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Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von neuen, experimentellen Ansätzen zur Thematisierung von Siliciumverbindungen im Chemieunterricht, die einen deutlichen lebensweltlichen Bezug aufweisen und moderne Entwicklungen berücksichtigen.
Die Bandbreite der Siliciumverbindungen reicht von den Silicaten im Bereich der Anorganik über elementares Silicium bis hin zu den polymeren Siliconen im Grenzbereich zu der Organik. Diese
große Vielfalt an Verbindungen hat eine Vielzahl von Anwendungen in tagtäglichen Produkten zur Folge. Dies sind einerseits relativ bekannte anorganische Baustoffe, wie Zement oder Sand, die schon seit der Antike von der Menschheit genutzt werden. Andererseits werden kontinuierlich neue Anwendungsmöglichkeiten in Alltag und Industrie für Siliciumverbindungen entwickelt, die in der modernen Lebenswelt der SchülerInnen einen festen Platz haben.
Oft ist das Vorhandensein der Siliciumverbindung gar nicht auf den ersten Blick erkennbar, obwohl sie die Eigenschaften eines Alltagsprodukts maßgeblich beeinflussen kann. Dies ist beispielsweise bei Silica-Verbindungen in der Zahncreme der Fall.
Im Chemieunterricht werden, wenn überhaupt, die „traditionellen“ Verwendungszwecke, wie in der Baustoffchemie, thematisiert, weniger dagegen die Funktion von Siliciumverbindungen in innovativen Produkten neueren Datums. Nur zögerlich werden Ansätze zur Thematisierung von Verbindungen, wie Siliconen, im Chemieunterricht etabliert.
Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden daher auf der Grundlage einer fachdidaktischen Analyse und Diskussion Experimente zu ausgewählten Siliciumverbindungen entwickelt. Dies sind die Silicone, die Silica-Verbindungen und elementares Silicium. Die Experimente lassen sich größtenteils in der Sekundarstufe II in Anlehnung an verbindlich im Lehrplan thematisierte Inhalte in den Unterricht einbinden. Einige Experimente können nach einer angemessenen didaktischen Reduktion auch bereits in der Sekundarstufe I eingesetzt werden.
Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Experimente wurden von LehrerInnen und SchülerInnen gleichermaßen erprobt. Es wurden Rückmeldungen zur Versuchen und Versuchsvorschriften eingeholt. Die Ergebnisse der Auswertung wurden zur Optimierung herangezogen.
Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation des Einflusses klassischer Labormaterialien und alternativer Experimentiermaterialien auf fachdidaktische Anforderungen an ein gelungenes Experiment im Chemieunterricht. Dabei umfassen alternative Experimentiermaterialien sowohl Materialien aus der alltäglichen Lebenswelt von Schülerinnen und Schülern als auch Materialien aus dem Bereich der Medizintechnik, die anstelle von Materialien des gängigen Laborbetriebs im Chemieunterricht eingesetzt werden. Um den Einfluss des Experimentiermaterials auf entsprechende Anforderungen untersuchen zu können, wurden im Rahmen eines Mixed-Method-Designs zwei aufeinander aufbauende Studien durchgeführt. Bei Studie I handelt es sich um eine qualitative Interviewstudie unter N = 13 Chemielehrkräften, mit denen vor dem theoretischen Hintergrund fachdidaktischer Anforderungen an ein gelungenes Schulexperiment problemorientierte, leit-fadengestützte Interviews zu Vor- und Nachteilen beim Einsatz alternativer Experimentiermaterialien und klassischer Labormaterialien im Chemieunterricht geführt wurden. Anhand des gewonnenen Interviewmaterials wurden anschließend zunächst Eigenschaften identifiziert, in denen sich beide Materialpools voneinander unterscheiden, um davon ausgehend ein Kategoriensystem aufstellen zu können, das in Form einer Matrix den Einfluss dieser Materialeigenschaften auf organisatorische, experimentelle und affektive Anforderungen an ein Schulexperiment im Chemieunterricht darstellt. Dabei konnte in Bezug auf organisatorische Anforderungen insbesondere ein Einfluss des Experimentiermaterials auf zeitliche und finanzielle Rahmenbedingungen sowie auf Anforderungen zur Sicherheit beim Experimentieren im Chemieunterricht festgestellt werden. Ergebnisse zum Einfluss des Experimentiermaterials auf affektive und experimentelle Anforderungen an ein