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Forschungsschwerpunkte

Natur der Naturwissenschaften

Die Forderung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung hat sich national und international zu einem zentralen Ziel im Rahmen der Curricula für den naturwissenschaftlichen Unterricht entwickelt. Eine bedeutsame Komponente der naturwissenschaftlichen Grundbildung ist ein grundlegendes und adäquates Verständnis naturwissenschaftlicher Arbeit- und Denkweisen, das im deutschsprachigen Raum als Natur der Naturwissenschaften (NdN), im englischsprachigen Raum als Nature of Science (NoS) übersetzt wird. Auch wenn die Bedeutung eines solchen Verständnisses unumstritten ist, deuten zahlreiche Untersuchungsergebnisse darauf hin, dass weder Lernende noch Lehrende über ein adäquates Verständnis von NoS verfügen, sondern vielmehr Fehlvorstellungen über Naturwissenschaften weit verbreitet sind.

Um dieses Problem zu adressieren, wurde aufbauend auf Ergebnissen einer eigenen Studie zur Förderung eines adäquaten Verständnisses von NoS ein internationales Forschungsprojekt initiiert, das darauf abzielt, einen europäischen Rahmen für die Entwicklung der naturwissenschaftlichen Bildung durch die Grundlegung eines wissenschaftsgerechten Verständnisses von NoS in der Lehrerbildung zu konzipieren.

E-lement

Das Ziel des neu konzipierten Wahlmoduls „E-lement” (E-learning erproben mit Evaluation durch neue Techniken) ist das Erstellen von digitalen Lernumgebungen für den Chemieunterricht sowie deren wissenschaftlicher Evaluation durch die Studierenden. Das Modul soll die Studierenden dabei unterstützen, digitale Medien nicht nur im Unterricht kompetent einsetzen, sondern auch selbst konzipieren und entwerfen zu können.

Das Projekt wird vom FCI gefördert. Ansprechpartner*innen für das Projekt „E-lement“ sind: Prof. Dr. Christiane S. Reiners, Stefan Müller, Laurence Schmitz.

Smart Chemistry Teachers Cologne (SChemTeC)

„Smart Cities entstehen nicht nur durch Technologien, sie zeichnen sich vor allem durch eine aktive Stadtgesellschaft aus. Die smarte Stadt wird von Ihnen entworfen, mitgestaltet und weiterentwickelt. Hier können alle einen Beitrag leisten und unser Lebensumfeld im Sinne des Klimaschutzes und der Nachhaltigkeit mitgestalten. Dabei sind soziale und technologische Innovationen gefragt.“

Daher hat der Rat der Stadt Köln beschlossen, zukunftsweisende Smart-City-Projekte in Köln wie Smart Chemistry Teachers Cologne (SChemTeC) zu fördern.

Derzeit steht das Thema „Klimawandel“ im Fokus des gesellschaftlichen Interesses und ruft auf verschiedenen Ebenen Klimaschutzaktivitäten hervor. So fand am 20. September 2019 unter Anderem in Köln ein Klimaprotest (bzw. Klimastreik) der „Fridays-for-Future“-Bewegung mit etwa 70.000 Menschen aller Altersgruppen statt, was die gesamtgesellschaftliche Bewandtnis des Themas hervorhebt. Um die Gesellschaft über die Proteste hinaus zu befähigen, sich aktiv in die Diskussion einzubringen und entsprechend zu handeln, ist neben der Einstellung auch ein Wissen notwendig, das befähigt, Daten und Fakten einzuschätzen und in Problemlöseprozesse umzusetzen. Im Rahmen des Projektes soll zukünftigen ChemielehrerInnen ein Bildungsangebot bereitgestellt werden, das es ihnen ermöglicht, sich zum einen fachspezifisches Wissen zur nachhaltigen, verantwortungsvollen und smarten Gestaltung der Umwelt anzueignen. Zum zweiten sollen sie angeleitet werden, ihr erworbenes Wissen in unterrichtliches Handeln zu transformieren. Besonders im Vordergrund steht dabei das Thema von Schadstoffen in der Luft in Köln, was die zukünftigen ChemielehrerInnen mit Blick auf die Ursachen und Konsequenzen hin reflektieren sollen, um sie zu befähigen, Probleme und Herausforderungen zu erkennen, um Problemlösekonzepte und Entscheidungsoptionen vorzubereiten.

Das Projekt wird von der Stadt Köln im Rahmen des Förderprogramms SmartCity Cologne GO gefördert. Ansprechpartner*innen für das Projekt „SChemTeC“ sind: Prof. Dr. Christiane S. Reiners und Tom Konrad Anton.

