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


Examensarbeit, 2004

146 Seiten, Note: 2,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

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

3 Erkenntnistheoretische Grundlagen
3.1 Die Kognitive Entwicklung nach PIAGET
3.2 Die Conceptual Change Theorie
3.3 Schülervorstellungen/ Alltagsvorstellungen
3.3.1 Phlogiston-Theorie
3.3.2 Vernichtungskonzept

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

5 Auswertung - Ergebnisse und Diskussion
5.1 Aufgabe 1)
5.2 Aufgabe 2)
5.3 Aufgabe 3)
5.4 Aufgabe 4)
5.5 Aufgabe 5)
5.6 Aufgabe 6)
5.7 Zusammenfassung der Auswertung

6 Perspektiven für den Chemieunterricht
6.1 Unterrichtsstruktur
6.2 Unterrichtsinhalte

7 Reflexion und Ausblick

8 Literatur- und Abbildungsverzeichnis

Vorwort

Eine Arbeit für das Erste Staatsexamen in der Chemiedidaktik anzufertigen, hat sich als eine anspruchsvolle und sehr interessante Aufgabe herausgestellt.

Bei allen, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben, möchte ich mich an dieser Stelle herzlich bedanken.

Ein besonderer Dank gilt an dieser Stelle zunächst den Schülerinnen und Schülern, die mit viel Geduld die Untersuchung über sich haben ergehen lassen, und den Lehrerinnen und Lehrern, die mir sehr freundlich entgegengekommen sind und interessiert zur Seite standen. Ein ganz besonderes Dankeschön geht dabei an Herrn Günther Kosmann und Herrn Albrecht Düntsch, die mir einen reibungslosen Ablauf an den Schulen ermöglichten.

Für das Korrekturlesen, seelischen Beistand, viele interessante Anregungen und nützliche Tipps bedanke ich mich herzlich bei Hanno Aits, Andrea Musfeld, Martin Neebuhr, Markus Schubert und Michael Wilmes.

Mein weiterer Dank gilt Frau Dr. Rebecca Heimann, die mich mit einer unnachahmlichen Leichtigkeit in das Statistik-Programm-System für Sozialwissenschaften (SPSS) einführte.

Last but not least bedanke ich mich bei Herrn Prof. Dr. Hans-Dieter Barke, der durch umgehende Antworten auf meine E-Mails, Tipps und Anregungen zur Untersuchung, ausführliche Diskussionen und großes Engagement eine große Hilfe war.

Ich widme diese Arbeit meinen Eltern, die mir das Studium an der Universität nicht nur finanziell ermöglichten. Danke!

Münster, im Mai 2004

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 Unter- richt 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 Alltagsvorstel- lungen 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 naturwissenschaftli- chen Sichtweisen in wesentlichen Aspekten konträr gegenüberstehen [JUNG 1986, BADER 2002].

Solche außerschulischen Vorstellungen, besser Schülervorstellungen, verfesti- gen sich im Rahmen eines langen Adaptionsprozesses in der kognitiven Struktur der Heranwachsenden und bieten den Lernenden über Jahre hinweg eine feste Orientierung in Alltagssituationen und wachsen somit zu tief verwurzelten Denkmustern heran, welche von den Schülern im späteren, schulischen Unterricht zumeist den wissenschaftlichen Vorstellungen vorgezo- gen werden.

Ein wichtiges Ziel des Unterrichtes muss es daher sein, solche alltäglichen Vorstellungen zu berücksichtigen und sie nicht als irrelevant zu ignorieren [PFEIFER 2002]. Zunächst müssen solche Vorstellungen jedoch, wie PFUNDT bereits deutlich machte, ermittelt und der „Standpunkt des Schülers“, so DIESTERWEG, bestimmt werden, bevor anschließend von diesen Erkenntnissen ausgehend Unterricht geplant werden kann.

Thema der Arbeit:

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

Der Gegenstand dieser Arbeit ist eine Ermittlung, Untersuchung und Auswer- tung 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 weitest- gehend unerforscht. Somit dürften die Ergebnisse dieser Arbeit von besonde- rem Interesse sein.

