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 diesem Problem zu begegnen, richtet sich das Forschungsinteresse primär auf die zukünftigen Lehrenden und den Möglichkeiten, bei ihnen ein wissenschaftsgerechtes Verständnis der Naturwissenschaft Chemie grundzulegen und zu fördern, um sie auf die Vermittlung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung vorzubereiten (Schumacher, Reiner,s 2012; Adesokan, Reiners, 2015; Marniok, Reiners, 2017; Reiners, Bliersbach, Marniok, 2017; Bliersbach, Reiners, 2017; Saborowski, Reiners, 2019; Reiners, Müller, 2020).

Kompetenzen in der LehrerInnenbildung entwickeln und fördern

Die für den Chemieunterricht formulierten Kompetenzbereiche „Fachwissen“, „Erkenntnisgewinnung“, „Kommunikation“ und „Bewertung“ sind als domänenspezifische Kompetenzen in der Lehrer*iInnenbildung noch wenig erforscht. Mit Blick auf den konzeptbezogenen Kompetenzbereich „Fachwissen“ liegt dem Forschungsinteresse die Annahme zugrunde, dass das im Laufe des Studiums erworbene Fachwissen neu strukturiert werden muss, damit es auf die im Unterricht zu vermittelnden prozessbezogenen Kompetenzbereiche Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung (Schmitz & Reiners, 2019) anwendbar ist. Der Frage, wie zukünftige Lehrende eine adäquate Vorstellung von naturwissenschaftlichen Arbeits- und Denkweisen erlangen können, die auch im Mittelpunkt des ersten Forschungsfeldes steht, wird darüber hinaus in Untersuchungen nachgegangen, in denen die eigenen Fähigkeiten und Fertigkeiten der zukünftigen Lehrenden im Bereich naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung im Mittelpunkt stehen (Poensgen & Reiners, 2020). Um die Kompetenzbereiche „Kommunikation“ und „Bewertung“ zu fördern, richtet sich das Forschungsinteresse auf die Frage, wie zukünftige Lehrende darin angeleitet werden können, zwischen verschiedenen Arten von Evidenz, Begründung und Kommunikation von Wissen zu unterscheiden (Reiners et.al. 2018). Im Zentrum der Aufmerksamkeit stehen dabei Zugänge zu einer wissenschaftstheoretischen Grundbildung, die zu einem angemessenen Umgang mit (alternativen) Fakten befähigen und einer Teilhabe an gesellschaftlichen Herausforderungen ermöglichen soll.

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 Müller.

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.

Luc Albrecht: Ein systemischer Ansatz zur Reflektion und Förderung Kritischen Denkens im inklusiven Chemieunterricht

Die Fähigkeit kritisch zu denken wird von der Europäischen Union als Schlüsselkompetenz für lebenslanges Lernen benannt und findet sich implizit auch in den Bildungsstandards und den Kernlehrplänen des Landes Nordrhein-Westfalen im Fach Chemie (Europäische Union, 2018, S. 2; Ministerium für Schule und Bildung des Landes Nordrhein-Westfalen, 2019, S. 13; Ministerium für Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen, 2013, S. 18). Sie prägt maßgeblich unsere Bewertungskompetenz und damit die Teilhabe an der Gesellschaft durch eine reflektierte Mündigkeit des Einzelnen. Jedoch ist das Konzept des Kritischen Denkens bisher diffus und ambig definiert und eine konkrete Vermittlungsstrategie im schulischen und besonders im inklusiven Bildungskontext nicht existent. Gerade in den Naturwissenschaften wäre aber eine Vermittlung des Kritischen Denkens ein förderwürdiges Ziel, da mithilfe dessen resistenten Mythen über die Naturwissenschaften entgegengewirkt werden könnte.

Bei der Förderung Kritischen Denkens wird bislang schwerpunktmäßig die kognitive Dimension berücksichtigt, ohne dabei auf die verschiedenen affektiven Voraussetzungen der Schüler:innen einzugehen. Dabei sind es gerade ebenjene, welche im inklusiven Kontext stark variieren und daher besondere Berücksichtigung erfahren müssen, um nachhaltig und über den Schulalltag hinausgehend Kritisches Denken zu unterstützen.