Aktuelle Forschungsprojekte

Tom Konrad Anton: Gesellschaftliche Herausforderungen im Lichte naturwissenschaftlicher Grundbildung in der Chemielehrer*innenbildung 

Die in der Öffentlichkeit viel diskutierte Problematik des Klimawandels ist Dreh- und Angelpunkt vieler fachwissenschaftlicher Forschungsprojekte. In den Naturwissenschaftsdidaktiken bietet die Diskussion die Möglichkeit, sie für die Vermittlung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung fruchtbar zu machen. Gerade eine naturwissenschaftliche Grundbildung hat das Potential, die Mitglieder der Gesellschaft zu einer begründeten Positionierung im Hinblick auf gesellschaftliche Herausforderungen zu befähigen.

In diesem Promotionsvorhaben werden, zur Nutzung ihres Multiplikatorpotentials, die angehenden Chemielehrer*innen in den Blick genommen, die im Hinblick auf einen reflektierten Umgang mit ihren fundierten fachlichen und fachdidaktischen Kompetenzen zur Vermittlung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung angeleitet und gefördert werden sollen. Denn Lehrende, die entsprechend ausgebildet sind, können die Lernenden in einem kompetenzorientierten Chemieunterricht anleiten, gesellschaftliche Herausforderungen kritisch zu beleuchten, und jene auch befähigen, nach Handlungsalternativen zu suchen.

Neben dem Klimawandel sollen weitere gesellschaftliche Herausforderungen identifiziert und legitimiert werden, um die zukünftigen Chemielehrenden mit Hilfe der Dimensionen Wissensaneignung, Handlungsorientierung und Evaluation auf die Vermittlung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung vorzubereiten.

Stefan Müller: Resistente Mythen über die naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung: Ursprünge und Möglichkeiten der Korrektur in der Lehrer*innenbildung

Den Bildungsstandards im Fach Chemie der Kultusministerkonferenz zufolge ist es Ziel naturwissenschaftlicher Grundbildung, „die Sprache und Historie der Naturwissenschaften zu verstehen, ihre Ergebnisse zu kommunizieren sowie sich mit ihren spezifischen Methoden der Erkenntnisgewinnung und deren Grenzen auseinander zu setzen.“ (KMK, 2005)

Studien zeigen allerdings, dass sowohl Lernende als auch Lehrende zumeist naive Vorstellungen über die Grundlagen naturwissenschaftlicher Arbeits- und Denkweisen sowie die damit verbundenen Werte und Einstellungen zu naturwissenschaftlicher Erkenntnis und ihrer Entwicklung besitzen, deren Beschreibung in der fachdidaktischen Literatur auch unter dem Begriff NOS [Nature of Science] zusammengefasst wird.

Inzwischen sind eine Vielzahl von kontextualisierten und dekontextualisierten Ansätzen und Aktivitäten zur Förderung des Verständnisses über NOS entwickelt und erprobt worden. Aktuelle Forschungsergebnisse belegen, dass manche Mythen über die naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung durch entsprechende Ansätze schwieriger zu verändern sind als andere, so zum Beispiel die Eingebundenheit der Erkenntnisse in einen sozialen und kulturellen Kontext sowie die Vorläufigkeit naturwissenschaftlicher Erkenntnisse. Neben der Frage, woher die Mythen und ihre Resistenz rühren, ist noch ungeklärt, wie sie sich mithilfe von dekontextualisierten Ansätzen sowie fachlichen Kontexten aus dem Chemieunterricht kompetenzorientiert und anwendungsbezogen revidieren lassen.

Ziel meines Promotionsprojektes ist es entsprechend die Ursprünge der resistenten Mythen über die naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung zu ergründen und Lernarrangements für die Lehrerbildung zu konzipieren, in denen sowohl neue als auch bereits erprobte Aktivitäten und fachliche Kontexte genutzt werden, um bei angehenden Lehrpersonen ein adäquates Verständnis über NOS zu fördern, welches sich im Sinne der Kompetenzorientierung im Rahmen von Chemieunterricht entfaltet und somit auf die Lernenden zurückwirkt.

Fabian Poensgen: Evaluation und Förderung experimenteller Kompetenzen in der laborpraktischen Lehrer*innenbildung

Das experimentelle Arbeiten ist eines der herausragenden Merkmale eines Chemiestudiums. So verbringen etwa Studierende mit dem Studienprofil Lehramt an Haupt-, Real- und Gesamtschulen im Bachelor laut Modulhandbuch rund 43 % ihrer Kontaktzeit im Labor, wozu noch vor- und nachbereitende Übungen, Tutorien und das zeitaufwendige Anfertigen von Protokollen kommen. Ziel der Laborpraktika ist der Erwerb experimenteller Kompetenzen, die für Chemielehrkräfte essentiell sind, da sie sich direkt auf den Lernerfolg der Schülerinnen und Schüler auswirken. Studien deuten jedoch darauf hin, dass in der Lehrer*innenbildung Verbesserungspotentiale bestehen.