Schulexperiment wurden wiederum genutzt, um anschließend Hypothesen zum Einfluss des Experimentiermaterials auf entsprechende Anforderungen an gelungene Experimente im Chemieunterricht zu generieren, dabei an gelungene Schülerexperimente im Speziellen. Diese Hypothesen wurden in einer zweiten Studie quantitativ getestet. Innerhalb eines experimentellen Untersuchungsdesigns führten dazu insgesamt N = 293 Schülerinnen und Schüler eines von insgesamt fünf betrachteten Schülerexperimenten mit jeweils klassischem Labormaterial oder in einer jeweiligen Variante aus alternativem Experimentiermaterial durch. Im Anschluss beurteilten N = 237 Schülerinnen und Schüler im Rahmen einer Fragebogenerhebung ihre subjektive Wahrnehmung der Experimentiersituation bezüglich der Variablen Grad der Herausforderung, Beobachtbarkeit, Autonomieerleben, Anspannung/ Druck, Kompetenzerleben und Interesse/ Vergnügen. Mit Ausnahme des Kompetenzerlebens und der Beobachtbarkeit konnte zu allen betrachteten Variablen ein signifikanter Einfluss des Experimentiermaterials festgestellt werden. Um diese Ergebnisse der Hypothesentests näher beschreiben und differenzierter erläutern zu können, beantworteten die 237 Schülerinnen und Schüler zusätzlich offene Fragen zu den von ihnen verwendeten Experimentiermaterialien; mit N = 56 weiteren Schülerinnen und Schülern wurden aus diesem Grund außerdem leitfadengestützte Gruppeninterviews geführt. Um folglich auch aus Schülerperspektive möglichst allgemeingültige Einflüsse beider Materialpools auf fachdidaktische Anforderungen an ein gelungenes Schulexperiment zusammenfassen zu können, werden die Ergebnisse dieser qualitativen Datenerhebung ebenfalls in Form einer entsprechenden Matrix dargestellt und dabei von den konkret durchgeführten Experimenten abstrahiert. Neben dem bereits genannten Einfluss des Experimentiermaterials auf den von Schülerinnen und Schülern wahrgenommenen Grad der Herausforderung, das wahrgenommene Autonomieerleben, die/ den wahrgenommene/n Anspannung/ Druck beim Experimentieren sowie das wahrgenommene Interesse/ Vergnügen an der Experimentiersituation konnte dadurch insbesondere ein Materialeinfluss auf die Durchschaubarkeit eines Versuchsaufbaus und deren einzelner Bestandteile sowie auf die wahrgenommene Authentizität einer Experimentiersituation identifiziert werden. Dadurch zeigt die Gesamtuntersuchung auf theoretischer Ebene die Bedeutsamkeit des konkreten Experimentiermaterials als Qualitätsmerkmal des Chemieunterrichts und gibt Lehrkräften auf unterrichtspraktischer Ebene einen Überblick zu Potentialen und Grenzen alternativer Experimentiermaterialien im Vergleich zu etabliertem klassischem Labormaterial.
Damit in der Schule die Vermittlung eines adäquaten Energieverständnisses gelingen kann, benötigt es eine Lehrkräfteausbildung, die dessen Herausforderungen in den Blick nimmt und die angehenden (Chemie-) Lehrerinnen und Lehrer aus fachwissenschaftlicher und didaktischer Perspektive vorbereitet. Denn in die Unterrichtsvorbereitung fließen neben bildungspolitischen und curricularen Vorgaben auch die Vorstellungen und Überzeugungen der Lehrkräfte mit ein. Zu den Herausforderungen, mit denen Lernende wie Lehrende konfrontiert sind, zählen die verschiedenen mentalen Repräsentationen zum Wort Energie aus Alltag und Naturwissenschaft, die zahlreichen chemischen Fachkontexte, in denen Energie bzw. Energiephänomene eine Rolle spielen, die unterschiedlichen Wissensnetze, die mit dem Begriff in den verschiedenen Naturwissenschaften verknüpft sind und der Einfluss der Fach- bzw. Alltagssprache.
Die (angehenden) Lehrkräfte fühlen sich auf diese Aufgabe oftmals fachlich nicht ausreichend vorbereitet. Um die Lehrkräfteausbildung in ihrem ersten Ausbildungsabschnitt auf die genannten Herausforderungen anzupassen und Lehrformate zu erweitern, benötigt es umfangreiche Kenntnisse über die mentalen Repräsentationen der Studierenden zur Energie sowie die damit verbundenen alternativen Konzepte zu schulrelevanten und lehrplanorientierten Themenschwerpunkten und die sprachlichen Besonderheiten. Die Vielschichtigkeit des Begriffs Energie erfordert eine ganzheitliche Betrachtung aller Aspekte, die es so bislang nicht gibt.
