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Digitalisierung ‐‐ Perspektiven für den Chemieunterricht

Sensoren im Smartphone, Erklärvideos, Formel-Apps oder virtuelle Labore reichern Lernen und Experimentieren in den Naturwissenschaften an. Digitale Medien dienen als Lernwerkzeuge oder werden selbst zum Lerngegenstand. Allerdings erfordert die Digitalisierung des Chemieunterrichts nicht nur Gerät...

An der Universität Regensburg arbeiten Wissenschaftler aus anorganischer Chemie und Fachdidaktik zusammen, um Inhalte aus Photo- und Elektrochemie für den Chemieunterricht zu erschließen. Dabei geht es um Stoff, der bisher nicht auf dem Lehrplan stand. Versuche wurden entwickelt und Lehrer geschult. Eine Studie im Verlauf des Projekts zeigt: Diese Unterstützung ist hilfreich.
Experimente erfüllen im Chemieunterricht an Schulen unterschiedliche Funktionen:1–4) Sie demonstrieren Sachverhalte, um Fachwissen zu erläutern oder zu festigen, und sie vermitteln Wissen und experimentelle Fähigkeiten.5,6)Schüler tun sich allerdings schwer, eigenständig Experimente zum Erkenntnisgewinn durchzuführen.7–11) Besonders häufig haben sie Probleme, Hypothesen zu formulieren und sich bei der Interpretation der Ergebnisse wieder darauf zu beziehen.7,8) Oft können sie Variablen nicht identifizieren und kontrollieren.8,9) Sie arbeiten manchmal unsauber und ungenau, dazu kommen Fehler aufgrund mangelnden Fachwissens.10,11)Zwar verbessern sich im Laufe der Schulzeit die experimentellen Fähigkeiten der Schüler,12–15) jedoch gibt es auch noch bei Lehramtsstudierenden in den Naturwissenschaften Defizite.16,17) Unter den Maßnahmen, die bei Schülern wie Studierenden die experimentellen Fähigkeiten steigern sollen,18,19) wirken die expliziten, etwa Strukturierungshilfen, Fehlerkorrektur oder Training, besser als die impliziten.20,21) Förderung kann auch im Regelunterricht in der Schule gelingen.22)Mit dem Ziel, Hilfen zur Förderung experimenteller Fähigkeiten von Schülern zur Verfügung zu stellen, haben die anorganische Chemie und die Fachdidaktik an der Universität Regensburg erstmals gemeinsam eine Lehrkräftefortbildung entwickelt. Dazu unterstützt das Projekt die Lehrkräfte mit Experimentierboxen mit Versuchen für die Schüler. Als aktuelles Forschungsthema für Fortbildung und Experimente wurden Photokatalyse und Photoelektrochemie gewählt und fachlich aufbereitet. Burkhard König aus der organischen Chemie unterstützte die Fortbildung mit einem Vortrag zur Photokatalyse mit sichtbarem Licht.Photochemie ist derzeit kein explizites Unterrichtsthema in Bayern, als Ausgangspunkte können Farbstoffe und die Solarwasserstofftechnik dienen. Letztgenannte wird nun erstmals in den Lehrplan integriert, und zwar in den für das neunjährige Gymnasium in Bayern (Lehrplanplus).23) Photochemie gehört bisher auch nicht zum Stoff der bayerischen Lehrkräfteausbildung,25,26) anders als von der Kultusministerkonferenz gefordert.27)Die Begleitforschung untersucht im Rahmen des Projekts Koleg (Kasten), wie sich die Lehrerfortbildung auf den Unterricht auswirkt.<h2>INFO: Qualitätsoffensive Lehrerbildung</h2>Mit der Initiative „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“ unterstützt der Bund die Entwicklung neuer Konzepte für die Lehrkräftebildung.1) Seit Beginn der ersten Förderphase im Juni 2015 läuft an der Universität Regensburg das Projekt „Kooperative Lehrkräftebildung gestalten“ (Koleg).2) Ein Teil der Fördermittel geht in ein Projekt in der Chemie, in dem die anorganische Chemie als Fachwissenschaft und die Fachdidaktik zusammenarbeiten. Ihr Ziel ist es, über Lehrerfortbildungen die naturwissenschaftliche Grundbildung von Schülern langfristig zu unterstützen.
