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Didaktik der Chemie

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Didaktik der ChemieDr. Max MustermannReferat Kommunikation & Marketing Verwaltung

AOR Robert Engel

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Fehlersuchbilder im Chemieunterricht Robert Engel, AOR

Wien

München

Wi-1en

Münch-1en

Alp-1en

Doppelbindungssysteme:

Was verbindet uns chemisch?

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Entstehungsgeschichte

Finde die 10 Unterschiede

Die Idee

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Chemische Fehlersuchbilder zur Erstellung kompetenzorientierter und lernförderlicher Aufgaben im

Chemieunterricht

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Finde fünf Fehler!

Erkläre!

hier: dichotomes Fehlersuchbild

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Gliederung des Vortrags

1. Einführung

2. Theoretischer Hintergrund Fehlersuchbilder

3. Entwicklung von Fehlersuchbildern

4. Testdesign

5. Ergebnisse der Hypothesen

6. Ausblick

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Funktionen: Interpretation, Konkretisierung, Transformation, Motivation, usw.

Informationsgehalt: räumliche Beziehungen, Formen, Konstruktionsprinzipien, Abläufe

Visuelle Informationen, gerade räumliche, sind relativ leicht einzuprägen

Nach SCHNOTZ 2009 und WEIDENMANN 1991

Lernen mit Bildern Lernen aus Fehlern

negatives Image Hilfe den richtigen Sachverhalt in

seinen Grenzen zu verstehen Konstruktiver Umgang fördert

den Lernprozess, Fehlerüberwinden als eigene

Kompetenz hebt die Lernmotivation

„Selbsterklären“ vorkonstruierter Fehler wirkt positiv auf das Lernen

Nach OSER in ALTHOF 1999 und SCHUMACHER in CASPARY 2008

Beide fristen häufig im Unterricht ein zweitrangiges Dasein.(WEIDENMANN 1991, SCHUMACHER 2008)

2. Theoretischer Hintergrund

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• Geringer motivationaler Anreiz für den Schüler (siehe Forderung in BERNHOLT et al. 2009)

• Selten Einbettung in den Chemieunterricht• Kaum berücksichtigt: Fehlvorstellungen im Bereich des

Makrokosmos z.B. durch einen unverstandenen Experimentalaufbau

Ergebnisse der Literatursichtung:• Überwiegend Diagnose von

Fehlvorstellungen (siehe in BARKE 2006) bzw. die Kompetenzmessung durch schriftliche Leistungstests (KAUERTZ et al. 2008) über die submikroskopischer Ebene.

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„Rätsel sind erfahrungsgemäß motivierend und inspirierend, da die vorgegebene Lückensituation nach Klärung und Vervollständigung verlangt, vorausgesetzt die Rätselaufgaben sind so beschaffen, dass die Schüler reelle Erfolgsaussichten haben.“ (Klippert, 2006)

Warum Rätsel?

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Wann ist ein Rätsel ein Rätsel?

Linearität

Ziel und Motivation

Kognitive Anstrengung

korrekte Ant-wort/Ergebnis

RÄTSEL

häufig

Lernziele immer

Unterrichtsrätsel:

Crawford 1982

Lukesch 2001

Unterhaltung:Scheuerl 1979

Salen & Zimmer-mann 2004

Vergleich zum Spiel:

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ChemischeFehlersuchbilder

(=FSB)

Lernen mit Bildern

Lernen aus Fehlern

Zusammenführung im Chemieunterricht

Rätsel

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1. Kombination von Elementen des Lernens mit Bildern und des Lernens aus Fehlern => Lernerfolg , Motivation ,

2. Für alle Basiskonzepte auf allen drei Repräsentationsebenen nach JOHNSTONE (1991) nutzbar

Erwartungen an Aufgaben mit FSB


Submikrokosmos

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Repräsentationsebenen (JOHNSTONE 1991)

+

SubmikrokosmosC + O2 CO2

Beispiel: Verbrennung von Kohlenstoff

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3. Hilfreich für eine Diagnostik der Kompetenzentwicklung der Schüler auf Individualebene

4. Nutzen durch ihre rätselähnliche Konzeption, die motivationalen Effekte eines Rätsels (RÖSSEL 2008).

5. Kognitiver Konflikt beim Schüler durch die Gegenüberstellung falscher und richtiger Inhalte:

=> Lernerfolg , Motivation (BARKE & HARSCH 2001, RECKE 2010)

=> Initiation von Konzeptwechseln (LIMON 2001, RECKE 2010)

Erwartungen an Aufgaben mit FSB


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KontextWelchen Kontext besitzt die

Aufgabe?