Aus diesem Grund ist es Ziel dieser Studie, die mentalen Repräsentationen der Studierenden, wie auch deren alternative Konzepte zu ausgewählten energiebezogenen Fachbegriffen aus den Bereichen chemische Bindungen, Thermodynamik und chemische Reaktionen zu erheben, in einen gemeinsamen fachlichen und sprachlichen Kontext zu setzen und daraus Rückschlüsse auf das Energieverständnis zu ziehen.
Im Sinne des Modells der didaktischen Rekonstruktion wird eine fachliche Klärung zum Untersuchungsgegenstand Energie durchgeführt. Für die Erhebung der empirischen Daten findet ein Rückgriff auf halbstandardisierte Leitfadeninterviews statt. Zielgruppe sind angehende Chemielehrkräfte, die mindestens im 5. Fachsemester Chemie für das Lehramt an Gymnasien studierten. Die Auswertung der Interviews erfolgt unter Rückgriff auf die qualitative Inhaltsanalyse nach Mayring und wird mit quantifizierenden Elementen trianguliert.
Die Studie zeigt die Erklärungsvielfalt des Begriffs Energie auf, denen sich die Studierenden bedienen. Dabei werden vor allem Beispiele einzelner Energiephänomene oder Energieformen herangezogen. In den verschiedenen Fachkontexten konnten diverse alternative Konzepte detektiert werden. Darüber hinaus konnten übergreifende Herausforderungen detektiert werden. Erkennen die Studierenden Widersprüche in ihrem Energieverständnis, wird Energie als abstrakt und schwer fassbar beschrieben. Zudem wird eine anthropozentrische Sicht eingenommen. Die angehenden Lehrkräfte neigen zu einer starken Kompartmentalisierung und begründen Wissenslücken mit der Zugehörigkeit zu anderen Fachwissenschaften. Eine weitere wichtige Erkenntnis aus der Studie ist, dass in den Fachwissenschaftlichen Veranstaltung die qualitativen Diskussionen angeregt werden müssen. Die zukünftigen Lehrerinnen und Lehrer bewegen sich in einem Spannungsverhältnis zwischen Fachwissenschaft und Didaktik und sind sich dessen sehr deutlich bewusst, indem sie bei Begriffsdefinitionen und Erklärungen die Anschaulichkeit der Exaktheit vorziehen. Es besteht die Notwendigkeit, Fachbegriffe in einem größeren Zusammenhang zu erläutern und die Studierenden zur Kommunikation darüber anzuregen.
Qualität und Qualitätsmanagement in der universitären naturwissenschaftlichen Lehrerfortbildung
(2010)
Vor dem Hintergrund der politischen Entwicklungen in Hessen und der allgemeinen Debatte über Qualität im Bildungsbereich sollte im Lehrerfortbildungszentrum Chemie (lfbz-Chemie) der Universität Frankfurt am Main eine systematische Qualitätsentwicklung etabliert und dieses Vorhaben wissenschatflich begleitet werden. Die wissenschaftliche Arbeit besteht aus drei Säulen: - Eine erste, qualitative Studie sollte Qualitätskriterien und -indikatoren liefern. - In einer Fallstudie am lfbz-Chemie Frankfurt sollte die Einführung von Instrumenten des Qualitätsmanagements aus dem gewerblichen Weiterbildungsbereich beobachtet und bewertet werden. - Eine bundesweite Umfrage unter universitären Fortbildungsanbietern im naturwissenschaftlichen Bereich sollte sowohl die Struktur der anbietenden Institutionen als auch die allgemeine Einstellung der Befragten zum professionellen Qualitätsmanagement (QM) nach einem im gewerblichen Bereich geläufigen Modell (LQW) beleuchten. Die Qualitätsindikatoren und -kriterien fielen sehr spezifisch für die naturwissenschaftliche Lehrerfortbildung aus. Allein die drei folgenden Bereiche erfassen zwei Drittel aller Nennungen: die „Qualität der Teamer bzw. Moderatoren“, die „Fortbildungsgestaltung“ und die „Zielgruppenorientierung (Schulbezug)“. Nimmt man die Anzahl der Indikatoren und Kriterien pro Bereich als Maßstab, fokussieren die Befragten sehr stark auf Anforderungen, die die Professionalität des Personals betreffen. Zur Orientierung für die Qualitätsarbeit am lfbz-Chemie (Fallstudie) wurde das QM-Modell LQW 2 gewählt; als kleinere Instrumente kamen die Tabellen nach dem Vorbild der