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

Diese Arbeit soll für Chemiker ebenso verständlich sein wie für naturwissenschaftliche Laien. Aus diesem Grund werden zunächst in Kapitel 2 elementare, fachliche und chemische Grundlagen aufgeführt und erläutert, die zum Verständnis der anschließenden Untersuchung notwendig sind. In diesem Zusammenhang sollen Themen wie allgemeine Definitionen, Stoffeigenschaften, der Energieumsatz bei chemischen Reaktionen und die Verbrennung als Oxidationsreaktion vorgestellt werden.

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

In Kapitel 4 wird die Konzeption der Untersuchung beschrieben. Als wesentli- che 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 Untersuchun- gen 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.

2.1 Allgemeine Definitionen

2.1.1 Brennstoffe

„… Bezeichnung für feste, flüssige oder gasförmige Stoffe, die, entweder in natürlicher Form oder davon durch Veredelung abgeleiteter Form, mit Sauer- stoff unter Abgabe nutzbarer Wärme wirtschaftlich verbrannt werden können“ [RÖMPP 1995].

„… jede Substanz, die man zur Erzeugung von Wärme mit Luftsauerstoff verbrennen lässt...“ [MICROSOFT® 2003].

„… feste, flüssige oder gasförmige Stoffe, die in großen Mengen zur Gewinnung von Wärmeenergie verbrannt werden“ [AHLHEIM 1995, S. 67].

2.1.2 Energie

„(von griech.: energeia = Tatkraft). In den Naturwissenschaften versteht man unter Energie die Fähigkeit eines Stoffes oder eines Systems, Arbeit zu leisten…“ [RÖMPP 1995].

„…Fähigkeit eines physikalischen oder technischen Systems, Arbeit zu verrichten (…) Im Prinzip können alle Energieformen durch geeignete Prozesse ineinander umgewandelt werden. Bei den Umwandlungsprozessen können sowohl kinetische als auch potentielle Energie verloren gehen oder gewonnen werden. Die Gesamtenergiebilanz ist jedoch immer gleich“ [MICROSOFT® 2003].

„… die in einem System gespeicherte Arbeit oder die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten (…) Die verschiedenen Energiearten wie z.B. mechani- sche Energie, thermische Energie (Wärmeenergie), elektrische Energie (…) chemische Energie (…) können weitgehend ineinander umgewandelt werden

(…) Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern lediglich von einer Energieform in eine andere gebracht werden“ [AHLHEIM 1995, S. 125].

Besondere Aufmerksamkeit muss hinsichtlich der folgenden Untersuchung auf die Tatsache gerichtet werden, dass Energie nicht erzeugt, sondern ausschließ- lich umgewandelt werden kann. Beispielsweise wird mit einem Fahrraddyna- mo keine Energie erzeugt und ist salopp gesagt plötzlich da, sondern mechani- sche Energie (Treten des Radfahrers) wird bei diesem Vorgang durch den Dynamo in elektrische Energie (Strom) umgewandelt. Chemisch-physikalisch wird dies durch den Energieerhaltungssatz definiert der besagt, dass „die Summe aller Energien in einem abgeschlossenen System…“ [AHLHEIM 1995, S. 126] konstant ist.

2.1.3 Verbrennung

„… Bezeichnung für eine schnelle chemische Vereinigung mit Sauerstoff (…) unter Entwicklung hoher Temperaturen und Lichterscheinungen…“ [RÖMPP 1995].

„… im allgemeinen Sinn der Begriff für die schnelle chemische Reaktion einer Substanz mit Sauerstoff (…), bei der üblicherweise große Mengen an Wärme freigesetzt werden - bei Verbrennungen kommt es häufig auch zu Lichterscheinungen (Feuer)…“ [MICROSOFT® 2003].

„… unter Flammenbildung und Wärmeentwicklung ablaufende Reaktion von Stoffen mit Sauerstoff…“ [AHLHEIM 1995, S. 412].

2.2 Stoffeigenschaften

In der Chemie schreibt man Stoffen bestimmte Eigenschaften zu. Dazu zählen zahlreiche Eigenschaften wie unter anderem auch Farbe, Geruch, pH-Wert. In diesem Abschnitt sollen nun jene Stoffeigenschaften erläutert werden, die zum Verständnis der Untersuchungsvorgänge relevant sind.

