Chemiedidaktik 2022

Nachhaltigkeit, Photochemie und Elektrochemie bleiben im Jahr 2022 die inhaltlichen, Digitalisierung und Modelle die methodischen Schwerpunkte der experimentell-konzeptionellen Forschung der Chemiedidaktik. Die empirische Forschung evaluiert digitale Lernumgebungen und interessiert sich zunehmend für die Möglichkeiten künstlicher Intelligenz und maschinellen Lernens.

In den letzten Jahren haben sich die Rahmenbedingungen für Bildung ständig verändert, etwa durch coronabedingte Schulschließungen und Lernende, die kein Deutsch verstehen. Um Lehrende und Lernende zu unterstützen, erschließen Chemiedidaktiker:innen daher fortlaufend (neue) Themen, entwickeln Experimente und Konzepte für den Unterricht und untersuchen kontinuierlich Lehr-Lernprozesse. Diese zwei Bereiche chemiedidaktischer Forschung – die experimentell-konzeptionelle und die empirische – und deren Entwicklung in den Jahren 2021/22 präsentiert dieser Bericht.

Experimentell-konzeptionelle Forschung

Um Trends in der experimentell-konzeptionellen Forschung zu erkennen, wurden von September 2021 bis August 2022 149 Artikel in folgenden nationalen Journalen gesichtet:

Chemie konkret (Chemkon)Naturwissenschaften im Unterricht Chemie (NiU-C)Chemie in unserer Zeit (ChiuZ)Journal des Verbands zur Förderung des Mint-Unterrichts (MNU)

Berücksichtigt wurden auch 119 Artikel in den internationalen Journalen:

Journal of Chemical Education, (J. Chem. Ed. Kategorie: Laboratory Experiment)World Journal of Chemical Education (World. J. Chem. Educ.).

Die Artikel wurden nach Fachgebieten, methodisch-didaktischen und inhaltlichen Schwerpunkten sowie nach Zielgruppen kategorisiert (Abbildung 1).

Von den insgesamt 268 erfassten Artikeln ließen sich 190 mindestens einem Fachbereich zuordnen, 38 Prozent davon der organischen und 29 Prozent der anorganischen Chemie. Organische und analytische Chemie waren vermehrt in den internationalen, anorganische Chemie eher in den nationalen Journalen vertreten.

Von den Artikeln, die sich methodisch in eine oder mehrere Kategorien einsortieren ließen, befassen sich die meisten aufgrund der Pandemie wenig überraschend mit Digitalisierung (45 %), viele andere mit Modellen (16 %) und Sicherheit (7 %). 183 aller untersuchten Artikel enthalten Experimente.

Die Zielgruppen internationaler und nationaler Journale unterscheiden sich: National lag der Schwerpunkt auf Schüler:innen und international auf Studierenden.

Unter den Artikeln mit wenigstens einem inhaltlichen Schwerpunkt waren die Themen Nachhaltigkeit (20 %), Lebensmittelchemie (13 %), Medizin (12 %), Photochemie (10 %), Elektrochemie (10 %), Nanotechnologie (10 %) und Spektroskopie (7 %) führend. Die Lebensmittelchemie sowie die Nanotechnologie liegen weit vorne, sie waren Themen ganzer Hefte. Die Medizin dominierte vor allem in internationalen Journalen.

Nachhaltigkeit

Zum Thema Nachhaltigkeit wurden Möglichkeiten präsentiert, das Erkennen von Problemen, das Bewerten von Lösungen und nachhaltiges Handeln zu fördern. So haben Marohn et al. eine Bewertungsscheibe konzipiert (Abbildung 2), mit der Schüler:innen bewerten können, wie nachhaltig politische Maßnahmen sind, etwa die Förderung von Elektroautos. Dabei sollen die Lernenden ökologische, ökonomische und soziale Kriterien heranziehen sowie Globalität, Langfristigkeit und betroffene Gruppen berücksichtigen.¹⁾

Außerdem haben Huwer et al. einen Workshop entwickelt, in dem Schüler:innen sich Wissen über Umweltprobleme wie das Korallensterben experimentell erarbeiten und Lösungen entwickeln.²⁾

Die thematischen Schwerpunkte der meisten Veröffentlichungen orientieren sich an einzelnen Nachhaltigkeitszielen der Vereinten Nationen (Sustainable Development Goals, SDGs), daher lassen sich die Arbeiten entsprechend kategorisieren. Kunststoffe waren beispielsweise im Zusammenhang mit dem Ziel, die Verschmutzung der Meere zu verringern, Thema mehrerer Veröffentlichungen. So haben Beeken et al. einen Kurs präsentiert, in dem unter anderem Eintragsquellen von Kunststoffen, Analysemethoden für Mikroplastik und Biokunststoffe erarbeitet werden.³⁾