WissenWelches Wissen braucht man zur Bearbeitung der

Aufgabe?

Affektive Dimensionen

Welche Aufgabenmerkmale machen die Aufgabe

interessant und motivierend?

AUFGABE mit FSB

KompetenzenWelche Kompetenzen

benötigt man zur Bearbeitung der Aufgabe?

Aufgabenmerkmale

(verändert nach OECD/PISA 2006, Scientific Literacy Fremwork, Februar 2004 http://www.pisa.oecd.org)

• Kategorisierung von Fehlertypen

• Repräsentationsebenen• notwendiges fachliches

Vorwissen• Design von FSB

• Fehlersuchbilder• Fachwissen Chemie

• kognitiver Konflikt • Dreifachmotivation:

Rätsel, Lernen aus Bildern, Lernen aus Fehlern

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Standards für die verschiedenen Kompetenzbereiche im Fach Chemie (nach KMK, BILDUNGSSTANDARDS, 2004)

Fachwissen (F)

Kompetenzbereiche

Erkenntnisgewinnung (E)

Kommunizieren (K)

Bewertung (B)

F1: Stoff-Teilchen-Beziehung

F2: Struktur-Eigenschafts-BeziehungF3: Chemische Reaktion

F4: Energetische Betrachtung bei Stoffumwandlungen

Basiskonzepte:

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FehlerKategorie Art

FFFachliche Fehler

FF1: Stoff-Teilchen-Beziehung

FF2: Struktur-Eigenschafts-BeziehungFF3: Chemische ReaktionFF4: Energetische Betrachtung

DFFachdidaktische Fehler

DF1: Vermischung der Darstellungsebenen

DF2: Verletzung der Gestaltgesetze

KFFehler im Kontext

KF1: Fehler im VersuchsaufbauKF2: Irrelevante Änderungen im

Versuchsaufbau

Kategorisierung der Fehlertypen

Die Kenntnis dieser Fehlertypen ist Voraussetzung für die Bearbeitung von Fehlersuchbildern durch Schüler

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Beispiel: nicht - dichotomes FSB

Zeichenprogramme:• freeware „Paint.Net“• Powerpoint

Das Design von Fehlersuchbildern

Natriumhydroxid-Plätzchen in Wasser mit Bromthymolblau als Indikator

Zeichenregeln: • Dichotome und

nicht-dichotome FSB

• Rahmen zur Ein-grenzung

• Makroskopische Apparaturen im funktionellen Schnitt

• Submikrokosmus-Lupe

• Submikroskopische Teilchen im Schnitt

• Eindeutige Legende

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• Typen nach Basiskonzepten FF1 bis FF4 nach KMK, BILDUNGSSTANDARDS (2004) • Definition: Die inkorrekte Darstellung von chemischen Phänomenen und Gesetzmäßig-

keiten auf der jeweiligen Elementarisierungsstufe.• Beispiele:

Fachliche Fehler (=FF)

FF2

FF1FF3

FF1 „Stoff-Teilchen“: Das falsch aufgebaute Ionengitter eines Kochsalzkristalls FF2 „Struktur-Eigenschaft“: Ein nicht existentes „H4O“-Molekül FF3 „Chemische Reaktion“ - Gesetz der Massenerhaltung:

2 H-Atome und 5 Na-Kationen fehlen auf der Produktseite.

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Involvierte Kompetenzbereiche:Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung.

Fachdidaktische Fehler (DF)

• Problematik: Daraus folgende Fehlvorstellungen (BARKE 2006)

• Beispiel: Die gleichzeitige Darstellung von Wasser als Flüssigkeit und von Wasser-molekülen in einer ansonsten makroskopischen Umgebung.

