese diskutieren möchten. 5. Die Diskussion soll für alle Beteiligten von Nutzen sein. 6. Das Gruppendiskussionsverfahren soll Daten liefern, die sich mit Blick auf die Unterrichtspraxis analysieren lassen. Die Gruppendiskussionsmethode wurde in einem zyklischen Prozeß entwickelt, bei dem sich die Planung und Durchführung von Gruppen-gesprächen mit Phasen der Reflexion abwechselte. Gruppendiskussionen zu drei verschiedenen Themen wurden mit Chemie-Grund- und Leistungskursen durchgeführt. Sechs Chemiekurse und drei Gruppen von Lehramtsstudenten nahmen teil. Die Gruppengröße lag im Schnitt bei etwa 15 Teilnehmern. Die Chemiekurse wurden über Lehrer, die bereits Interesse an der Teilnahme an Forschung gezeigt hatten (z.B. bei früheren Besuchen der Uni) zu einem Besuch des Fachbereichs Chemie eingeladen. Je nach Thema wurden 45 oder 90 Minuten für die Diskussion veranschlagt. Die Gespräche fanden im Mediendidaktischen Zentrum (MDZ) der Universität Dortmund statt. Dort entstanden Video-Mitschnitte der Diskussionen, die dann für die spätere Analyse kopiert wurden. Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine Reihe von Prinzipien zur Durchführung von Gruppendiskussionen. Diese betreffen vor allem die Struktur der Diskussionen, die Rolle des Moderators, die Entwicklung von Aufgaben, die den Teilnehmern als Anlaß zur Diskussion präsentiert wurden, und die Analyse der anfallenden Daten. Diese Prinzipien werden an konkreten Beispielen aus den Gesprächen illustriert. Daneben werden Aufgaben vorgestellt, die in Schülergruppen eingesetzt worden sind. Anhand einer exemplarischen Studie zum Thema "Schülervorstellungen zum chemischen Gleichgewicht" wurde gezeigt, wie Forschungsergebnisse beschaffen sein können, die mit Gruppendiskussionen erzielt wurden. Auch die ethischen Fragen, die sich bei der Durchführung der Gespräche stellten, wurden angesprochen. Die Validität und die Verallgemeinerbarkeit der Prinzipien wurden diskutiert. In Teamgesprächen fand eine kommunikative Validierung der Prinzipien statt. Die Prinzipien können als situationsbezogene, argumentativ begründete Regeln verstanden werden. Die Entscheidung über die Übertragbarkeit auf neue Situationen muß vom Anwender getroffen werden. Die in dieser Arbeit dargelegten Argumente sollen eine fundierte Entscheidung ermöglichen. Wie jedes Verfahren hat die Gruppendiskussionsmethode ihre Grenzen. Z.B. können keine gesicherten Aussagen über die Vorstellungen Einzelner gemacht werden. Als Grundannahme dieser Arbeit galt von vornherein, daß die Gruppendiskussionsmethode nur als eines von mehreren Verfahren zur umfassenden Erforschung von Schülervorstellungen beitragen kann. Es wurden Möglichkeiten diskutiert, Gruppendiskussionen in der Forschung einzusetzen. Neue Themengebiete und Schüler anderer Altersgruppen könnten untersucht werden. Eine direkte Übertragung der Methode in den Chemieunterricht wäre nicht sinnvoll. Lehramtsstudenten könnten von der Erfahrung mit Schülern profitieren, die man beim Durchführen von Gruppengesprächen gewinnt. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Schüler als Subjekte besser
Vorstellungen von Schülern über Elektrochemie
(Universität Dortmund, 2000-05-12) Burger, Nils
Lernen ist ein aktiver Prozeß, bei dem der Lernende sein Wissen erweitert und neu organisiert. Daher ist das Vorwissen der Schüler für den Unterricht von entscheidender Bedeutung. In der vorliegenden Studie wurden Schülervorstellungen zur Elektrochemie untersucht. Besonderes Interesse galt dabei der Frage, wie die einzelnen Vorstellungen miteinander verknüpft sind. Es sollte beispielsweise festgestellt werden, ob Schüler bestimmte Vorstellungen aus anderen ableiten. Eine solche Information ist für den Chemieunterricht von großem Interesse, weil daraus ersichtlich wird, welche Voraussetzungen für das Verstehen bestimmter