Ziel des Promotionsprojektes ist es deshalb, den Erwerb experimenteller Kompetenzen systematisch zu untersuchen und daraus Maßnahmen zur Förderung zu entwickeln. In Anlehnung an die Formulierung Weinerts wurden experimentelle Kompetenzen definiert, als die bei zukünftigen Lehrenden verfügbaren oder durch sie erlernbaren prozessbezogenen und konzeptbezogenen kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, um die experimentelle Methode in variablen Situationen sicher, verantwortungsvoll und reflektiert anwenden zu können, sowie die damit verbundenen motivationalen, volitionalen und sozialen Bereitschaften und Fähigkeiten.

Auf dieser Grundlage wurde literaturbasiert ein Kompetenzentwicklungsmodell erarbeitet, mit dessen Hilfe das Kompetenzniveau von Studierenden erhoben werden kann. In ersten Pilotierungen wurden dazu praktische Prüfungen der experimentellen Kompetenz mit Studierenden zu verschiedenen Zeitpunkten ihres Studiums durchgeführt und videographiert. Die systematische Auswertung soll nun Hinweise auf Defizite liefern, aus denen geeignete Fördermaßnahmen abgeleitet, erprobt und reflektiert werden können.

Laurence Schmitz: Förderung der Bewertungskompetenz im inklusiven Chemieunterricht durch Stärkung der Diagnosekompetenz der Lehrenden

Der Begriff der Bewertungskompetenz ist in der fachdidaktischen Forschung ein divers diskutiertes Konstrukt, da sowohl für den Begriff der Kompetenz kein gemeinsamer Konsens existiert als auch der Bewertungsbegriff stark durch Alltagssprache aufgeladen ist. Im Promotionsprojekt sollen daher alltagsrelevante Entscheidungssituationen mit chemischer Fragestellung von Lernenden identifiziert werden, in denen sie bereit sind, sich naturwissenschaftliche Entscheidungsstrategien anzueignen. Erste Ergebnisse einer Pilotstudie deuten jedoch daraufhin, dass Lernende durchaus schon Schwierigkeiten beim Erkennen von Entscheidungssituationen mit chemischem Kontext haben. Demnach reicht es nicht aus, konstruierte Bewertungs-/ oder Entscheidungssituationen im Unterricht zu behandeln und zu hoffen, dass die Übertragung vom institutionellen Rahmen Schule in den Alltag selbstständig erfolgt. Vielmehr müssen die Lernenden dazu angeleitet werden, chemisch relevante Entscheidungssituationen in ihrem Alltag zu identifizieren, um sie durch Lehrenden dann zum Unterrichtsinhalt werden zu lassen.

Abgeschlossene Forschungsprojekte

J. Saborowski: Computervisualisierung und Modelldenken. Konzeptionelle Grundlagen und fachdidaktische Konsequenzen für den Chemieunterricht. Köln: Jörg-Saborowski-Verlag, 2000

A. König: Computergestützte Lehr und Lernmaterialien zur chemischen Bindung. Entwicklung – Erprobung – Erhebung. (2004) (http://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2004/1270)

M. Prechtl: „Doing Gender“ im Chemieunterricht. Zum Problem der Konstruktion von Geschlechterdifferenz – Analyse, Reflexion und mögliche Konsequenzen für die Lehre von Chemie. (2006) (http://kups.ub.uni-koeln.de/volltexte/2006/1825)

J. Bruns: Auf dem Weg zur Förderung naturwissenschaftsspezifischer Vorstellungen von zukünftigen Chemie-Lehrenden. Chancen und Grenzen eines kombinierten theoretisch-expliziten und praktisch-reflektierten Ansatzes. (2009) Logos-Verlag Berlin, Studien zum Physik- und Chemielernen, Band 92

K. Groß: Experimente alternativ dokumentieren – eine qualitative Studie zur Diagnose- und Differenzierungskompetenz in der Chemielehrerbildung. (2013) Logos-Verlag Berlin, Studien zum Physik- und Chemielernen, Band 154

A. Schumacher: Paving the Way towards Authentic Chemistry Teaching: A Contribution to Teachers' Professional Development. (2015) Logos-Verlag Berlin, Studien zum Physik- und Chemielernen, Band 184

A. Adesokan: Zur Förderung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung bei Schülerinnen und Schülern mit Hörbeeinträchtigung – eine qualitative Studie als Beitrag zur Entwicklung eines inklusiven Chemieunterrichts. (2015) (http://kups.ub.uni-koeln.de/6291/)

M. Bliersbach: Kreativität in der Chemie: Erhebung und Förderung der Vorstellungen von Chemielehramtsstudierenden. (2017) Logos-Verlag Berlin, Studien zum Physik- und Chemielernen, Band 248

K. Marniok: Zum Wesen von Theorien und Gesetzen in der Chemie: Begriffsanalyse und Förderung der Vorstellungen von Lehramtsstudierenden. (2018) Logos-Verlag Berlin, Studien zum Physik- und Chemielernen, Band 265