DF1: Vermischung der Darstellungsebenen (JOHNSTONE)

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Fachdidaktische Fehler (DF)

• Definition: Das Nichtbefolgen der visuellen Wahrnehmungsgesetze nach METZGER (1986), übertragen auf chemische Demonstrationsexperimente nach BADER, SCHMIDKUNZ in PFEIFER (2002/ S. 301), beim Erstellen der Bilder.

• Beispiel: Verletzung des „Gesetzes der Dynamik von links nach rechts“ (BADER, SCHMIDKUNZ in PFEIFER 2002/ S.305).

DF2: Verletzung der Gestaltgesetzte

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• Involvierte Kompetenzbereiche: E, B, K• Definition: Der Begriff Kontext umschreibt hier die nicht direkt chemischen Abläufe

sondern den Aufbau des dargestellten Versuchs oder die Umgebung der gezeigten Reaktion.

Fehler im Kontext (KF)

• Kriterien: Versuch kann so nicht gelingen, sein Ergebnis wird stark verfälscht oder große Sicherheitslücken und somit Gefährdungen entstehen.

• Beispiel: Ein Auffanggefäß für Wasserstoff, das nach oben hin geöffnet ist.

KF1: Fehler im Versuchsaufbau

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• Definition: Veränderungen im Aufbau von Experimenten die aber keinen Einfluss auf den Versuch beziehungsweise auf die chemischen Abläufe haben und im eigentlichen Sinne auch keine Fehler darstellen.

• Involvierte Kompetenz-bereiche: hauptsächlich Bewertung

• Beispiel: Verwendung verschiedener Thermometer bei einer Destillation.

Fehler im Kontext (KF)

KF2: Irrelevante Änderungen im Versuchsaufbau

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(verändert nach BERNHOLT et al. 2009)

Kognitive Prozesse • integrieren• organisieren• selegieren• reproduzieren

• Fachwissen• Erkenntnisgewinnung• Kommunikation• Bewerten• Übergeordnetes Konzept

• Mehrere Zusammenhänge• Ein Zusammenhang• Mehrere Fakten• Ein Fakt

Kompetenzbereiche

Komplexität

Das Potential von Fehlersuchbildern

bezogen auf das 3D-Kompetenzmodell „ESNaS“

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Aufgabenbeispiel 1Lösen von Kochsalz in Wasser

Informationen:• 4 Fehler insgesamt• 2 links, 2 rechts• Zeit: 5 min.

Aufgabe:(1) Finde die Fehler und umkreise diese in der Abbildung.(2) Nummeriere die Fehler von links nach rechts. (3) Erkläre unten in der Tabelle warum die jeweilige Darstellung

falsch ist und ordne den Fehlertyp zu.

Lösung:Fehler 1: H4O-Teilchen; FF2Fehler 2: Na+Na+-Gitter; FF1

Fehler 3: Links-rechts-Dynamik; DF2Fehler 4: falsche Hydratation von Na+;

FF1

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4. Testdesign

Vortest

Nachtest

Durch-führung

1

2

3

4

Einführung

ErarbeitungÜbung - 10´

ErarbeitungÜbung – 10´

ErarbeitungÜbung – 10´

Realschule K9, Zweig I, 13-15 J.Interventions-

klasse (IK)Kontroll-

klasse (KK)dichotome FSB nicht-dichotom

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Interventionsklasse9. Jahrgangsstufe Realschule

Kontrollklasse9. Jahrgangsstufe Realschule

dichotome FSBn=25

nicht-dichotome FSBn=24

Didaktischer Ort Üben im Rahmen der Sicherung (10 min.)Medien Bild, Arbeitsblatt Sinneskanal SehenSozialform EinzelarbeitInformationsgehalt Thema, chemischer Vorgang, Fehler

Suchprozess +++ +Vergleichsprozess + -Kognitiver Konflikt + -

4. Testdesign

Merkmale der Übungsaufgaben in IK und KK im Vergleich

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Tab. 30.1: Themen der Unterrichtsstunden und entsprechendeFehlerbilder in IK und KK

Thema FehlersuchbildEinführung der Fehler-suchbilder

Destillation von Rotwein

Trennung eines Ionengitters

Lösen von Kochsalz in Wasser

Eigen-schaftenvon Säure-lösungen

Reaktion von verdünnter Salzsäure mit Magnesium und Kupfer

Was sind Laugen?