<ul><li>
1 Gemeinsame Wissenschaftskonferenz (2018). Zusätzliche Förderrunde der Qualitätsoffensive Lehrerbildung beschlossen. 64 Millionen Euro für Digitalisierung und Lehramtsausbildung für berufliche Schulen.</li><li>
2 <a href="https://www.uni-regensburg.de/koleg/das-projekt-koleg/index.html" target="_blank">www.uni-regensburg.de/koleg/das-projekt-koleg/index.html</a> (letzter Zugriff am 4.6.2019).</li></ul>

<h2>Die Lehrerfortbildung</h2>Die Fortbildung zu Photochemie und Elektrochemie wurde für Lehrkräfte an Gymnasien konzipiert und dauert zwei Tage. Das Konzept berücksichtigt Erkenntnisse über die Wirksamkeit von Lehrkräftefortbildungen.28,29) Schülerexperimente ergänzen die Theoriephasen.28,29) Die beiden Fortbildungstage wurden im Abstand von zwei Wochen an Universitäten und Schulen in Bayern durchgeführt. Insgesamt nahmen 40 Lehrkräfte aus 15 Schulen teil.Elektrochemie ist Unterrichtsstoff in der Mittel- und Oberstufe.30,31) Das Thema ist mit vielen Fehlvorstellungen behaftet, insbesondere bei den Vorgängen auf der Teilchenebene.32) Beispielsweise verstehen Schüler die Elektrolyse als Spaltungsreaktion des Elektrolyten und nicht als Elektronenübertragungsreaktion. Daher sind verständnisfördernde Schülerexperimente erforderlich.Die Fortbildung umfasst acht Experimentiereinheiten zu galvanischen Zellen, Zinkiodid-Elektrolyse, mehreren photoelektrochemischen Zellen mit Titandioxidanode und die photokatalytische Entfärbung von Farbstoffen. Alle Versuche eignen sich als Schülerexperimente.Die Lehrkräfte erhielten alle Materialien und komplett ausgestattete Experimentierboxen rund um galvanische Zellen (Abbildung). Diese Boxen sind jeweils für ein Jahr ausleihbar. Wenn Schulen diese nutzen, können sie die Ausleihe verlängern. Die Verbrauchsmaterialien reichen für sechs Schülerversuche. Es sind Standardchemikalien, die jede Schule vorrätig hat und selbst auffüllen kann.<figure><img src="https://media.graphcms.com/EyWG3NRTQBS5MJX6acJe"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Einzelset für Versuche zu galvanischen Zellen aus der Experimentierbox für eine Schülergruppe.</figcaption></figure>
Mit den Materialien können die Schüler galvanische Zellen bauen, beispielsweise eine Zink-Wasserstoff-Zelle oder ein Daniell-Element. Darüber hinaus erhielten die Lehrkräfte eine UV-Taschenlampe und Titandioxid für Experimente zur Photochemie sowie bei Bedarf die nötigen Messgeräte und Kabel als Dauerleihgabe.<h2>Begleitforschung: Zufriedenheit und Wissenszuwachs</h2>Um zunächst in Erfahrung zu bringen, wie die Lehrkräfte die Fortbildung selbst einschätzen, wurden diese gebeten, nach Ende der Veranstaltung auf einem Fragebogen 18 Aussagen über die Fortbildung in fünf Stufen von sehr zutreffend (5) bis sehr unzutreffend (1) zu beurteilen. Dabei wurden Fragen gestellt zur Organisation, zur Referentin, zum Ertrag, zur Aktualität des Inhalts, zum Lehrplanbezug, zu den Austauschmöglichkeiten und den Materialien. Im Durchschnitt bewerteten die Lehrkräfte die Fortbildung mit 4,19, was für hohe Zufriedenheit spricht.Ein zweiter Evaluationspunkt war die Steigerung des Fachwissens zu Photokatalyse und Photoelektrochemie. Hierzu wurde getestet, ob der Wissenszuwachs anhielt. Der dafür konzipierte Multiple-Choice-Test wurde direkt vor und nach der Fortbildung sowie im Abstand von sechs Monaten eingesetzt. Der Lerneffekt stellt sich als langanhaltend heraus: Auch nach sechs Monaten beantworteten die Teilnehmer die fachlichen Fragen