Ein Thema mit Bezug zu dem Ziel einer sauberen Energieversorgung, mit dem sich Fachdidaktiker:innen in Freiburg und Wuppertal befasst haben, war Wasserstoff.^4,5) Darüber hinaus wurden in Verbindung mit Klimaschutz und dem Ziel einer nachhaltigen Produktion Industrieprozesse betrachtet, unter anderem von Sommer et al.⁶⁾

Risch et al. haben das Planspiel „Stahl 2050 – lokal produziert, global begehrt“ konzipiert.⁷⁾ Ein anderer Artikel thematisiert, wie sich CO₂-Emissionen bei der Stahlherstellung durch Wasserstoff als Reduktionsmittel verringern lassen.⁸⁾

Das Nachhaltigkeitsziel sauberes Wasser und Sanitäreinrichtungen haben ebenfalls mehrere Gruppen in den Blick genommen, etwa in einer neuen Unterrichtseinheit, die auch erprobt wurde.⁹⁾ Beeken, Pietzner et al. haben ein Citizen-Science-Projekt beschrieben, das Schüler:innen an der Forschung zur Nitratbelastung von Gewässern beteiligt.¹⁰⁾ Das Ziel dieses Projekts ist es, Schüler:innen über die Stickstoffproblematik aufzuklären und sie anzuregen, ihr eigenes Verhalten zu reflektieren und Lösungen zu entwickeln.

Neben den SDGs war grüne Chemie im Fokus. Eilks et al. haben Experimente für den Chemieunterricht vorgestellt, in denen sich Schüler:innen mit enzymatischen Reaktionen und effektiver Katalyse auseinandersetzen.¹¹⁾

Photochemie

Photochemie stand in diesem Jahr besonders in englischsprachigen Journalen im Mittelpunkt. Ein Forschungsfeld war die photokatalytische Wasserstofferzeugung. Wilke et al. haben ein Experiment zur photokatalytischen Wasserstoffgenerierung entwickelt, das als Katalysatorsystem unter anderem Titandioxid und Eosin Y nutzt. Beides ist in eine ungiftige Polymermatrix eingebettet, damit sie räumlich zusammenbleiben und die Katalyse effizient ist. Mit einem Low-cost-Halbleitergassensor können Oberstufen-Schüler:innen im Chemieunterricht die Reaktion zudem quantitativ betrachten.¹²⁾

Waitz et al. nutzten einen Cadmiumsulfid/Zinksulfid-Photokatalysator, der auf einer Core-Shell-Struktur basiert, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Effizienz der Reaktion werteten sie aus, indem sie das entstandene Gasvolumen bestimmten.¹³⁾

Bohrmann-Linde und Venzlaff zeigten eine Möglichkeit, Biomasse zu verwerten. Dazu entwickelten sie ein Experiment, das mit einem Titandioxid-Platin-Photokatalysator aus der Modellsubstanz Glucose Wasserstoff erzeugt.¹⁴⁾

Eine Arbeit von Tausch befasst sich mit der LED als Laborgerät im Chemieunterricht. Das Augenmerk liegt hier auf Licht als Energieform im Zusammenhang mit Bildung für nachhaltige Entwicklung.¹⁵⁾ Passend dazu haben Schwarzer et al. ein Experiment publiziert, das sich mit der Synthese eines LED-Leuchtstoffs beschäftigt. Dieser lässt sich innerhalb kürzester Zeit in einer Mikrowelle in der Schule herstellen und konvertiert blaues Licht in weißes.¹⁶⁾

Zu diesem Forschungsfeld passt eine Experimentalreihe zum historischen Kopierprozess Diazotypie. Neben den Bildern, die sich durch photosensitive Diazoverbindungen erzeugen lassen (Abbildung 3), präsentiert Ducci in dem Beitrag ein Unterrichtskonzept für Lernende in der Sekundarstufe II.¹⁷⁾

Spektroskopie

Bei den Arbeiten zur Spektroskopie unterscheiden sich diejenigen für die Hochschule und für die Schule.