2.2.1 Die drei Aggregatzustände

Bereits im Altertum unterschied man zwischen dem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand der Materie und brachte diese mit den drei Elementen Erde, Wasser und Luft in Beziehung.

Auch heute noch unterteilt man diese Erscheinungsformen von Stoffen, die sogenannten Aggregatzustände, in fest, gasförmig und flüssig. Mit der Modellvorstellung vom Aufbau der Stoffe aus kleinsten Teilchen lassen sich die Aggregatzustände und die Übergänge zwischen ihnen sehr gut deuten (vgl. Abbildung 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Übergänge zwischen den Aggregatzuständen [SCHUPHAN und KNAPPE 1996, S. 32]

Reinstoff im festen Zustand: Die kleinsten Teilchen sind dicht gepackt und regelmäßig angeordnet (vgl. Abb. 1). Zwischen den Teilchen wirken starke Anziehungskräfte, die sie auf ihren festgelegten Plätzen halten.

Reinstoff im flüssigen Zustand: Die kleinsten Teilchen sind weiträumiger und weniger regelmäßig angeordnet (vgl. Abb. 1). Sie nehmen keine festen Plätze mehr ein und sind aufgrund der schwächeren gegenseitigen Anziehungskräfte gegeneinander beweglich.

Reinstoff im gasförmigen Zustand: Die kleinsten Teilchen bewegen sich völlig frei und ungeordnet im Raum (vgl. Abb. 1). Sie üben keine oder nur sehr geringe Anziehungskräfte aufeinander aus.

Die drei Aggregatzustände treten wie bereits erwähnt bei jedem Stoff in Abhängigkeit von Druck und Temperatur in Erscheinung. Das einfachste Beispiel dafür ist das Wasser. Im festen Zustand spricht man von Eis, im flüssigen Zustand von Wasser und im gasförmigen Zustand von Wasserdampf. Der Zusammenhang wird noch einmal in folgender Abbildung veranschaulicht:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Die Aggregatzustände von Wasser (H2O) [DÖRRENBÄCHER und SURREY 1997, S. 21]

Wie durch Abbildung 2 am Beispiel des Wassers verdeutlicht, wird durch Wärmezufuhr der jeweils nächste Aggregatzustand erreicht. Wärme wird im chemischen Sinne „…als Bewegungsenergie (…) der atomaren Partikel eines Körpers (…) (innere Energie)…“ [RÖMPP 1995] gesehen. Demzufolge ist die Änderung eines Aggregatzustandes immer mit einer Teilchenbewegung und Teilchenumgruppierung verbunden.

2.2.2 Der Schmelz- und Siedepunkt von Wasser

Am Beispiel von Wasser in festem Aggregatzustand (Eis; vgl. Abb. 2) führt Energiezufuhr in Form von Wärme zu Vibrationen der Teilchen in der festen, gitterartigen Struktur des Eises. Ab einem speziellen Punkt werden die Schwingungen so stark, dass die feste Ordnung verringert und damit auch die Anziehungskraft der Teilchen untereinander teilweise neutralisiert bezie- hungsweise überwunden wird und sich der Aggregatzustand von fest zu flüssig ändert. Diesen Übergangspunkt bezeichnet man als Schmelzpunkt (reversibel: Gefrierpunkt/ Erstarrungspunkt), welcher bei Wasser definitionsgemäß bei exakt 0°C liegt.

Bei weiterer Wärmezufuhr erhöht sich die Teilchenbewegung zunehmend bis hin zu dem Punkt, an dem die Anziehungskräfte der kleinsten Teilchen überwunden werden. An diesem Punkt, dem sogenannten Siedepunkt (reversibel: Kondensationspunkt), wechselt der Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig (bei Wasser liegt dieser Punkt definitionsgemäß bei exakt 100°C3 ). Die Übergänge der einzelnen Aggregatzustände sind reversibel.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Schmelz- und Siedekurve des Wassers [SCHUPHAN und KNAPPE 1996, S. 29]