Sachverhalte gegeben sein müssen. Zunächst wurden Methoden für die Untersuchung der Vernetzung der Schülervorstellungen zur Elektrochemie entwickelt und erprobt. Mit Hilfe dieser Methoden wurden zehn Interviews mit Schülern durchgeführt und analysiert. Die Schüler besuchten zum Zeitpunkt der Interviews die Klassen zwölf und dreizehn der gymnasialen Oberstufe. Alle hatten bereits das Thema Elektrochemie in der Oberstufe behandelt. Es wurden jeweils zwei Schüler eines Chemiekurses befragt. Insgesamt dauerte ein Interview 90 Minuten. Die Gespräche wurden durch zwei Skizzen strukturiert. Die eine Skizzen stellte eine galvanischen Zelle, die andere eine Elektrolysezelle dar. Die Aufgaben, diese Skizzen zu beschreiben, zu beschriften und miteinander zu vergleichen, gewährleisteten, daß im Interview über alle grundlegenden Konzepte der Schulelektrochemie gesprochen wurde. Gleichzeitig waren die Interviews so offen, daß auf die Probleme der einzelnen Schüler mit dem Thema Elektrochemie eingegangen werden konnte. Die Interviews wurden aufgezeichnet und transkribiert. Bei der Analyse wurden in mehreren Schritten die Argumentationsstränge aus den Gesprächen herausgearbeitet. So wurde eine überschaubare Darstellung der Interviews erreicht. Aus den Argumentationssträngen wurden die einzelnen Vorstellungen der Schüler über Elektrochemie, ihre Vernetzung und Entwicklung in den langen Gesprächen deutlich. Die so erhaltenen Ergebnisse wurden ausgehend von der naturwissenschaftlich anerkannten Beschreibung der Elektrochemie diskutiert und mit den Ergebnissen anderer Forscher verglichen. So konnten einige Probleme, die sich beim Lernen von Elektrochemie aus der Struktur des zu lernenden Inhaltes ergeben, identifiziert und beschrieben werden. Daraus ergaben sich Argumente, die bei der Planung des Chemieunterrichts berücksichtigt werden können. Sie basieren auf der Struktur der Elektrochemie. Über andere Faktoren, die dabei zu berücksichtigen sind, werden hier keine Aussagen getroffen. Zwei in der Elektrochemie besonders wichtige Begriffspaare sind 'Minuspol', 'Pluspol' und 'Anode', 'Kathode'. Für den Unterricht muß die Entscheidung getroffen werden, ob beide Begriffspaare oder nur eines von beiden verwendet werden sollen. Die Auslassung eines Begriffspaares kann eine Vereinfachung darstellen, beide Begriffspaare sind jedoch wichtig. Die Begriffe 'Minuspol' und 'Pluspol' sind beispielsweise bei Experimenten besonders wichtig, da sich leicht bestimmen läßt, welche Elektrode welchem Pol entspricht. Die Begriffe 'Anode' und 'Kathode' sind aus chemischer Sicht interessant, da sie mit den Elektrodenreaktionen verknüpft sind. Wird entschieden, beide Begriffspaare im Unterricht zu verwenden, so sollte das sowohl für galvanische Zellen als auch für Elektrolysezellen geschehen. Sonst entsteht bei den Schülern der falsche Eindruck, die Begriffe 'Anode' und 'Kathode' seien Synonyme der Begriffe 'Pluspol' und 'Minuspol'. Die Begriffe 'Pluspol' und 'Minuspol' können im Unterricht über 'Elektronenmangel' und 'Elektronenüberschuß', die Begriffe 'Anode' und 'Kathode' über 'Oxidation' und 'Reduktion' definiert werden. Letzteres bedeutet, daß an der Anode eine Elektronenabgabe stattfindet. Damit diese Aussage eindeutig wird, muß zusätzlich angegeben werden, daß das Teilchen, welches oxidiert wird, Elektronen an die Elektrode abgibt. Die Schüler können die Aussage ansonsten auch so deuten, daß die Elektrode Elektronen abgebe. Es kann hilfreich sein, zu verdeutlichen, daß die Begriffe 'Pluspol' und 'Minuspol' keine Information über die Richtung des elektrischen Stroms enthalten. Die Begriffe 'Anode' und 'Kathode' sagen hingegen etwas über die Richtung des Stromflusses aus, nicht aber über die Ladungsverteilung im System. Ein Vergleich zwischen galvanischen Zellen und Elektrolysezellen am Beispiel eines