Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Fachbereich 12 Chemie und Pharmazie
Institut für Didaktik der Chemie
Staatsexamensarbeit

Brennstoffe und Energie:
Empirische Erhebungen zu Schülervorstellungen
und Unterrichtsvorschläge zu deren Korrektur

eingereicht von:
Tobias Dörfler

- 2004 -

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung  ... 1

2 Fachliche Grundlagen  ... 5
2.1 Allgemeine Definitionen  ... 5
2.1.1 Brennstoffe  ... 5
2.1.2 Energie ... 5
2.1.3 Verbrennung  ... 6
2.2 Stoffeigenschaften  ... 7
2.2.1 Die drei Aggregatzustände  ... 7
2.2.2 Der Schmelz- und Siedepunkt von Wasser  ... 8
2.3 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen ... 9
2.3.1 Aktivierungsenergie ... 10
2.3.2 Reaktionsenthalpie (Reaktionsenergie)  ... 10
2.3.3 Exotherme und endotherme chemische Reaktionen ... 11
2.4 Die Verbrennung – eine chemische Reaktion  ... 13
2.4.1 Die Verbrennung von Kohle ... 13
2.4.2 Die Verbrennung von Benzin  ... 14
2.4.3 Verbrennung von Eisenwolle  ... 17

3 Erkenntnistheoretische Grundlagen ... 20
3.1 Die Kognitive Entwicklung nach PIAGET  ... 21
3.2 Die Conceptual Change Theorie ... 24
3.3 Schülervorstellungen/ Alltagsvorstellungen ... 28
3.3.1 Phlogiston-Theorie  ... 32
3.3.2 Vernichtungskonzept  ... 34

4 Konzeption der Untersuchung  ... 35
4.1 Methodik der Untersuchung  ... 35
4.1.1 Alltagsbezug  ... 35
4.1.2 Motivation ... 36
4.1.3 Zielgruppe ... 36
4.1.4 Wahl des Aufgabentypus ... 38
4.1.4.1 Die Mehrfachwahlaufgabe (Multiple-Choice-Test)  ... 38
4.1.4.2 Die verbale Begründung der Auswahl (freie Aufgabenbeantwortung) ... 38
4.1.5 Testlayout  ... 39
4.1.6 Testumfang  ... 40
4.2 Konzeption des Untersuchungsinstrumentes ... 41
4.2.1 Frage 1  ... 41
4.2.2 Frage 2  ... 42
4.2.3 Frage 3  ... 43
4.2.4 Frage 4  ... 44
4.2.5 Frage 5  ... 46
4.2.6 Frage 6  ... 47
4.2.7 Frage 7  ... 48
4.3 Die Gütekriterien eines Untersuchungsinstrumentes ... 49
4.3.1 Objektivität  ... 49
4.3.2 Reliabilität ... 49
4.3.3 Validität  ... 50
4.4 Die Voruntersuchung ... 51
4.4.1 Die Durchführung ... 51
4.4.2 Ergebnisse der Voruntersuchung ... 51
4.5 Konzeption der Auswertung ... 54
4.5.1 Auswertung der demographischen Angaben ... 54
4.5.2 Auswertung der Fragen ... 54
4.5.2.1 Auswertung der Mehrfachwahlaufgaben (Multiple-Choice-Test) ... 55
4.5.2.2 Auswertung der freien Aufgabenbeantwortung ... 55
4.5.2.3 Auswertung der Modellzeichnungen (graphisch skizzierte Inhalte) ... 57
4.6 Durchführung der Untersuchung  ... 59

5 Auswertung - Ergebnisse und Diskussion  ... 60
5.1 Aufgabe 1)  ... 62
5.2 Aufgabe 2)  ... 67
5.3 Aufgabe 3)  ... 75
5.4 Aufgabe 4)  ... 84
5.5 Aufgabe 5)  ... 96
5.6 Aufgabe 6)  ... 105
5.7 Zusammenfassung der Auswertung ... 115

6 Perspektiven für den Chemieunterricht ... 120
6.1 Unterrichtsstruktur ... 120
6.2 Unterrichtsinhalte  ... 122

7 Reflexion und Ausblick  ... 127

8 Literatur- und Abbildungsverzeichnis ... 132

1 Einleitung

„Ohne Kenntnis des Standpunktes des Schülers ist keine ordentliche Belehrung desselben möglich.“
[aus: JUNG 1986, S. 100]

Diese Äußerung von F. A. W. DIESTERWEG ist rund 170 Jahre alt und hat in vielfältigen Variationen Eingang in die methodische Literatur gefunden. Auch heute noch sind anerkannte Fachdidaktiker der Auffassung, dass aller Unterricht bei der Erfahrung der Kinder anzufangen habe [DEWEY in: BARKE und HARSCH 2001]. Weiterführend sind in dieser Hinsicht Fachdidaktiker wie BARKE, JUNG, BADER, PFEIFFER, PFUNDT und natürlich DUIT zu nennen, die allesamt stellvertretend für viele andere mit kleineren oder größeren Beiträgen stehen.