Mein Dissertationsprojekt soll sich der Herausforderung annehmen, die affektiven Voraussetzungen zum Kritischen Denken zu untersuchen und darauf aufbauend Gelingensbedingungen sowie didaktische Prinzipien zur Förderung Kritischen Denkens zu erarbeiten, um einen Beitrag zur kritischen Bildung kommender Generationen zu leisten.

Tom Konrad Anton: Vermittlung einer reflexiven naturwissenschaftlichen Grundbildung - Befähigung von Chemielehramtsstudierenden zur Partizipation an Diskursen um gesellschaftliche Herausforderungen

Die in der Öffentlichkeit viel diskutierte Problematik des Klimawandels ist Dreh- und Angelpunkt vieler fachwissenschaftlicher Forschungsprojekte. Auch die erhöhte Umweltbelastung durch Plastik, insbesondere Mikroplastik, oder die Belastungen durch Nitrate stehen im gesellschaftlichen Diskurs. Um diesen Diskursen begegnen zu können, braucht es eine entsprechende Partizipation. Daher bietet sich für die Naturwissenschaftsdidaktiken eine Möglichkeit, ausgewählte gesellschaftlich relevante Diskurse 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 eine Partizipation und einen reflektierten Umgang mit ihren fundierten fachlichen und fachdidaktischen Kompetenzen zur Vermittlung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung angeleitet und gefördert werden. Um dies leisten zu können, müssen die angehenden Chemielehrer*innen diese gesellschaftlich relevanten Diskurse vor einem fachlichen Hintergrund fachdidaktisch aufbereiten, begründen und reflektieren können. Denn Lehrende, die entsprechend ausgebildet sind, können wiederum die Lernenden in einem kompetenzorientierten Chemieunterricht anleiten, gesellschaftliche Herausforderungen von einer fachlichen Sicht aus kritisch zu beleuchten, und sie befähigen, nach entsprechenden Handlungsalternativen zu suchen.

Eine gänzliche Thematisierung aller gesellschaftlichen Herausforderungen ist zu umfangreich und nicht unbedingt zielführend, um die Chemielehramtsstudierenden exemplarisch auf den Umgang mit gesellschaftlichen Herausforderungen im Lichte einer naturwissenschaftlichen Grundbildung anzuleiten. Eine mögliche Fokussierung ist es, Diskurse um Grenzwerte und deren Implikationen in den Blick zu nehmen. Denn Grenzwerte sind ein wichtiges Instrument der Gesundheits- und Umweltpolitik, denen erhebliche Potentiale für die Vermittlung von naturwissenschaftlicher Grundbildung zugeordnet werden.

Neben dem Klimawandel und der Belastung der Luft mit Schadstoffen sollen weitere gesellschaftliche Herausforderungen identifiziert, legitimiert und aufbereitet werden, um die zukünftigen Chemielehrenden mit Hilfe der Dimensionen Wissensaneignung, Vermittlung anbahnen und Vermittlung reflektieren im Lichte einer naturwissenschaftlichen Grundbildung auf die unterrichtliche Praxis vorzubereiten.

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

S. Müller: Die Vorläufigkeit und soziokulturelle Eingebundenheit naturwissenschaftlicher Erkenntnisse. Kritische Reflexion, empirische Befunde und fachdidaktische Konsequenzen für die Chemielehrer*innenbildung. (2021) Logos-Verlag Berlin, Studien zum Physik- und Chemielernen, Band 317

L. Müller: Alltagsentscheidungen für den Chemieunterricht erkennen und Entscheidungsprozesse explorativ begleiten. (2021) Logos-Verlag Berlin, Studien zum Physik- und Chemielernen, Band 318

F. Poensgen: Diagnose experimenteller Kompetenzen in der laborpraktischen Chemielehrer*innenbildung. (2022) Logos-verlag Berlin, Studien zum Physik- und Chemielernen, Band 348