Der naturwissenschaftliche Unterricht und hierbei insbesondere das Fach Chemie zeichnen sich dadurch aus, dass sich chemische Prozesse häufig nur makroskopisch beschreiben lassen. Tiefergehende Erklärungen für chemische Phänomene müssen jedoch indirekt über die der menschlichen Wahrnehmung unzugänglichen submikroskopischen Ebene generiert werden. Als Hilfsmittel zur Visualisierung und als epistemologische Werkzeuge werden Modelle genutzt, die eine wesentliche Säule der Erkenntnisgewinnung bilden. Dass das Nutzen von Modellen und der damit einhergehende Einbezug der submikroskopischen Ebene zur Erklärung chemischer Phänomene keine triviale Tätigkeit ist, konnte in bisherigen Studien bei der Analyse von Schüler*innenerklärungen aufzeigt werden, da ein Großteil der Erklärungen nicht über die makroskopische Ebene hinausging und somit eher einen deskriptiven Charakter aufwiesen.

Augmented Reality (AR) erscheint in diesem Zusammenhang als ein potenzieller Unterstützungsansatz, denn die Technologie zeichnet sich durch Erweiterung der Realität mit virtuellen Objekten mittels digitaler Medien aus. So können bereits während der Experimentier- und Beobachtungsphase die Vorgänge auf der submikroskopischen Ebene repräsentiert werden. Das Promotionsprojekt verfolgt daher das Ziel, Effekte des Einsatzes von Augmented Reality während des Experimentierens auf die Erklärungen der Lernenden zu untersuchen. Hierzu wird zunächst ein systematisches Literaturreview zum Einsatz von Modellen im Erkenntnisgewinnungsprozess durchgeführt, dessen Ergebnisse in die Entwicklung einer AR-Umgebung einfließen. Diese Umgebung wird zunächst evaluiert und weiterentwickelt, bevor sie in der Hauptstudie eingesetzt wird, die als Prä-Post-Interventionsstudie geplant ist. Die Gestaltung der beiden vorgesehenen Vergleichsgruppen geschieht dabei ebenfalls auf Basis des Literaturreviews.

Ko-Betreuung der Promotion:
Prof. Dr. Sebastian Habig, FAU Erlangen-Nürnberg

Die naturwissenschaftliche Grundbildung ist ein zentrales Ziel des Sachunterrichts und umfasst u.a. das Lernen naturwissenschaftlicher Methoden und Konzepte. Mithilfe der Methode des Modellierens können Schüler*innen bereits in der Grundschule methodisches und konzeptuelles Wissen aufbauen. Dies wird von nationalen und internationalen Studien bestätigt. In diesen Studien zeigt sich allerdings, dass Schüler*innen Unterstützung beim Modellieren benötigen. Wie der Modellierprozess im chemie-bezogenen Sachunterricht unterstützt werden kann, ist Kern des Promotionsvorhabens.

Um Unterstützungsmöglichkeiten zu identifizieren, erfolgt zunächst ein Blick in die theoretischen Grundlagen und empirischen Untersuchungen zum Konzepterwerb in der Grundschule. Nationale Studien zeigen auf, dass konzeptuelles Wissen durch das Arbeiten mit unähnlichen Beispielen aufgebaut werden kann. Durch ein vermehrtes Vergleichen (Analogiebildung) zwischen multiplen Phänomenen lässt sich auch bei leistungsschwächeren Schüler*innen ein Wissenszuwachs und eine bessere Transferleistung feststellen. Ausgehend von diesen Ergebnissen ist zu vermuten, dass ein solches Lernsetting, in dem bewusst mit multiplen (unähnlichen) Phänomenen gearbeitet wird, eine Förderung des Konzepterwerbs hervorbringt. Offen bleibt an dieser Stelle allerdings, inwiefern das Arbeiten mit Analogien zur Unterstützung des Modellierprozesses im chemie-bezogenen Sachunterricht geeignet ist. Darüber hinaus stellt sich die Frage, inwieweit durch diese Intervention konzeptuelles Wissen angebahnt werden kann.

Um diese Fragestellungen zu beantworten, ist eine Interventionsstudie im Vergleichsgruppendesign in der 4. Jahrgangsstufe geplant. Dafür werden zwei vergleichbare Gruppen gebildet, die jeweils die gleiche Experimentiersituationen erhalten, sich allerdings im Hinblick auf die Unterstützungsmaßnahmen unterscheiden. Gruppe A erhält zusätzlich zu den Experimentiersituationen explizite Unterstützung zur Analogiebildung. Gruppe B dient als Kontrollgruppe, welche keine weiteren Unterstützungsmaßnahmen erhält. Die genannten Experimentiersituationen sind Kern der Studie und beziehen sich auf ausgewählte Phänomene zum Thema Löslichkeit. Die Phänomene sind lebensnah und eignen sich sowohl für das Modellieren als auch für die Analogiebildung.