Für den Chemieunterricht wurde gezeigt, wie Lehrkräfte schultaugliche Spektroskopiegeräte selber bauen können. Schmitt et al. beschreiben ein Spektrometer mit einem Raspberry Pi,¹⁹⁾ Wieczorek mit Produkten aus dem Baumarkt.²⁰⁾ Eine Publikation von Beeken, Imlau et al. stellt ein modulares Konstruktionskonzept vor, das neben professionellen Optiken und Detektoren Lego-Bausteine nutzt, um Methoden wie Lumineszenz- oder Transmissionsspektroskopie schultauglich zu realisieren. Mit der offlinefähigen Webapplikation „spekAnalyser“ lassen sich Daten schnell im Unterricht auswerten.²¹⁾

Für die Hochschuldidaktik haben Praneenararat et al. ein modular aufgebautes Experiment entwickelt, mit dem Studierende im Bachelorstudium Carotinoide in Ananas charakterisieren können und das ihnen so Methoden wie UV-Vis-Spektroskopie oder Massenspektrometrie näher bringt.²²⁾

Zum Thema Plastikmüll und dessen Sortierung in Recyclinganlagen entwickelten Pavia und Leri ein Experiment, in dem Bachelorstudent:innen eigene Plastikflaschen mit IR-Spektroskopie untersuchen und so deren Zusammensetzung ermitteln sollen.²³⁾

Elektrochemie

Die zu Elektrochemie veröffentlichten Artikel stehen oft im Zusammenhang mit Energien aus erneuerbaren Quellen. Zudem sind viele mit Nachhaltigkeit und vereinzelte mit Medizin verknüpft.

Als Energiespeicher für erneuerbare Energien werden Redoxflussbatterien diskutiert, da sie große Energiemengen in Elektrolyttanks speichern können. Rosenberg entwickelte hierzu eine Redoxflussbatterie auf Basis von Lignin und Huminsäuren, die sich für den Chemieunterricht eignet und so aktuelle Forschung in die Schule bringen kann.²⁴⁾

Eine Publikation von Hansen erarbeitet mit Modellexperimenten die Abbaumechanismen in alltäglichen Akkumulatoren, die alle Jugendlichen betreffen, die mobile Geräte wie Smarphones oder Tabletcomputer nutzen.²⁵⁾

Eine Arbeit von Oetken und Lüke verwendet Gelatine als Separator, um eine ressourcenschonende elektrochemische Zelle in einer Tic-Tac-Dose herzustellen (Abbildung 4). Diese Zelle funktioniert mit wenigen Millilitern Elektrolyt, sie ist daher eine anschauliche und preisgünstige Alternative zum klassischen U-Rohr-Aufbau und dabei leistungsfähiger.²⁶⁾

Die Normalwasserstoffelektrode wird im Chemieunterricht mit der elektrochemischen Spannungsreihe theoretisch behandelt. Damit Schulen, die nicht über Wasserstoff in Gasflaschen verfügen, diese Elektrode experimentell behandeln können, haben Holze und Roscher einen Aufbau entwickelt, der ohne Druckgas auskommt.²⁷⁾

In der Medizin sind enzymatische Brennstoffzellen im Gespräch, und zwar als implantierbare Energiewandler für Herzschrittmacher oder ähnliches. Bohrmann-Linde und Grandrath entwickelten als Low-cost-Variante solche Zellen mit Lactase, die sich für den Chemieunterricht eignen.²⁸⁾

Elektrochemie ist auch für die Hochschuldidaktik ein Thema. Um Masterstudent:innen beispielsweise ein besseres Verständnis der Elektrodenreaktionen zu vermitteln, präsentierte Habekost ein elektrochemisches Experiment, das die Analysenmethoden Cyclovoltammetrie und Ramanspektroskopie vereint, um Redoxreaktionen auf Goldsiebdruckelektroden zu messen.²⁹⁾

Digitalisierung

Spätestens seit Beginn der Corona-pandemie und dem dadurch entstandenen Distanzunterricht hat Digitalisierung einen festen Platz in der chemiedidaktischen Forschung.

Viele Veröffentlichungen befassen sich damit, klassische Schulexperimente mit digitalen Komponenten zu ergänzen. So visualisierte beispielsweise Rubner die Reduktion von Kupfer(II)oxid mit digitalen Komponenten wie Animationen und Augmented Reality. Für das Experiment selbst nutzte sie einen günstigen Wasserstoffspeicher auf Metallhydridbasis, um Wasserstoffspeichermethoden in den Unterricht zu integrieren.³⁰⁾

Eine Veröffentlichung von Kraska bringt Unterstufenschüler:innen die Grundlagen der digitalen Modellierung und Simulation mit Papierchromatographie nahe: Schüler:innen führen zunächst das Experiment durch und erkunden es dann mit einer Computersimulation.³¹⁾

Andere Arbeiten konzentrieren sich auf interaktive Videoformate, die Fachinhalte vermitteln. So haben Bohrmann-Linde et al. H5P als Software vorgestellt, mit der Lehrkräfte zielgruppengerechte Lernvideos erstellen können.³²⁾ Graulich et al. haben Videoexperimente für digitales Experimentieren entwickelt.³³⁾