Balanced Scorecard (BSC) nach Kaplan und Norton sowie die Stärken-Schwächen-Analyse zum Einsatz. Als erstes Ergebnis der Fallstudie kristallisierten sich drei Arbeitsbereiche heraus: Personalorganisation, Evaluation und Innovationen. Diese Arbeitsfelder ergänzten die identifizierten Anforderungen an Fortbildung somit um Bereiche, die eher der organisatorischen Ebene zuzuordnen sind. Es ließ sich in der Fallstudie feststellen, dass ein ganzes Qualitätsmanagementmodell wie LQW 2 nur als Anregung für den einen oder anderen, als wichtig erachteten Bereich dienen konnte, während sich kleinere Instrumente eher als handhabbar erwiesen. Außerdem konnte postuliert werden, dass - ein persönlicheres Eingehen auf die Ziele und Aufgaben der einzelnen Personen im Sinne eines Total Quality Managements vermutlich zu besseren Ergebnissen geführt hätte als die Konzentration auf allgemeine Themen und die Orientierung am eher abstrakten Modell, - Erfolge sehr nachdrücklich kommuniziert werden müssen und - möglichst eine Person aus dem Stammpersonal für den Bereich Qualität verantwortlich sein sollte. Um ergänzend zur Fallstudie zu allgemeineren Schlüssen gelangen zu können, wurde eine Charakterisierung der universitären Fortbildungsanbieter mittels Clusteranalyse mit Daten der bundesweiten Umfrage durchgeführt. Sie zeigte vier Typen von Anbietern auf. Insgesamt fanden sich neben der Gruppe der großen Anbieter, zu denen auch das lfbz-Chemie gehört, nur vergleichsweise kleine Anbieter. Die in der Fallstudie erhaltenen Ergebnisse können somit nur eingeschränkt auf die meisten Anbieter übertragen werden. Insgesamt konnten Stärken und Schwächen der universitären Anbieter identifiziert werden, mit denen sich die universitäre naturwissenschaftliche Lehrerfortbildung von der gewerblichen Weiterbildung abhebt. Stärken lagen vor allem in den besonderen Kompetenzen, die an der Hochschule anzutreffen sind. Problemfelder lagen ausgerechnet hauptsächlich im Personalbereich. Als spezifische Schwächen der universitären Anbieter im Personalbereich kann z. B. die Stellung der Fortbildung als Nebenaufgabe oder der Verlust von Know-how durch die Fluktuation des Personals gelten. Auch allgemein kann ein Modell wie LQW 2 als Anregung für die Qualitätsarbeit in der universitären Lehrerfortbildung dienen, nicht jedoch umfassend umgesetzt werden. Die „kleineren“ Instrumente können dagegen eher als allgemein geeignet betrachtet werden. Während die „großen“ Anbieter durch verbesserte personelle Ressourcen für Aufgaben wie die Qualitätsarbeit unterstützt werden könnten, bietet sich für die „kleinen“ Anbieter eher die Unterstützung durch eine zentrale Stelle der Universität an, um die Fortbildungsanbieter doch noch in ein professionelles Qualitätsmanagement einbinden zu können.
In den letzten 20 Jahren haben sich zunehmend Schülerlabore an Universitäten und Forschungszentren etabliert, um naturwissenschaftliche Kompetenzen von Schülern/innen aufzubauen und zu fördern. Das wachsende Feld der Schülerlaborforschung zeigt allerdings auf, dass die Eingangsvoraussetzungen, mit denen die Schüler/innen an der naturwissenschaftlichen Lernumgebung teilnehmen, einen starken Einfluss auf die Annahme sowie die Entwicklung von interessens-, selbstkonzept- und motivationsbezogenen Persönlichkeitsmerkmalen haben können. Diese Erkenntnisse lenken den Blick auf die Entwicklungsumwelt der Familien, in der die Eltern von Geburt an auf die kindliche Persönlichkeitsentwicklung und Lernprozesse einwirken. Die Integration des vielversprechenden familiären Kontexts in eine naturwissenschaftliche Lernumgebung wird seit 2008 anhand des Eltern-Kind-Projekts KEMIE® an der Ruhr-Universität Bochum umgesetzt, indem Eltern-Kind-Paare gemeinsam an alltagsnahen naturwissenschaftlichen Phänomenen experimentieren. Seit 2016 wird KEMIE® zudem an der Goethe-Universität Frankfurt am Main im Goethe-Schülerlabor Chemie durchgeführt.