HELGA PFUNDT schreibt im Jahre 1975: „Wenn ungeeignete Erklärungen der Schüler für Umweltphänomene gezielt abgebaut werden müssen, ist es eine wichtige Aufgabe der Unterrichtsplanung, diese Erklärungen zu allererst zu finden“ [PFUNDT 1975, S. 158]. Diese „ungeeigneten Erklärungen“ werden in der modernen Fachdidaktik als Schülervorstellungen oder auch Alltagsvorstellungen bezeichnet. Sie beschreiben, so BARKE, die Tatsache, dass „Lehrer und Lehrerinnen ihre Schüler keineswegs mit „unbeschriebenen Blättern“ vergleichen dürfen, die „nur zu füllen sind“(…)“ [BARKE und HARSCH 2001, S. 23]. Gerade im naturwissenschaftlichen Bereich entwickeln Schüler¹ lange vor dem schulischen Unterricht eigene Lösungs- und Denkmuster zur Deutung verschiedener, alltäglicher Phänomene2, die den naturwissenschaftlichen Sichtweisen in wesentlichen Aspekten konträr gegenüberstehen [JUNG 1986, BADER 2002].

HELGA PFUNDT schreibt im Jahre 1975: „Wenn ungeeignete Erklärungen der Schüler für Umweltphänomene gezielt abgebaut werden müssen, ist es eine wichtige Aufgabe der Unterrichtsplanung, diese Erklärungen zu allererst zu finden“ [PFUNDT 1975, S. 158]. Diese „ungeeigneten Erklärungen“ werden in der modernen Fachdidaktik als Schülervorstellungen oder auch Alltagsvorstellungen bezeichnet. Sie beschreiben, so BARKE, die Tatsache, dass „Lehrer und Lehrerinnen ihre Schüler keineswegs mit „unbeschriebenen Blättern“ vergleichen dürfen, die „nur zu füllen sind“(…)“ [BARKE und HARSCH 2001, S. 23]. Gerade im naturwissenschaftlichen Bereich entwickeln Schüler1 lange vor dem schulischen Unterricht eigene Lösungs- und Denkmuster zur Deutung verschiedener, alltäglicher Phänomene², die den naturwissenschaftlichen Sichtweisen in wesentlichen Aspekten konträr gegenüberstehen [JUNG 1986, BADER 2002].

HELGA PFUNDT schreibt im Jahre 1975: „Wenn ungeeignete Erklärungen der Schüler für Umweltphänomene gezielt abgebaut werden müssen, ist es eine wichtige Aufgabe der Unterrichtsplanung, diese Erklärungen zu allererst zu finden“ [PFUNDT 1975, S. 158]. Diese „ungeeigneten Erklärungen“ werden in der modernen Fachdidaktik als Schülervorstellungen oder auch Alltagsvorstellungen bezeichnet. Sie beschreiben, so BARKE, die Tatsache, dass „Lehrer und Lehrerinnen ihre Schüler keineswegs mit „unbeschriebenen Blättern“ vergleichen dürfen, die „nur zu füllen sind“(…)“ [BARKE und HARSCH 2001, S. 23]. Gerade im naturwissenschaftlichen Bereich entwickeln Schüler1 lange vor dem schulischen Unterricht eigene Lösungs- und Denkmuster zur Deutung verschiedener, alltäglicher Phänomene2, die den naturwissenschaftlichen Sichtweisen in wesentlichen Aspekten konträr gegenüberstehen [JUNG 1986, BADER 2002].