Augmented Reality (AR) liegt weiter im Trend. Neben einem Übersichtsartikel über AR im Chemieunterricht von Banerji und Huwer et al.³⁴⁾ gibt es eine Untersuchung von Huwer et al. über die positiven Effekte von AR auf das Lernen am Beispiel der Visualisierung eines dynamischen Teilchenmodells.³⁵⁾

Zudem besteht das Potenzial, bereits vorhandene digitale Technik als Low-Cost-Messinstrumente zu nutzen. So haben Gupta et al. eine Methode entwickelt, um Fluoridionen in Trinkwasser quantitativ mit Smartphonesensoren nachzuweisen.³⁶⁾

Wilke et al. haben ein digitales Schüler:innenlabor konzipiert, das ein klassisches Schüler:innenlabor ergänzt und sowohl Wissen vermitteln als auch die Wirksamkeit digitaler Medien untersuchen soll.³⁷⁾

Empirische chemiedidaktische Forschung

Zwei zentrale Ziele der empirischen chemiedidaktischen Forschung sind:

Lehr-/Lernkonzepte evidenzbasiert evaluieren,Bedingungen identifizieren, unter denen fachliches Lernen an Schulen, Hochschulen und außerschulischen Lernorten gelingt.

Um belastbare Aussagen zur Qualität fachbezogener Bildungsangebote zu schaffen, verwendet sie Methoden der empirischen Sozialforschung.

Vorgehen

Themen, die verstärkt Aufmerksamkeit von Forschenden der empirischen Fachdidaktik auf sich ziehen, sind künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen. Dabei sind diese Themen sowohl als Forschungsgegenstand wie auch als Forschungsmethode interessant. Grund genug, die Potenziale dieser Techniken zu nutzen, um Trends in der empirischen chemiedidaktischen Forschung selbst zu identifizieren.

Für diesen Beitrag wurden Artikel gesichtet, die von September 2021 bis August 2022 in nationalen sowie internationalen Fachzeitschriften und Tagungsbänden erschienen sind. Für den internationalen Raum wurde in der Datenbank Scopus mit dem Schlagwort „Chemistry Education Research“ nach Artikeln gesucht.

Um einen Überblick über nationale Forschungsaktivitäten zu erhalten, wurden sämtliche Artikel der Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften sowie die Tagungsbandbeiträge, die für die Jahrestagung der Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik (GDCP e. V.) entstanden sind, berücksichtigt. Insgesamt identifizierten wir so für den internationalen Raum 607 und für den deutschsprachigen 268 Beiträge.

Mit linguistischer Datenverarbeitung wurden die Titel der gesammelten Beiträge automatisiert verarbeitet und so Schlüsselwörter (keywords), also häufig auftretende Wörter, extrahiert. Diese und deren relative Häufigkeit geben die Wortwolken wieder (Abbildungen 5 und 6).

Hier ist die Frage berechtigt, inwiefern an dieser Stelle künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen methodische Vorteile gegenüber klassischer Textanalyse bieten. Ein Vorteil ist die zeitökonomische Strukturierung größerer Textmengen. Computerlinguistische Modelle ermöglichen es, Schlüsselwörter zu identifizieren und gleichzeitig stop words zu filtern, also häufig vorkommende Wörter einer Sprache wie Artikel, Präpositionen oder Konjunktionen.

Das Potenzial maschinellen Lernens für die empirische Bildungsforschung wird deutlich, wenn ein Algorithmus zur Extraktion von Schlüsselbegriffen (keyword extraction algorithm) herangezogen wird, um wesentliche Informationen aus einer größeren Zahl unstrukturierter Texte oder Textbausteine zu extrahieren. Für diesen Beitrag wurde der Rake-Algorithmus (rapid automatic keyword extraction algorithm) verwendet, der die Häufigkeit von Schlüsselwörtern und ihr gemeinsames Auftreten in Texten analysiert und in Form eines Scores quantifiziert (Abbildungen 7 und 8, S. 22).³⁹⁾

Ähnlich wie im letzten Trendbericht festgestellt hat die chemiedidaktische Forschung für die Hochschulen international nicht an Relevanz verloren. Zudem nimmt sich die empirische chemiediaktische Forschung weiterhin des Lernens und Lehrens mit modernen Medienträgern wie Augmented- und Virtual-Reality (AR, VR) an. Wie in der experimentell-konzeptionellen Forschung sind zahlreiche Projekte zu finden, die sich mit Green Chemistry beschäftigen. Dieser Begriff, der international gebräuchlicher zu sein scheint als im deutschsprachigen Raum, ist hier am ehesten als chemiespezifischer Teil einer Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) zu interpretieren.