richtig.Details und vollständige Ergebnisse der Begleitforschung stehen in der Dissertation der Autorin.33)<h2>Begleitforschung: unterrichtspraktisches Handeln</h2>Um Hinweise darauf zu bekommen, wie sich die Fortbildung auf den praktischen Unterricht auswirkt, wurden die Lehrkräfte sechs Monate später dazu befragt. Ein Drittel der Lehrkräfte gab an, die Inhalte und Materialien im Unterricht eingesetzt zu haben. Von denjenigen, die sie nicht genutzt hatten, begründeten 75 Prozent dies damit, nicht die passenden Jahrgangsstufen unterrichtet zu haben. Zwei Drittel der Lehrkräfte berichteten, die Fortbildung weiterempfohlen und Materialien weitergegeben zu haben.Das Experimentiermaterial unterstützte die Hälfte der teilnehmenden Lehrkräfte aus den 15 Schulen mit naturwissenschaftlich-technischer Ausbildungsrichtung bei Schülerexperimenten zu galvanischen Zellen. In den vergangenen zwei Jahren hat nur eine Schule die Materialien zurückgegeben, da sie nicht genutzt wurden. Alle anderen Lehrkräfte nutzten die Experimentierbox in den Jahrgangsstufen neun und zwölf und baten deshalb, die Materialien weiterhin verwenden zu können. Dies zeigt, wie groß der Bedarf an Unterstützung für den Schulunterricht ist.<h2>Schlussfolgerungen für Aus- und Fortbildung</h2>Bei Fortbildungen stellt sich stets die Frage, wie wirksam sie sind und ob das Ergebnis Kosten und Zeitaufwand rechtfertigt. Daher erscheint es nicht ausreichend, allein die Zufriedenheit der Lehrkräfte mit der Fortbildung zu bewerten. Wünschenswert ist es zu evaluieren, ob Fortbildungsmaßnahmen Wissenszuwachs bringen, die Lehrer das Wissen im Unterricht einsetzten können und wie sich dies auf die Schüler auswirkt.Für die Lehrkräfteausbildung stellt sich zudem die Frage, inwiefern es notwendig ist, die experimentellen Fähigkeiten der Studierenden zu fördern. In diesem Projekt zeigten sich Hinweise darauf, dass Seminare dazu die Fehler beim Experimentieren deutlich senken.33) Dieser Punkt bedarf allerdings weiterer Forschung.Die Universität Regensburg verfolgt das hier vorgestellte Projekt weiter. Ein Ziel ist, explizite Maßnahmen zu entwickeln, um die experimentellen Fähigkeiten angehender Lehrkräfte und berufserfahrener Lehrer in allen Phasen der Lehrkräftebildung zu fördern.KOLEG wird im Rahmen der gemeinsamen Qualitätsoffensive Lehrerbildung von Bund und Ländern aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert. Die Autoren danken dem Fonds der Chemischen Industrie für die finanziellen Mittel für die Experimentierboxen.<h2>Die Autoren</h2>Diesen Beitrag haben Victoria Telser, Arno Pfitzner und Oliver Tepner verfasst. Telser hat in der Arbeitsgruppe von Pfitzner promoviert und absolviert den Vorbereitungsdienst für das Lehramt an bayerischen Gymnasien für Chemie und Geographie. Pfitzner ist Professor für anorganische Chemie an der Universität Regensburg, Tepner für Chemiedidaktik. Beide leiten gemeinsam das Projekt zur experimentellen Kompetenz von Chemielehrkräften.<div><img src="https://media.graphcms.com/8ShkSFGqQ6ePUs6yxPT0">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Auch nach Ende der Schulzeit fehlen Jugendlichen oft experimentelle Fähigkeiten.Um diese Fähigkeiten zu fördern, die zur naturwissenschaftlichen Grundbildung gehören, lohnt es sich, bei der Lehreraus- und fortbildung anzusetzen.Ein Projekt an der Uni Regensburg befasst sich mit Photoelektrochemie und Photokatalyse, um Lehrkräfte zu diesen Themen theoriebasiert und experimentell zu unterstützen.