Um den Konzepterwerb zu erfassen, sind Prä- und Post-Interviews geplant. Im Prä-Interview soll bereits zu Beginn ein Einblick in das Vorwissen der Schüler*innen zur Löslichkeit fester Stoffe in Wasser erfolgen. Das Post-Interview beinhaltet neben der Reflexion des Modellierprozesses eine Transferaufgabe, um die Analogiebildung und den Wissenstransfer messen zu können. Zudem wird die Intervention videografiert, sodass ein detaillierter Einblick in den Lernprozess der Schüler*innen erfolgt.

Der Anspruch schulischen Chemieunterrichts der Fachwissenschaft Chemie gerecht zu werden, hat weitreichende Folgen für die Planung und Umsetzung von Chemieunterricht. Dabei sind es nicht nur die fachlichen Inhalte und Arbeitsweisen, welche eine Annäherung an die Fachwissenschaft versprechen. Das metakonzeptuelle Verständnis der Lernenden spielt eine entscheidende Rolle. Das Wissen darüber wie Evidenzen entstehen und wann diese glaubhaft sind spielt auch im Alltag eine entscheidende Rolle. In Zeiten von Fake-News und individuellen Wahrheiten bietet ein entwickeltes metakonzeptuelles Bewusstsein eine gute Grundlage zur eigenen Meinungsbildung.

Es ist eine lange Tradition der Wissenschaftstheorie zu untersuchen, wie Erkenntnisse entstehen und Theorien sich verändern. Ihre Fortführung im fachdidaktischen Feld findet diese Forschungslinie im Bereich der conceptual-change Theorie. Diese in den 80er Jahren von Posner und Kollegen begründete Theorie, versucht alternative Vorstellungen der Lernenden bzgl. chemischer Konzepte zu verändern. Zentrales Anliegen ist es durch die Konfrontation mit Widersprüchen den eigenen Theorierahmen zu überarbeiten.

Das Ziel des Promotionsprojektes ist es, den Umgang angehender Lehrkräfte mit Evidenzen genauer zu untersuchen. Dabei steht neben dem vorhandenen forschungsmethodologischen Wissen auch der Umgang mit Evidenzen im Vordergrund. Das Projekt gliedert sich in 3 Teilstudien, welche den generellen Umgang mit Evidenzen, die Verarbeitung von anomalen Daten aus Experimentierbeobachtungen und das Wissen und die Einstellungen bzgl. evidenzbasierter Praxis im Unterricht untersuchen.

Ausgehend von den lehrplanbezogenen Kompetenzerwartungen in NRW zeigt sich, dass die Fähigkeit des Fragenstellens sowie die Formulierung von Hypothesen bedeutende Komponenten der naturwissenschaftlichen Grundbildung darstellen. Darüber hinaus sollen Schülerfragen in kontextorientierten Lernansätzen als Ausgangslage für Untersuchungen im Chemieunterricht genutzt werden, um darauf aufbauend den weiteren Unterrichtsverlauf zu gestalten. Bisherige Studien weisen in diesem Zusammenhang jedoch darauf hin, dass Lernende Schwierigkeiten im Äußern von Fragen haben.

Im Rahmen eines zweiteiligen Forschungsprojekts sollen zunächst individuelle Schülerfragen beim Einsatz spezifischer lebensweltlicher Kontexte ermittelt werden, um auf dieser Basis ihre Einsetzbarkeit sowie ihren Nutzen im Rahmen eines kontextorientierten Chemieunterrichts zu untersuchen.  Angelehnt an die Forschung zur Fragengenerierung wird eine Interviewstudie durchgeführt, welche die Ermittlung der Schülerfragen in den unterschiedlichen Phasen der Generierung unterstützt. Eine kategoriengeleitete Auswertung soll erwartbare Schülerfragen ermitteln sowie ihre naturwissenschaftliche Untersuchbarkeit bestimmen. Auf Grundlage der Ergebnisse und dem Design-Based-Research Ansatz wird die Generierung, Implementierung und experimentelle Annäherung der Schülerfragen im Unterricht erprobt und mithilfe von Videoaufnahmen beobachtet. Zudem sollen Einstellungen und Erfahrungen der Lehrkräfte sowie das Fachwissen der Lernenden durch Fragebögen erhoben werden.