Wie bereits erwähnt liegt der Schmelzpunkt (Smp.) von Wasser definitionsge- mäß bei exakt 0°C und der Siedepunkt (Sdp.) bei exakt 100°C3. Eine grundle- gende Eigenschaft der Übergangspunkte ist die Tatsache, dass beim Schmelz- punkt die Temperatur solange bei 0°C stagniert, bis das letzte Eisstück den Aggregatzustand geändert hat (vgl. Abb. 3). Die in dieser Zeit weiter zugeführ- te Energie wird ausschließlich dazu verwendet, um die Anziehungskräfte der einzelnen Teilchen zu überwinden, und führt zu keinem messbaren Tempera- turanstieg. Analog vollzieht sich dies beim Siedepunkt des Wassers (vgl. Abb. 3).

2.3 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen

2.3.1 Aktivierungsenergie

Bei einer chemischen Reaktion, beispielsweise bei einer Verbrennung (vgl. 2.1.3 Verbrennung), reagieren zwei oder mehr Stoffe zu einem neuen Stoff mit neuen Eigenschaften. Nur selten laufen solche chemischen Reaktionen spontan ab. In den meisten Fällen muss Energie von außen zugeführt werden, um die Reaktion zu starten. Diese Energie, die „… notwendig ist, um eine chemische Reaktion in Gang zu bringen…“ [AHLHEIM 1995, S. 16], bezeichnet man als Aktivierungsenergie [BARKE, DEHNERT et al. 1988].

Die folgende schematische Darstellung verdeutlicht den Begriff der Aktivierungsenergie in Bezug auf den Energieumsatz einer chemischen Reaktion:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Schematische Darstellung des Energieumsatzes bei einer chemischen Reaktion [SCHUPHAN und KNAPPE 1996, S. 19]

Die zwei Ausgangstoffe A und B reagieren nicht freiwillig miteinander. Erst wenn die notwendige Aktivierungsenergie zugeführt wird, läuft die Reaktion spontan ab und ein neuer Stoff (AB) entsteht.

Die Aktivierungsenergie ist also die Energie, die dem Stoffgemisch A+B zugeführt werden muss, damit die Reaktion ausgelöst wird. Ab dem aktivierten Zustand (vgl. Abb. 4) erfolgt die Reaktion freiwillig.

2.3.2 Reaktionsenthalpie (Reaktionsenergie)

Jede chemische Reaktion ist, neben der für Außenstehende zumeist offensicht- lichen Umsetzung von Stoffen, auch stets mit einem Energieumsatz verbunden. Sowohl die Ausgangsstoffe (Edukte) als auch die Endstoffe (Produkte) einer chemischen Reaktion besitzen bei einer gegebenen Temperatur einen bestimm- ten Grundenergiegehalt. Dies wird schon in Abbildung 4 verdeutlicht, indem die Edukte A und B ein relativ hohes Energieniveau besitzen (vgl. „energie- reich“), während das Produkt AB ein vergleichsweise niedriges Energieniveau besitzt (vgl. „energiearm“). Die Differenz zwischen der Energie der Edukte und der Energie der Produkte bezeichnet man als die Reaktionsenergie, welche in der Chemie die Abkürzung ∆U trägt. Diese bei einer chemischen Reaktion freigesetzte Reaktionsenergie ∆U lässt sich in zwei Energienanteile aufteilen: Zum einen in die Volumenarbeit, die das System verrichten muss und zum anderen in einen restlichen, als Wärme erhältlichen Energieanteil. Im chemi- schen Fachjargon spricht man bei diesem restlichen Energieanteil von der sogenannten Reaktionsenthalpie, welche mit der Abkürzung ∆HR versehen ist. Zusammengefasst entspricht die Reaktionsenthalpie (∆HR) also der Energie, die vom System nach außen in Form von Wärme abgegeben wird [vgl. SCHUSEIL 1995].