Hochschule

Stone hat im letzten Jahr einen Übersichtsartikel über den Studienerfolg in den naturwissenschaftlichen Fächern veröffentlicht, in dem er die Chronologie der Studienerfolgsforschung abbildet und aktuelle Entwicklungen darstellt.⁴⁰⁾ Zentrale Ergebnisse des Autors sind: Zum einen sind Lehr- und Lernprozesse an der Hochschule besser verstanden. Zum anderen sind die Anforderungen an Studierende im Lauf der Jahre gestiegen, sodass trotz der Innovationen die fachlichen Voraussetzungen der Studierenden und die Erwartungen, die die Hochschule an sie stellt, auseinander klaffen.

Die Coronapandemie, die Einschränkungen in der Hochschullehre und die daraus resultierenden Folgen für Studierende beschäftigten die empirische Bildungsforschung im vergangenen Jahr. Chemiestudierende standen im Mittelpunkt einer Studie von Eberle und Hobrecht. Diese haben untersucht, wie Studierende mit Online-Lernangeboten umgingen und welche Auswirkungen diese auf psychologische Faktoren hatten.⁴¹⁾ Wie sich dabei zeigte, waren viele Studierende durch das hohe Maß an Autonomie und wenig Strukturierung überfordert.

Eine weitere Studie beschäftigte sich mit der Entwicklung und Evaluation eines Messinstruments, das die Zufriedenheit Studierender und Interaktionen zwischen ihnen in einem chemiebezogenen Grundlagenpraktikum im ersten Jahr an der Hochschule bestimmt.⁴²⁾ Die Autor:innen stellen einen Fragenbogen bereit, mit dem sich Laborpraktika vergleichen lassen. Wie sie feststellten, führt hohe Qualität der Interaktionen zwischen Studierenden und Lehrpersonen zu hoher Zufriedenheit bei Studierenden. Die Studierenden empfinden auch indirekte Interaktionen, also das Beobachten von Kommiliton:innen oder das Zuhören bei fachlichen Gesprächen, als besonders lernförderlich. Obwohl dies mit Erfahrungen eigener Laborpraktika leicht nachvollziehbar ist, sind die Effekte solcher Situationen in Laborpraktika weiter zu erforschen.

Mixed Reality

Auch die empirische chemiedidaktische Forschung beschäftigt sich mit Mixed-Reality-Technik, also mit Augmented und Virtual Reality. In den letzten Jahren ist das Interesse an Mixed-Reality-Techniken in der Bildung allgemein und in der naturwissenschaftsdidaktischen Forschung im Speziellen gestiegen.⁴³⁾

Als Augmented Reality gilt die Integration dreidimensionaler, virtueller Objekte in reale Umgebungen in Echtzeit. Virtual-Reality-Angebote hingegen schaffen vollständig simulierte Umgebungen, in die sie die Nutzenden eintauchen lassen. In einem Review zu den Effekten AR-gestützten Lernens im Fach Chemie fassen die Autor:innen zusammen, welche Möglichkeiten und Schwierigkeiten mit der AR-Nutzung verbunden sind und für welche Themengebiete der Chemie sie untersucht wird.⁴⁴⁾ Wenig überraschend werden mehrheitlich Themen adressiert, in denen Räumlichkeit darzustellen ist. So nutzten die meisten der untersuchten Studien AR dazu, Molekülstrukturen, chemische Reaktionsmechanismen und chemische Bindungen zu vermitteln.

AR- und VR-Techniken können sowohl das fachliche Lernen als auch die Lernmotivation fördern. So sind Lernende, die die Techniken nutzen, motivierter und gegenüber dem Lerngegenstand positiver eingestellt. Zudem kann AR dazu führen, dass Schüler:innen bei spezifischen fachlichen Tests besser abschneiden. Abseits davon wird dem AR-Einsatz häufig der Vorteil zugesprochen, unsichtbare Prozesse und abstrakte Konzepte anschaulich zu machen.^45,46)

In einer Studie aus den USA nutzten Jiang et al. die technischen Möglichkeiten von AR, um typische Schülerexperimente zu grundlegenden Konzepten der Thermodynamik zu erweitern.⁴⁷⁾ Schüler:innen der neunten Klasse einer High School nutzten die mobile AR-Anwendung Infrared Explorer (intofuture.org/ie.html) und eine Infrarotkamera für Smartphones (Flir One), um Realexperimente mit Repräsentationen zu erweitern, die sie aus Daten in Echtzeit gewannen (Abbildung 9, S. 24). Lernende konnten so Beobachtungen mit Thermalbildern ergänzen, zwischen Repräsentationen wechseln und diese vergleichen.