Am Beispiel des Frankfurter KEMIE®-Projekts will die vorliegende Arbeit das Potential von Eltern-Kind-Interaktionen für naturwissenschaftliche Lernprozesse untersuchen. Mithilfe der Grounded-Theory-Methodologie wurde das zentrale Forschungsdesiderat der Eltern-Kind-Interaktion über die Projektjahre 2016/17 und 2017/18 herausgestellt sowie mögliche Erhebungsmethoden pilotiert. Im Projektjahr 2018/19 konnte dieses schließlich in einer Mixed-Methods-Studie multiperspektivisch beforscht werden. Dafür wurden Interviews, Beobachtungen und Pre-Posttest-Daten von 46 teilnehmenden Eltern-Kind-Paaren sowie weitere Kontrollgruppendaten von 202 Frankfurter Familien erhoben.
Um zunächst die naturwissenschaftliche Lernumgebung zu beschreiben, wurden die vorherrschenden Einflussfaktoren identifiziert, die zugehörigen Phänomene beschrieben sowie die prozess- und personenbezogenen Verhaltensmuster herausgestellt. Über letztere können die Eltern-Kind-Interaktionen in das SELE-Modell elterlicher Unterstützungsmaßnahmen eingeordnet werden, wobei sich das Ermöglichen von Selbsttätigkeit als herausragendes Merkmal für die naturwissenschaftliche Lernumgebung manifestiert. Zudem zeigt sich, dass das Projekt positive Effekte auf naturwissenschaftsbezogene Werteorientierungen der Kinder sowie deren Interesse an den Naturwissenschaften hat.
Anhand der Entwicklung eines induktiven Beobachtungsschemas, konnten die Familien schließlich über die Verhaltensmerkmale der Eltern-Kind-Interaktion gruppiert und Zusammenhänge zu sowohl den Vorbedingungen als auch den Konsequenzen für die psychischen Dispositionen der Kinder aufgedeckt werden. Erste Erkenntnisse dieser explorativen Erhebung zeigen, dass das akademische Selbstkonzept und die naturwissenschaftsbezogenen Werteorientierungen der Eltern und Kinder die Verhaltensmuster in der naturwissenschaftlichen Umgebung determinieren. Auf der anderen Seite können die Kinder gerade hinsichtlich dieser beiden Faktoren am meisten profitieren. Dabei können diese positiven Effekte auf eine Regulation seitens der Eltern, das gemeinsame Ausführen von Tätigkeiten sowie den Einbezug in die Gestaltung der Lernumgebung zurückgeführt werden.
This cumulative dissertation examines learning in chemistry laboratories, focusing on the challenges and benefits of problem-based learning (PBL) for novices in the lab. It addresses the lack of consistent understanding about what should be learned in labs and why it's important. The research aims to understand what students learn, how they learn, and how lab learning can be improved.
A central concept in PBL labs is Information Literacy, defined as a sociocultural practice enabling learners to identify and use information sources within a specific context as legitimized by the practice community.
The first publication, Wellhöfer and Lühken (2022a), investigates the relationship between PBL and learner motivation. It identifies factors that can foster students' intrinsic motivation in a PBL lab. Autonomy is found to be a key factor, increasing student motivation and presenting a model of the autonomous scientific process. This model involves four steps: information acquisition, designing and applying experimental procedures, experimental feedback, and autonomous process optimization. The results suggest that intrinsic motivation in PBL labs can be enhanced by enabling students to independently execute these steps.
The second publication, Wellhöfer and Lühken (2022b), examines the information process students undergo during their first PBL lab. Using a sociocultural framework, it explores Information Literacy to understand students' handling of information and their perceptions of the information process. The findings reveal that in PBL labs, developing a practical, applicable experimental procedure is crucial for problem-solving and significantly shapes the information-acquisition process. This process is iterative, influenced by new information, leading to more precise information needs. Students assess information quality based on its usefulness for their problem, implementability (considering cognitive understanding, available equipment, and psychomotor skills), and safety.
Furthermore, the role of privileged knowledge forms in evaluating the quality of text sources is explored. Students viewed non-scientific sources as "poor" and scientific sources as "good," yet used both for information gathering. There were discrepancies between their assessment of source quality and actual use, indicating that perception of source quality doesn't always affect their practical decisions.
The third publication, Wellhöfer, Machleid, and Lühken (2023), investigates students' information practices in the lab, focusing on discourse between novice learners and experienced assistants. It shows that theoretical knowledge isn't sufficient for independent practical action, and students need actionable social information from experienced community members. The results highlight that information literacy in the lab for newcomers to a community of practice has distinctive features, and physical experience and tacit knowledge are crucial for learning the methods and group-specific knowledge of the practice community. The article demonstrates how learning information literacy in a practice community requires a social and physical experience and provides insights on how educators can support this process.