2.3.3 Exotherme und endotherme chemische Reaktionen

Wie bereits im vorangegangen Kapitel besprochen sind chemische Reaktionen stets mit einem Energieumsatz verbunden. In diesem Rahmen wurde auch die Begrifflichkeit der Reaktionsenthalpie (∆HR) anhand einer chemischen Beispielreaktion und einer diesbezüglichen schematischen Darstellung geklärt. Bei dieser Beispielreaktion (vgl. Abb. 4) lag das Energieniveau der Produkte unterhalb des Energieniveaus der Edukte. An genau diesem Punkt wird nun erneut angesetzt und eine weitere, wichtige Eigenschaft chemischer Reaktionen erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Schematische Darstellung des Energieumsatzes bei einer exothermen und einer endothermen chemischen Reaktion [SCHENK 1993, S. 28]

a) Exotherme Reaktion: Die Reaktionsprodukte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe (Edukte).
b) Endotherme Reaktion: Die Reaktionsprodukte sind energiereicher als die Ausgangsstoffe (Edukte).

Wie anhand der obigen Abbildung deutlich wird, wird in der Chemie bezüglich des Energieumsatzes zwei Arten von Reaktionstypen unterschieden: Exotherme und endotherme chemische Reaktionen.

Bei einer exothermen Reaktion sind die Produkte energieärmer als die Edukte und demnach energetisch günstiger. Bei einer endothermen Reaktion verhält es sich genau disparat. Dort sind die Produkte energiereicher als die Edukte und demnach ist deren Zustand als energetisch ungünstiger zu beschreiben. Der Energieumsatz ∆HR wird definitionsgemäß immer von der Seite der Edukte aus betrachtet (systemegoistischer Standpunkt). Die Reaktionsenthalpie ∆HR erhält demnach bei exothermen Reaktionen ein negatives Vorzeichen, also -∆HR, da der Reaktionsverlauf mit einem Energieverlust, einer Energieabgabe, für das Ausgangssystem verbunden ist (von griech. exo = heraus). Der Energiegehalt der Produkte ist exakt um diesen Betrag ∆HR geringer als der der Edukte. Dementsprechend erhält die Reaktionsenthalpie für endotherme Reaktionen ein positives Vorzeichen, also +∆HR. Der Energiegehalt der Produkte ist exakt um diesen Betrag ∆HR höher als jener der Edukte (von griech. endo = hinein). Angegeben wird ∆HR in kJ/ mol [vgl. SCHUSEIL 1995].

2.4 Die Verbrennung - eine chemische Reaktion

Wie unter 2.1.3 bereits erläutert wurde, handelt es sich bei einer Verbrennung im chemischen Sinne um eine „ … schnelle chemische Reaktion einer Sub- stanz mit Sauerstoff (…), bei der üblicherweise große Mengen an Wärme freigesetzt werden …“ [MICROSOFT® 2003]. Bei dieser freigesetzten Wärme handelt es sich um die in 2.3.2 erläuterte Reaktionsenthalpie. Die Substanzen, die bei einer Verbrennung mit Sauerstoff reagieren können, sind sehr verschie- den. Dennoch sollen drei Beispiele einer Verbrennungsreaktion genauer erläutert werden, die es auch im Rahmen der Untersuchung zu beantworten gilt: Die Verbrennung von Kohle, die Verbrennung von Benzin und die Verbrennung von Eisenwolle. Alle drei Fälle sollen im Folgenden erläutert werden.

2.4.1 Die Verbrennung von Kohle

Kohle besteht überwiegend aus Kohlenstoff. Unter anderem kann Kohle neben Sauerstoff und cyclischen Kohlenwasserstoffen auch Stickstoff und Schwefel enthalten. Diese Stoffe und Elemente finden aber hier keine weitere Berück- sichtigung.

Wie entsteht Kohle? In allen Kohlevorkommen findet man Pflanzenabdrücke. Aus Pflanzen in ausgedehnten Moor- und Sumpfwäldern haben sich vor etwa 270 Millionen bis 350 Millionen Jahren hauptsächlich Stein- und Braunkohle gebildet. Dieses Zeitalter nennen Geologen deshalb Karbon (von lat. carbo = Kohle).