Akkumulators kann dies verdeutlichen. Im vorangegangenen Absatz wurde bereits erwähnt, daß der Begriff 'Elektronenabgabe' aus unterschiedlichen Perspektiven gesehen werden kann. Das gilt ganz allgemein für die Beschreibung eines Stroms. So kann man beispielsweise davon ausgehen, daß der Minuspol Elektronen abgebe, weil er negativ geladen sei. Die Annahme, daß der Minuspol negativ sei, weil er Elektronen aufgenommen habe, ist jedoch genauso logisch. In dieser Beschreibung verlieren die Begriffe 'Minuspol' und 'Pluspol' ihre Eindeutigkeit. Aus diesem Beispiel wird deutlich, daß viele Schüler, wenn sie über elektrische Stromkreise nachdenken, keinen stationären Zustand, sondern einen Startvorgang vor Augen haben. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, Sachverhalte aus unterschiedlichen Perspektiven zu beschreiben. Die Tatsache, daß die Schüler unterschiedliche Perspektiven verwenden, führt zu Kommunikationsproblemen. Einige Beschreibungen der Schüler können jedoch nur konsistent sein, wenn innerhalb der Argumentationskette ein Perspektivenwechsel vollzogen wird. Die dadurch auftretenden Probleme können möglicherweise durch eine Bewußtmachung der unterschiedlichen Perspektiven gelöst werden. Die Verwendung des Feldbegriffes im Chemieunterricht scheint nicht sinnvoll zu sein. Der Strombegriff scheint für die Beschreibung der Elektrochemie in der Schule besser geeignet. Das Problem, daß der Strombegriff den globalen Charakter des Systems nicht ausreichend beschreibt, kann durch eine Diskussion auf der Metaebene angegangen werden. Es sind folgende Voraussetzungen notwendig, um zu verstehen, daß durch den inneren Stromkreis einer elektrochemischen Zelle keine freien Elektronen fließen: 1. Der Elektronentransfer zwischen der Oxidations und der Reduktionsreaktion findet durch den äußeren Stromkreis statt. 2. Nicht nur der Fluß von Elektronen, sondern jede bewegte Ladung stellt einen elektrischen Strom dar. Folglich genügt der Fluß von Ionen durch die Lösungen, um den Stromkreis zu schließen. 3. Freie Elektronen sind in den Lösungen nicht beständig. Sie bewirken beim Austritt aus einer Elektrode eine Reduktionsreaktion. 4. Der Stromfluß im inneren Stromkreis ist notwendig, um der Ladungstrennung durch die räumlich geordnete Elektronenübertragung über den äußeren Stromkreis entgegenzuwirken. Aus der Annahme, daß Elektronen durch den inneren Stromkreis gelangen müßten, leiten die Schüler falsche Vorstellungen über den Leitungsmechanismus in Elektrolyten ab. Eine korrekte Beschreibung des Leitungsmechanismus setzt außerdem die Annahme voraus, daß sich in den Lösungen Ionen befinden. Die Wissenschaftsgeschichte zeigt, daß dies nicht leicht einzusehen ist. Die Feststellung, daß das Diaphragma zum Schließen des Stromkreises notwendig ist, liefert den Schülern keine ausreichende Erklärung. Die Aussagen, daß das Diaphragma ein Vermischen der Lösungen verhindert und daß es für alle Ionensorten durchlässig ist, sind widersprüchlich. Korrekter müßte es heißen, daß ein derartiges Diaphragma für die Dauer des Versuchs ein merkliches Vermischen der Lösungen verhindert. Aufgrund der hohen Komplexität des Themas Elektrochemie ist es fraglich, ob eine Beschreibung der Elektrodenreaktionen über Hin und Rückreaktionen in der Schule sinnvoll ist. Die oben beschriebenen Probleme zeigen, wie logisch die Schüler denken. Viele ihrer 'Fehler' stellen eine große intellektuelle Leistung dar. Oft gehen die Schüler von einer falschen Annahme aus und leiten ihre weiteren Aussagen konsequent daraus ab. Viele dieser falschen Annahmen resultieren aus logischem Denken. Kennt der Lehrer die falschen Annahmen, kann er im Unterricht auf sie eingehen. So können die in der vorliegenden Studie gewonnen Ergebnisse für den Chemieunterricht hilfreich sein.

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