Lösen von Natriumhydroxid in Wasser mit Indikator

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Hypothesen

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Hypothese 4

Das Üben mit dichotomen FSB steigert die Fähigkeit chemische Fehler zu erkennen, da die Fähigkeit dabei intensiver trainiert wird als mit nicht-dichotomen FSB

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Mögliche Ursachen für die Annahme eines erhöhten Lernerfolgs bei dichotomen FSB gegenüber nicht dichotomen FSB

InterventionsklasseVerstärkterSuchprozess

→ Intensivere

Auseinandersetzung mit dem Thema → Bessere

LernleistungVergleichs-prozess

Inkongruenz → Kognitiver Konflikt

Nur bei den dichotomen FSB müssen Fehlerpaare durch ständiges Vergleichen der beiden Bilder gefunden werden.

Erwartungen

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Items (Vor‐ und Nachtest) zum Erkennen chemischerFehler (gruppierter Median) in IK und KK (Wilcoxon‐Test,pIK= 0,004, **, p

KK= 0,597, ns)

„Es fällt mir leicht im CU fachliche Fehler zu erkennen“ Vorher- und Nachherfragbogen

Mittelwert des Zuwachses (Item bzgl. Erkennen vonFehlern) in IK und KK (t‐Test, df=47, p=0,190, ns)

5. Ergebnisse der Hypothesen

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Mittelwert prozentual erreichter Punkte im Vortest und Aufgabe 5im Nachtest in IK (t‐Test, df=23, p=0,000, ***) und KK (t‐Test,df=23, p=0,000, ***)

Leistungszuwachs zwischen fachlichem Vor-und Nachtest (Aufgabe 5 =chemisches FSB)

Mittelwert der proz. Differenz Vortest minusAufgabe 5 (Nachtest) (t‐Test, p=0,017, df=46, *)

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Hypothese 4 ist insgesamt zu verifizieren

Das Üben mit dichotomen FSB steigert dieFähigkeit chemische Fehler zu erkennen, da dieFähigkeit dabei intensiver trainiert wird als mitnicht-dichotomen FSB

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Gesamtübersicht Hypothesen

dichotom > nicht-dichotom

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Schulpraktische Bedeutung: Potential von FSB beim Üben nutzen. Möglicher Einsatz von FSB bei Erarbeitungsphasen oder

z.B. einer Leistungserhebung. Relativ geringer Zeitbedarf für die Erstellung und den

Unterrichtseinsatz im Vergleich zu den Effekten. Hier nur vier Übungssequenzen!

Versuchsaufbauten und chemische Vorgänge auf verschiedenen Darstellungsebenen gut abbildbar. Evtl. Einsatz wenn Schülerversuche nicht durchführbar sind.

Formelgleichungen lassen sich nur wenig variantenreich verändern => Potential für einen kogn. Konflikt zu gering. Strukturformeln komplexer Moleküle wären denkbar (->GY)

Nicht nur in der Realschule tauglich! Das kreative Erstellen von FSB macht F r u d e!

6. Ausblick

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• Variation des Schwierigkeitsgrades von FSB: unterschiedlich anspruchsvollen Themen, unterschiedlich viele Fehler ….

• Erstellen von Fehlersuchbildern durch Schüler und gegenseitiger Austausch zur Lösung.

Erweiterungsmöglichkeiten

Aber: Von den Schülern selbst erstellte Rätsel eigenen sich für die Unterrichtssicherung, ohne Üben des selbstregulierten Lernens weniger gut, als vorgegebene Rätsel (GUCKLER 2015).