Wie eine Analyse der Daten ergab, lieferten diejenigen Schüler:innen die fundierteren Begründungen für die Prozesse im Experiment, die häufiger zwischen verschiedenen Repräsentationen wechselten. Demzufolge kann es Schüler:innen unterstützen, fachliche Konzepte zu entwickeln, wenn AR ihnen parallel zum Experiment unterschiedliche Repräsentationen bietet. Allerdings ist noch nicht erforscht, ob die Überlagerung von makroskopisch wahrnehmbaren Phänomenen mit digitalen Visualisierungen der submikroskopischen Ebene Lernende verwirrt und gegebenenfalls ungewollte Schülervorstellungen fördert.

Interesse am und im Chemieunterricht

Chemie ist nach wie vor eines der unbeliebtesten Schulfächer. Das Interesse deutscher Schüler:innen am Fach blieb zwischen 2012 und 2018 nahezu unverändert auf niedrigem Niveau.⁴⁸⁾ Um zu verstehen, weshalb das Interesse am Chemieunterricht im Laufe der Sekundarstufe I besonders stark fällt, betreibt die empirische Chemiedidaktik weiterhin Interessensforschung – international wie national. Höft und Bernholt haben die Interessensentwicklung zweier Kohorten von Schüler:innen über den Verlauf der Jahrgangsstufen 5 bis 8 und 9 bis 12 untersucht.⁴⁹⁾ Die Autoren differenzierten dabei zwischen Interesse an fachlichen Inhalten und an fachbezogenen Aktivitäten im Unterricht. Sie stellten ebenfalls einen leichten Interessensabfall fest und zeigten zudem, dass größeres Interesse in niedrigeren Jahrgangsstufen mit stärkerem Interessensrückgang einhergeht. Vermutlich enttäuscht der Fachunterricht die hochinteressierten Schüler:innen besonders. Zudem sollte Interesse aktivitätsgebunden gemessen werden, da die Tätigkeit das Interesse maßgeblich beeinflusst. Das Interesse gibt auch Hinweise darauf, welche fachliche Leistung Schüler:innen in einzelnen Aktivitäten im Unterricht bringen.

Der Frage, inwiefern Lehrkräfte den Chemieunterricht interessensförderlich gestalten können, gehen Ochsen et al. in einer Beobachtungsstudie nach.⁵⁰⁾ Sie untersuchten in verschiedenen Unterrichtsphasen, welche unterrichtlichen Aktivitäten Interesse auslösen. Insgesamt nahmen 232 Lernende aus der neunten Jahrgangsstufe an Gymnasien an der Studie teil. Im Anschluss an jede Unterrichtsphase bewerteten sie ihr Interesse an der zurückliegenden Tätigkeit mit einer Skala. Ergänzend wurde der Unterricht beobachtet.

Die Studienergebnisse zeigen zunächst, dass es von den Unterrichtsphasen abhängt, wie sich Interessen entwickeln. Aus den Daten extrahierten die Forschenden interessensförderliche und -hemmende Unterrichtsmerkmale. Förderlich sind zum Beispiel Alltagsbezüge und Experimente, hemmend sind Schreibanlässe oder Zulassen von Passivität der Lernenden. Bemerkenswert ist die Wahrnehmung der Lernenden: Während hochinteressierte Schüler:innen beispielsweise einen starken fachlichen Fokus besonders anregend finden, langweilt dasselbe Unterrichtsmerkmal Schüler:innen, die sich nur wenig oder mäßig für Chemie interessieren. Daher sollten individuelle Lerndispositionen stärker berücksichtigt werden, wenn evaluiert werden soll, wie Lerngelegenheiten wirken.

Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen

Die naturwissenschaftsdidaktische Forschung diskutierte in den letzten Monaten zunehmend die Potenziale und Herausforderungen maschinellen Lernens (ML) als Methode der Datenanalyse und dessen Relevanz für die Lehrpraxis.⁵¹⁾ Bereits heute nutzen Forschende Methoden zur automatisierten Textanalyse als Werkzeug.

Mit ML wird das Potenzial verbunden, auf Basis automatisierter Bewertungen von Schülerergebnissen individuellere Rückmeldungen geben zu können. So sollen Lernprozesse individueller begleitet und unterstützt werden können. Hierzu werden bereits Ansätze des supervised, also überwachten maschinellen Lernens erprobt. Im vergangenen Jahr zeigte eine Arbeit von Zhai, Krajcik und Pellegrino, wie sie mit neuronalen Netzen eine typische Testaufgabe automatisiert bewerteten.⁵²⁾ Die Aufgabe war Teil eines Instrumentariums, mit dem Bildungsstandards in den USA (NGSS) evaluiert werden. Obwohl die computergenerierten Scores valide waren, halten die Autor:innen die Aussagekraft für eingeschränkt und weitere Forschung für erforderlich.