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3 Sekretariat der Ständigen Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesrepublik Deutschland, Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Schulabschluss. Beschluss vom 16.12.2004. Luchterhand, München 2005</li><li>
4 National Research Council, A Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas, The National Academies Press, Washington, DC 2012</li><li>
5 J. Holbrook, M. Rannikmae, International Journal of Environmental and Science Education 2009, 3, 275–288</li><li>
6 J. Friedrich, CHEMKON 2012, 19 (3), 109–110</li><li>
7 B. Barzel, B. Reinhoffer, M. Schrenk, „Das Experimentieren im Unterricht“, in: W. Rieß, M. A. Wirtz, B. Barzel, A. Schulz (Hrsg.), Experimentieren im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht. Schüler lernen wissenschaftlich denken und arbeiten. Waxmann, Münster 2012, 103–127</li><li>
8 H.-D. Körner, R. Erb, „Zur Bedeutung von Experimenten bei der Erkenntnisgewinnung“ in:S. Bernholt (Hrsg.) Inquiry-based Learning – Forschendes Lernen. , IPN, Kiel 2013, 74–76</li><li>
9 M. Meier, Entwicklung und Prüfung eines Instrumentes zur Diagnose der Experimentierkompetenz von Schülerinnen und Schülern, Logos, Berlin, 2016</li><li>
10 A. Baur, Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften 2018, 11 (1), 7</li><li>
11 M. Hammann, Math. Nat. Unterr. 2006, 59 (2), 85–95</li><li>
12 J.-H. Kechel, Schülerschwierigkeiten beim eigenständigen Experimentieren. Eine qualitative Studie am Beispiel einer Experimentieraufgabe zum Hooke‘schen Gesetz. Dissertation. Universität Kassel, Kassel 2016</li><li>
13 C. Ferrés Gurt, A. Marbà Tallada, J. Biol. Educ. 2018, 52(1), 113–120</li><li>
14 F. Lubben, R. Millar, International Journal of Science Education 1996 18(8), 955–968</li><li>
15 C. Grube, Kompetenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung. Untersuchung der Struktur und Entwicklung des wissenschaftlichen Denkens bei Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe I. Dissertation. Universität Kassel, Kassel, 2010</li><li>
16 J. Arnold, K. Kremer, J. Mayer, International Journal of Science Education 2014, 36(16), 2719–2749</li><li>
17 H. H. Tairab, IES, 2015, 9(1), 44</li><li>
18 S. Hamed, J. Jimenez, N. Lederman, „Scientific Inquiry Views in Spanish Middle School Students and Pre Service Science Teachers: A Comparison“, in: O. Finlayson, E. McLoughlin, S. Erduran, P. Childs (Hrsg), Electronic Proceedings of the ESERA 2017 Conference. Research, Practice and Collaboration in Science Education, Dublin City University, Dublin, 2018, 767–776</li><li>
19 M. Kambach, Experimentierprozesse von Lehramtsstudierenden der Biologie. Eine Videostudie. Logos, Berlin 2018</li><li>
20 M. Walpuski, I. Wahser, E. Sumfleth, „Improvement of Inquiry-learning Using Collaborative Tasks“, in: B. Ralle (Hrsg), Promoting successful science education – the worth of science education research. A collection of invited papers inspired by the 19th Symposium on chemical and science education held at the University of Dortmund, 22 – 24 May 2008, Shaker, Aachen, 2018, 197–202</li><li>
21 D. Schmidt, Modellierung experimenteller Kompetenzen sowie ihre Diagnostik und Förderung im Biologieunterricht, Logos, Berlin 2016</li><li>
22 A. Vorholzer, C. Aufschnaiter, S. von, Kirschner, Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften 2016, 22/1, 25–41</li><li>
23 B. Kalthoff, H. Theyßen, N. Schreiber, International Journal of Science Education 2018, 40 (11), 1305–1326</li><li>
24 V. Maiseyenka, Modellbasiertes Experimentieren im Unterricht. Praxistauglichkeit und Lernwirkungen, Logos, Berlin 2014</li><li>
25 <a href="https://www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/gymnasium/10/chemie/ch-ntg" target="_blank">www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/gymnasium/10/chemie/ch-ntg</a> (letzter Zugriff am 5.6.2019).</li><li>
26 B. König, T. Bach, „Introduction“, in: Chemical Photocatalysis. Hrsg. von B. König, De Gruyter, Berlin 2013, 1–2</li><li>
27 Fakultät für Chemie und Pharmazie, Modulkatalog Fachwissenschaft für Lehramt Chemie – Gymnasium – an der Universität Regensburg, 2017</li><li>
28 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Chemie (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien). Modulhandbuch, 2019</li><li>
29 Sekretariat der Ständigen Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesrepublik Deutschland, Ländergemeinsame inhaltliche Anforderungen für die Fachwissenschaften und Fachdidaktiken in der Lehrerbildung, Berlin, 2017</li><li>
30 G. Trendel, R. Wackermann, H. E. Fischer, Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften 2007 13, 9–31</li><li>
31 C. Gräsel, K. Fussangel, I. Parchmann, Zeitschrift für Erziehungswissenschaft 2006, 9(4), 545–561</li><li>
32 <a href="https://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26447" target="_blank">www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26447</a> (letzter Zugriff am 1.10.2015).</li><li>
33 <a href="https://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26174" target="_blank">www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26174</a> (letzter Zugriff am 1.10.2015).</li><li>
34 A. Marohn, Falschvorstellungen von Schülern in der Elektrochemie. Eine empirische Untersuchung. Dissertation. Universität Dortmund, Dortmund 1999</li><li>
35 V. Telser, Erfassung und Förderung experimenteller Kompetenz von Lehrkräften im Fach Chemie. Dissertation. Universität Regensburg, Regensburg (im Druck).</li></ul>

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