• Gezielter Einsatz von chemischen FSB, um Fehlvor-stellungen bei Schülern zu diagnostizieren, korrigieren bzw. zu minimieren.

Schritt 1: Erfassen der FehlvorstellungenSchritt 2: Einarbeitung der Fehlvorstellungen und Gegenüber-

stellung mit den „richtigen“ Konzepten in dichotomen FSB

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„Ziel des Vermittlungsprozesses ist es […] Jugendlichen […] die

Widersprüche ihrer Vorstellungswelt zu aktuellen wissenschaftlichen

Deutungen bewusst zu machen.“(BARKE 2006/S. 27).

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Jetzt können Sie entspannt die Mittagspause genießen!

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Kontakt zum Referenten

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ALTHOF, W. (1999): Fehlerwelten: Vom Fehlermachen und Lernen aus Fehlern. Leske und Budrich-Verlag, Opladen

BARKE, H.-D. & Harsch, G. (2001): Chemiedidaktik heute: Lernprozesse in Theorie und Praxis. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.

BARKE, H.-D. (2006): Chemiedidaktik: Diagnose und Korrektur von Schülervorstellungen. Springer-Verlag, Berlin.

BERNHOLT, S.; WALPUSKI, M.; SUMFLETH, E. & PARCHMANN, I. (2009): Kompetenzentwicklung im Chemieunterricht. Mit welchen Modellen lassen sich Kompetenzen und Aufgaben differenzieren? Unterricht Chemie 20, Nr. 111/112., S. 78-85.

CRAWFORD, C. (1982): The Art of Computer Game Design, Onlineveröffentlichung: http://www-rohan.sdsu.edu/~stewart/cs583/ACGD_ArtComputerGameDesign_ChrisCrawford_1982.pdf, S 13

JOHNSTONE A. H. (1991): Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem, J. Comput. Assist. Lear., 7, S. 75–83.

KAUERTZ, A.; FISCHER, H. E.; LAU, A. & NEUMANN, K. (2008): Kompetenzmessung durch Leistungstests: Hilfe oder Druckmittel? MNU 61/2, S. 75-79.

KMK (2004): Bildungsstandards im Fach Chemie für den mittleren Schulabschluss. http://www.kmk.org/fileadmin/veroeffentlichungen_beschluesse/2004/2004_12_16-Bildungsstandards-Chemie.pdf, Stand: 20.09.2011.

LIMON, M. (2001): On the cognitive conflict as an intructional strategy for conceptual change: A critical appraisal. Learning and Instruction, 11, S. 357-380.

LUKESCH, H. (2001): Psychologie des Lernens und Lehrens, 1. Auflage, Roderer Verlag, Regensburg, S 446

RECKE, M. (2010): Lernen im Museum: Die Rolle kognitiver Konflikte als Stimuli für Neugier, Elaboration und konzeptuelle Veränderung. Dissertation an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Onlineveröffentlichung: http://d-nb.info/102024514X/34.

RÖSSEL, H. (2008): Rätsel im Chemieunterricht für die alternative Chemiestunde. Aulis Verlag Deubner, Köln, 4. Auflage.

SALEN, K. & ZIMMERMANN, E. (2004): Rules of Play, MIT Press, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Ma, S 80

SCHEUERL, H. (1979): Das Spiel, 9.Auflage, Beltz Verlag, Weinheim und Basel, S127

SCHUMACHER, R. (2008): Der produktive Umgang mit Fehlern: Fehler als Lerngelegenheit und Orientierungshilfe; in CASPARY, R. (Hrsg.): Nur wer Fehler macht, kommt weiter, Herder-Verlag, Freiburg, S. 49-72.

WEIDENMANN, B. (1991): Lernen mit Bildmedien: psychologische und didaktische Grundlagen. Beltz-Verlag, Weinheim.

ZISTLER, T. (2011): Untersuchung chemischer Fehlersuchbilder hinsichtlich Lernwirksamkeit und Motivation in der 9. Jahrgangsstufe Realschule. Wissenschaftliche Hausarbeit an der Universität Regensburg für die Zulassung zum ersten Staatsexamen für das Lehramt an Realschulen in Bayern.

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