Das Lernen mit multiplen externen Repräsentationen (MER) ist insbesondere in der Chemie für die Visualisierung des nichtsichtbaren Bereichs unerlässlich. Um den atomaren Bereich zu visualisieren, existieren verschiedene Darstellungsformen mit unterschiedlichem Abstraktionsgrad. Studien zeigen, dass trotz der Notwendigkeit von MER Lernende Defizite im Umgang mit diesen aufweisen. Bisher ist die Wahrnehmung der Lernenden bezüglich MER für das Lernen im atomaren Bereich und die Wissensgenerierung anhand dieser wenig untersucht. 

Ziel des zweistufigen Promotionsprojektes ist zum einen die Analyse der Wahrnehmung von und den Umgang mit MER von Lernenden und zum anderen die Analyse des Nutzens unterschiedlicher Repräsentationen beim Erklären chemischer Phänomene.

Die Untersuchung des ersten Teilprojekts erfolgte mithilfe eines Paper-Pencil-Tests bestehend aus drei Teilen. Theoriebasiert wurde ein semantisches Differential entwickelt, um die Wahrnehmung der Lernenden von MER zu erfassen. Für die Erhebung der Fähigkeit der Informationsgenerierung mithilfe von depiktionalen und deskriptionalen MER im Themenbereich Säure-Base wurde ein Repräsentationstest nach dem balanced incomplete block design konzipiert und im Anschluss mithilfe eines klassischen Tests das Fachwissen erfasst. Die Untersuchung wurde mit Studierenden der Studieneingangsphase durchgeführt.

Der Kernlehrplan NRW zeichnet sich durch die Strukturierung fachlicher Inhalte in situierten Kontexten sowie der Formulierung von Basiskonzepten zum systematischen Wissensaufbau aus. Ziel dieser Strukturierung ist der flexible Einsatz der Basiskonzepte in verschiedenen Kontexten. Aus der Lernforschung geht hervor, dass situiert erworbenes Wissen meist  träge bleibt und nur ungenügend in Anwendungskontexten aktiviert werden kann.

Auf Basis der Transferforschung und den Theorien zum situierten Lernen soll in diesem Projekt ermittelt werden, inwiefern das Design der Lernumgebung Lernende beim Wissenstransfer unterstützt. Hierbei werden drei Designansätze gegenübergestellt, die in unterschiedlichem Maße eine Dekontextualisierung bzw. Anwendung in neuen Kontexten fördern. Die Studie ist in eine Prä-Post-Erhebung des anteiligen Wissens des Basiskonzeptes eingebettet, wobei beim Post-Testzeitpunkt zusätzlich die Transferfähigkeit auf Anwendungskontexte ermittelt werden soll. Dies erfolgt durch die Videografierung der SuS beim Bearbeiten einer experimentellen Transferaufgabe sowie durch einen Test.

In diesem Projekt soll ermittelt werden, in welchem Maße Wissen über Repräsentationen und ihren modellhaften Charakter das Konzeptverständnis von Lernenden im Chemieunterricht fördern kann und in welchen Situationen Lernende ihr Wissen kommunizieren. Die Untersuchung wurde in einem Kontrollgruppendesign mit 111 Schülerinnen und Schüler durchgeführt, wobei die Experimentalgruppen ein vorgeschaltetes Training zum Verständnis von Modellen und dem Umgang mit Repräsentationen bekamen. Jede Schülergruppe erhielt die gleiche experimentelle Lernumgebung, bestehend aus drei aufeinanderfolgenden Interaktionsboxen zum Thema Elektrochemie. Der Schwerpunkt der Aufgabenstellung liegt auf der Erklärung des experimentell beobachtbaren Phänomens durch geeignete Repräsentationen.

Während die Kontrollgruppe ausschließlich die experimentelle Lernumgebung bearbeitete, erhielten die beiden Interventionsgruppen ein metakonzeptuelles Training, in dem sie die explizite Trennung und Vernetzung von verschiedenen Repräsentationen sowie ihren modellhaften Charakter erlernten. Eine zweite Interventionsgruppe erhielt zusätzlich während der Lernumgebung Prompts, welche sie an die verschiedenen Repräsentationen und ihre Nutzung erinnern sollten. Um einen Lernerfolg zu erhaben, wurde das Konzept- und Modellverständnis sowie das Wissen über Repräsentationen vorher, nachher und nach vier Monaten erfasst.