Die automatisierte, ML-gestützte Auswertung kann auch Schülerzeichnungen auswerten. So nutzten Zhai et al. Aufgaben, die Modellierungskompetenz von Schüler:innen prüfen sollen, und wendeten ein künstliches neuronales Netz (Convolutional Neural Network) an, um die Schülerzeichnungen zu bewerten.⁵³⁾ Um die computergenerierten mit menschlichen Bewertungen zu vergleichen, errechneten die Autor:innen statistische Übereinstimmungsmaße (Cohens Kappa), dabei stellen sich die Übereinstimmungen als hoch heraus.

Ausblick

Neue Unterrichtskonzepte und experimentelle Ansätze entstehen, die Nachhaltigkeit in den Blick rücken und dazu beitragen, Kompetenzen bei Schüler:innen zu fördern, die sie zu einer mündigen Teilhabe an gesellschaftlich relevanten Debatten benötigen. Digitale Transformation der Bildung bleibt ein Feld, zu dem sich chemiedidaktische Forschung positioniert und positionieren muss. Die Entwicklungen zu begleiten, indem Lerngelegenheiten und Konzepte entwickelt und evaluiert werden, ist und bleibt ein wichtiges Aufgabengebiet fachdidaktischer Forschung. Lehrkräfte fordern zu Recht Fortbildungsangebote. Daher ist es zu begrüßen, dass das Bundesministerium für Bildung und Forschung Kompetenzzentren für digitales und digital gestütztes Unterrichten in Schule und Weiterbildung einrichten will.

Daten, R-Script und interaktive Wortwolken stehen unter t1p.de/ikd0j

Drei Fragen an die Koordinatorin: Mona Christin Maaß

Welcher Trend ist in den letzten zwölf Monaten aufgekommen, den Sie so nicht erwartet haben?

Ich war überrascht, dass die Spektroskopie ein häufiger inhaltlicher Schwerpunkt war und die analytische Chemie besonders im internationalen Raum ein relevantes Fachgebiet.

Auf welchem Gebiet erwarten Sie in der nächsten Zeit die größten Fortschritte?

Die Coronapandemie war die Initialzündung für großen Fortschritt bei der Digitalisierung. Ich gehe davon aus, dass sich dieser weiter fortsetzen wird.

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Ich erschließe Materialforschung für den Unterricht und entwickel experimentelle Konzepte, die Schüler:innen befähigen, eine nachhaltige Zukunft zu gestalten.

Mona Maaß ist Postdoktorandin in der Fachdidaktik Chemie der Uni Göttingen Sie hat dort Physik und Chemie für das Lehramt an Gymnasien studiert und in Materialphysik promoviert. Koautor Philipp Lanfermann hat in Göttingen Chemie und Biologie für das Gymnasiallehramt studiert. Er promoviert im Arbeitskreis von Thomas Waiz über Experimente, die das Thema Energie für Schule und Schülerlabor erschließen.

Drei Fragen an den Autor: Sebastian Habig

Welcher Trend ist in den letzten zwölf Monaten aufgekommen, den Sie so nicht erwartet haben?

Wirklich unerwartet ist keiner der identifizierten Trends. Überrascht hat mich die Genauigkeit, mit der trainierte Algorithmen Schülerzeichnungen, also ein sehr offenes Antwortformat, bewerten. Ich schließe mich der Einschätzung an, dass die Kombination von authentischen Lernumgebungen mit Methoden maschinellen Lernens dazu beitragen kann, individuelle Bedürfnisse von Lernenden zu berücksichtigen.

Auf welchem Gebiet erwarten Sie in der nächsten Zeit die größten Fortschritte?

Fortschritte erwarte ich bei der Professionalisierung und Weiterbildung der (angehenden) Lehrkräfte zu digitalem und digital gestütztem Lehren und Lernen. Die ständige wissenschaftliche Kommission der Kultusministerkonferenz hat dazu Handlungsempfehlungen gegeben und die dauerhafte Einrichtung länderübergreifender Zentren für digitale Bildung vorgeschlagen.

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Die Repräsentationen im Fach Chemie, die Rolle individueller Lernvoraussetzungen beim Umgang mit diesen sowie Interessensforschung.

Sebastian Habig ist seit dem Jahr 2021 Professor für Didaktik der Chemie an der Universität Erlangen-Nürnberg. Zuvor war er im Vorbereitungsdienst und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Paderborn. Er hat Chemie und Sozialwissenschaften für das Lehramt an der Universität Duisburg-Essen studiert und dort in Chemiedidaktik promoviert.