Thema der Arbeit:

„Brennstoffe und Energie: Empirische Erhebungen zu Schülervorstellungen und Unterrichtsvorschläge zu deren Korrektur.“

Der Gegenstand dieser Arbeit ist eine Ermittlung, Untersuchung und Auswertung von Schülervorstellungen zum Thema Brennstoffe und Energie mit den wissenschaftlichen Methoden der empirischen Sozialforschung. Im Rahmen dieser Untersuchung sollen hinsichtlich des Brennstoff- und Energiebegriffs Schülervorstellungen aufgedeckt werden, die bislang unerkannt blieben, denn während es in der Vergangenheit mehrere Untersuchungen zum Thema „Verbrennungen“ [z. Bspl.: HAUPT 1981], „Symbole im Chemieunterricht“ [z. Bspl.: BARKE 1982], „Säure-Base-Reaktion“ [z. Bspl.: SUMFLETH und GEISLER 2001] oder zum Thema „Gasbegriff“ [z. Bspl.: WEERDA 1978] gegeben hat, so sind Schülervorstellungen zum Thema Energie noch weitestgehend unerforscht. Somit dürften die Ergebnisse dieser Arbeit von besonderem Interesse sein.

Anschließend sollen in dieser Untersuchung die aus den gewonnenen Erkenntnissen resultierenden Perspektiven für den Chemieunterricht aufgezeigt, erläutert und diskutiert werden, um eine Einführung des Energiebegriffs in den schulischen Unterricht möglichst effektiv, attraktiv, sinnvoll und schülerorientiert gestalten zu können. Daher ergibt sich für die Untersuchung folgender Aufbau:

Anschließend sollen in dieser Untersuchung die aus den gewonnenen Erkenntnissen resultierenden Perspektiven für den Chemieunterricht aufgezeigt, erläutert und diskutiert werden, um eine Einführung des Energiebegriffs in den schulischen Unterricht möglichst effektiv, attraktiv, sinnvoll und schülerorientiert gestalten zu können. Daher ergibt sich für die Untersuchung folgender Aufbau:

Weiterführend wird in Kapitel 3 das Feld der erkenntnistheoretischen Grundlagen durchleuchtet. Anfänglich wird ganz gezielt auf die kognitive Entwicklung nach PIAGET und die daraus entstandene Conceptual Change Theorie eingegangen. Anschließend wird der Begriff Schülervorstellungen beziehungsweise Alltagsvorstellungen erläutert und an bestehenden Konzepten konkretisiert.

In Kapitel 4 wird die Konzeption der Untersuchung beschrieben. Als wesentliche Hauptthemen werden die Methodik der Untersuchung, die Konzeption des Untersuchungsinstrumentes, die Voruntersuchung und die Konzeption der Auswertung konkretisiert. Als Untersuchungsinstrument wird ein Fragebogen konzipiert, mit dem Schülervorstellungen zum Thema Brennstoffe und Energie erhoben werden können.

Danach soll der empirische Teil der Arbeit durchgeführt werden. Im darauf folgenden Kapitel 5 erfolgt eine jeweils statistische und individuelle Auswertung der Untersuchungsinstrumente. Dabei werden zunächst die statistischen Ergebnisse mithilfe des Programms SPSS ermittelt und danach diskutiert. Anschließend erfolgt eine individuelle Auswertung der Untersuchungsinstrumente, bei der ganz gezielt auftretende Schülervorstellungen aufgezeigt, erläutert und analysiert werden sollen.

Im 6. Kapitel werden abschließend Perspektiven für den Chemieunterricht bezüglich der aus der Untersuchung gewonnen Erkenntnisse aufgezeigt, erläutert und diskutiert.

Im 7. Kapitel erfolgt die Reflexion der durchgeführten Untersuchung und der ermittelten Ergebnisse. Darüberhinaus wird im Rahmen eines Ausblicks konkretisiert inwieweit und in welcher Form Ansätze für weitere Untersuchungen existieren.

2 Fachliche Grundlagen

Um die vorliegende Arbeit für naturwissenschaftliche Laien gleichermaßen verständlich zu gestalten wie für Chemiker, werden in dem folgenden Kapitel die fachlichen und chemischen Grundlagen erläutert, die zum Verständnis der fachlichen Inhalte und Hintergründe der vorliegenden Untersuchung notwendig sind. Die Erläuterung erfolgt unter dem Gesichtspunkt ein möglichst breites Spektrum an Lesern anzusprechen, vorrangig unter Zuhilfenahme simpler Deskriptionen und Beispiele und dem absichtlichen Verzicht auf komplizierte physikalisch-chemische Herleitungen und Begriffsbestimmungen.

[...]

1 Im Folgenden sind mit dem Begriff Schüler im Allgemeinen sowohl männliche als auch weibliche Personen gemeint; analog werden die Begriffe Proband, Lehrer und Testperson verwendet.

2 Zum Beispiel: Brennstoffe und Energie