Angehende Lehrkräfte stehen zu Beginn ihrer Unterrichtspraxis vor vielen Herausforderungen, daher spielt die Vorbereitung innerhalb des universitären Umfeldes eine große Rolle. Neben vielen anderen Aspekten ist in der modernen Gesellschaft auch die Frage nach Evidenzen wichtig. Wem glauben? – Wie begründen? Das Projekt Research in Teacher Education hat zum Ziel den Unterricht der angehenden Lehrkräfte von Anfang an auf fundierte Evidenzen aufzubauen und so Lernende in Bezug auf ihr Evidenzverständnis zu fördern.

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Der Erwerb experimenteller Fähigkeiten ist ein wesentlicher Bestandteil des Chemiestudiums, der hauptsächlich im Rahmen der Laborpraktika vorgesehen ist. Die Arbeit im Labor erfordert jedoch nicht nur eine Vielzahl an Materialien und Chemikalien, sondern bringt aufgrund des Umgangs mit Gefahrstoffen auch einige Gefahren mit sich. Der fachgerechte Umgang mit gefährlichen Substanzen sowie wesentliche Grundtechniken des Experimentierens (Abmessen von Massen und Volumina, Ansetzen von Lösungen, etc.) müssen eingeübt und trainiert werden.

Das Ziel des vom Deutschen Akademischen Austauschdienstes (DAAD) geförderten Projekts DigiChemLab besteht in der Vitualisierung eines Chemielabors, um Experimente im digitalen Raum durchführen zu können. Hierbei stehen folgende Ziele im Fokus:

1. Orientierung in einem Chemielabor zur Vorbereitung auf reale Laborsituationen (z.B. Kennenlernen von Gerätschaften)
2. Trainieren von Standardsituationen ohne Einsatz von Chemikalien (z.B. Wägeprozess, Löseprozess)
3. Verbessertes Sicherheitsbewusstsein
4. Internationale Vernetzung und Zugänglichkeit

Im Rahmen des Projekts wird ein virtuelles Labor dreidimensional so modelliert, dass die „Besucher*innen“ die Gegenstände, Materialien und Einrichtung nutzen bzw. mit ihnen interagieren können. Der Zugang kann hierbei über einen handelsüblichen Computer als auch eine Virtual Reality (VR)-Brille erfolgen, die ein möglichst immersives Erlebnis des Labors ermöglicht. Die Entwicklung des Labors wird durch die Chemiedidaktik der Universität Paderborn wissenschaftlich begleitet und evaluiert.

Projektpartner:
Prof. Dr. Wolfgang Bremser, Technische Chemie
Prof. Dr. Friedhelm Meyer auf der Heide, Algorithmen und Komplexität, Heinz Nixdorf Institut

In der Studieneingangsphase des Faches Chemie sehen sich Studierende mit einer Vielzahl von Anforderungen konfrontiert, die insbesondere bei geringem fachlichen Vorwissen oft zu Studienabbruch oder -verzögerung führen. In den laborchemischen Praktika  verstärkt sich diese problematische Ausgangslage, da hier nicht nur fachwissenschaftliche Konzepte auf der Grundlage der experimentellen Beobachtungen gedeutet werden müssen, sondern die eigentlichen Experimente auf der Basis von sicherheitstechnischen Überlegungen und experimentellen Fertigkeiten in der Handhabung der Geräte durchgeführt werden. Es hat sich gezeigt, dass Unterstützungsangebote wie Vorkurse in Mathematik oder Lernräume mit fachspezifischen Angeboten helfen können, diese Problematik zu verringern.
Ziele des beantragten Projekts ist es daher, den Schwierigkeiten in den laborchemischen Praktika der Studieneingangsphase durch ein orts- und zeitungebundenes digitales Lernangebot entgegen zu wirken. Hierfür soll ein digitales 360° Chemielabor entwickelt werden, das den Studierenden des Praktikums „Allgemeine Chemie“ als Vorbereitung online zur Verfügung gestellt wird. Das betreffende Praktikum ist curricular in den Studiengängen B. Sc. Chemie, B. Ed. Chemie für die Lehrämter an Berufskollegs, Gymnasien/Gesamtschulen sowie der Sekundarstufe I (Haupt-, Real-, Sekundar- und Gesamtschulen) des Department Chemie sowie dem Studiengang B.Sc. Chemieingenieurwesen (CIW) implementiert. Die neue Lernmethode kann somit über die Lernmanagementsysteme der Veranstaltung zur Verfügung gestellt und nach erfolgter Evaluation für Veranstaltungen weiterer Module oder Studiengänge adaptiert werden.

Kooperationspartner: Prof. Dr. Sebastian Habig, Prof. Dr. Michael Tiemann, Dr. Christian Weinberger

Nähere Informationen finden Sie auf der Projekthomepage.