• ¹ C. Banse, A. Marohn, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202200003
• ² C. E. Karayel, M. Krug, C. Barth, L. Hoffmann, J. Huwer, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202100087
• ³ N. J. Kreienhop, M. Beeken, CHEMKON doi: 10.1002/ckon.202200011
• ⁴ T. Grofe, I. Rubner, CHEMKON 2021 doi: 10.1002/ckon.202000007
• ⁵ R. Kremer, C. Bohrmann-Linde, M. W. Tausch, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202000091
• ⁶ K. Sommer, Unterricht Chemie 2021, 2021 (186), 2
• ⁷ S. Neff, S.; A. Engl, Unterricht Chemie 2021, 2021 (186), 30
• ⁸ (M. Sophie, Unterricht Chemie 2021, 2021 (186), 6
• ⁹ B. Risch, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202000082
• ¹⁰ M. Lüsse, F. Brockhage, M. Beeken, V. Pietzner, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202100085
• ¹¹ M. Linkwitz, I. Eilks, CHEMKON 2022 doi: 10.1002/ckon.202000078
• ¹² M. Petersen, P. Worliczek, J. B. Max et al. World Journal of Chemical Education, doi: 10.12691/wjce-9–4–12
• ¹³ P. Lanfermann, C. Weidmann, J. Dege et al., World Journal of Chemical Education 2021, doi: 10.12691/wjce-9–4–11
• ¹⁴ J. Venzlaff, C. Bohrmann-Linde, World Journal of Chemical Education 2021, doi: 10.12691/wjce-9–4–5
• ¹⁵ M. W. Tausch, Chem. Unserer Zeit 2022, doi: 10.1002/ciuz.202000050
• ¹⁶ D. Diekemper, W. Schnick, S. Schwarzer, CHEMKON 2021, doi: 10.1002/ckon.202000033
• ¹⁷ M. Ducci, World Journal of Chemical Education 2021, doi: 10.12691/wjce-9–4–6
• ¹⁸ M. Ducci, CHEMKON 2021, doi: 10.1002/ckon.202100020
• ¹⁹ P. Gräb, E. Geidel, H.-C. Schmitt, World Journal of Chemical Education 2021, doi: 10.12691/wjce-9–4–7
• ²⁰ R. Wieczorek, Unterricht Chemie 2021, 2021 (185), 32
• ²¹ M. Osterheider, B. Bourdon, R. Boettcher, M. Imlau, M. Beeken, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202100088
• ²² W. Chutakool, T. Praneenararat, J. Chem. Educ. 2022, doi: 10.1021/acs.jchemed.1c01021
• ²³ A. C. Leri, A. P. Pavia, J. Chem. Educ. 2022, doi: 10.1021/acs.jchemed.1c00852
• ²⁴ D. Rosenberg, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202100089
• ²⁵ S. Hansen, Unterricht Chemie 2022, 2022 (190), 31
• ²⁶ D. Lüke, M. Oetken, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202000075
• ²⁷ J. Roscher, R. Holze, CHEMKON 2022, 29 (5), 408–411. doi: 10.1002/ckon.202100035
• ²⁸ R. Grandrath, C. Bohrmann-Linde, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202200001
• ²⁹ A. Habekost, World Journal of Chemical Education 2022, doi: 10.12691/wjce-10–1–4
• ³⁰ I. Rubner, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202200020
• ³¹ T. Kraska, CHEMKON 2021, doi: 10.1002/ckon.202100002
• ³² D. Zeller, Y. Gökkus, R. Kremer, C. Bohrmann-Linde, CHEMKON 2021, doi: 10.1002/ckon.202100010
• ³³ N. Graulich, L. Groos, K. Maaß, CHEMKON 2021, doi: 10.1002/ckon.202100005
• ³⁴ A. Tschiersch, M. Krug, J. Huwer, A. Banerji, CHEMKON 2021, doi: 10.1002/ckon.202100009
• ³⁵ C. Probst, D. Fetzer, S. Lukas, J. Huwer, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202000046
• ³⁶ P. Yadav, H. Laddha, M. Agarwal, R. Gupta, J. Chem. Educ. 2022, doi: 10.1021/acs.jchemed.2c00216
• ³⁷ N. ter Horst, T. Wilke, CHEMKON 2022, doi: 10.1002/ckon.202100095
• ³⁸ S. Habig, H. van Vorst, „Unsicherheit als Element von naturwissenschaftsbezogenen Bildungsprozessen“, Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik e. V. 2022, 48, virtuelle Jahrestagung 2021; pedocs: Erlangen-Nürnberg; Duisburg-Essen
• ³⁹ J. S. Baruni, J. G. R. Sathiaseelan, IJCSMC 2020, doi: 10.47760/IJCSMC.2020.v09i09.009
• ⁴⁰ C. Stone, Chemistry Education Research and Practice 2021, doi:1 0.1039/D1RP00085C
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