Abgestorbene Pflanzen wurden von Gebirgsschutt, Sand- und Tonsedimenten überdeckt. Durch den dadurch ausgeübten Druck und die daraus resultierende Wärme verarmten die Pflanzenreste an Wasserstoff und Sauerstoff. So bildete sich aus den Pflanzen zunächst Braunkohle und unter Einwirkung von starkem tektonischen Druck und erhöhter Temperatur im Zusammenhang mit gebirgs- bildenden Vorgängen schließlich auch die sogenannte Steinkohle [vgl. EISNER, FLADT et al. 1986]. Aus den organischen Verbindungen, den Pflanzenresten, entstand in dem Prozess der Kohlebildung, der sogenannten Inkohlung, ein Gemisch aus überwiegend makromolekularen Verbindungen, welche zum Großteil aus cyclischen Kohlenwasserstoffbausteinen bestehen.

Durch Energiezufuhr mittels Druck, demzufolge im Verlauf der endothermen Reaktion der Inkohlung, hat sich Kohle gebildet. Die mittels Wärme und Druck zugeführte Energie wurde demnach in der Kohle gespeichert. So lässt sich der häufig verwendete Begriff Kohle als Energieträger erklären. Reagiert die Kohle nun bei der Verbrennungsreaktion mit Sauerstoff, so wird diese gespeicherte Energie in Form von Wärme freigesetzt.

Kohlenstoff (C) + Sauerstoff (O2) Kohlenstoffdioxid (CO2)

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] mol, d.h. exotherme Reaktion

[aus: SCHRÖTER, BIBRACK et al. 1997].

Wie in der obigen Reaktionsgleichung beschrieben reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Darüber hinaus können bei der Verbrennung aber auch andere Produkte auftreten, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid (unvollständige Verbrennung), Schwefeldioxid, Stickoxide etc. Es handelt sich dabei um Nebenprodukte, die als Schadstoffe auftreten und zur Luftverschmut- zung beitragen. Darauf wird in Punkt 2.4.2 gesondert eingegangen.

Fazit: Kohle ist ein Energieträger, in welchem die zu seiner Herstellung (Inkohlung) aufgewandte Energie gespeichert ist. Diese gespeicherte Energie wird bei der exothermen Reaktion mit Sauerstoff zu Kohlendioxid (Verbrennungsprozess) in Form von Wärme freigesetzt.

2.4.2 Die Verbrennung von Benzin

Ebenso wie Kohle besteht auch Benzin überwiegend aus einem „(…) Gemisch von Kohlenwasserstoffen mit einem Siedebereich von ca. 40-220°C (…)“ [AHLHEIM 1995, S. 58]. Diese Kohlenwasserstoffe treten in sogenannten Kohlenwasserstoffketten mit etwa fünf bis zehn C-Atomen, besonders in Form von Isomeren des Oktans auf. Eine genauere molekulare Erläuterung des Benzins würde den zeitlichen Rahmen dieser Arbeit übersteigen und soll hier deshalb nicht stattfinden. Dahingegen ist es wichtig zu erwähnen, dass Benzin neben den gerad- und verzweigtkettigen Alkanen auch Spuren von Blei- und Schwefelverbindungen enthält.

Wie lässt sich Benzin herstellen? Benzin wird vorzugsweise aus Erdöl hergestellt. Man geht heute davon aus, dass Erdöl und auch Erdgas aus abgestorbenen tierischen und pflanzlichen Meeresorganismen entstanden sind, die im Laufe von Jahrmillionen unter anderem durch die Einwirkung von anaeroben Bakterien, niedrigen Temperaturen und hohem Druck über Zwi- schenprodukte in Erdöl und Ergas umgewandelt wurden [vgl. SCHUSEIL 1995]. Die Entstehung des Erdöls ist also eng verwandt mit der Entstehung der Kohle (vgl. Punkt 2.4.1). Aus dem Erdöl wird mittels komplizierter Verfahren in sogenannten Raffinerien Benzin hergestellt. Diese mehrstufigen, chemischen Verfahren explizit zu konkretisieren, würde den Rahmen dieser Arbeit übersteigen und daher wird darauf verzichtet.

Wichtig ist, dass Benzin aus Kohlenwasserstoffen besteht und dass es sich bei der Entstehung von Erdöl um eine endotherme Reaktion handelt, bei der mittels Wärme und Druck aus tierischen und pflanzlichen Meeresorganismen Erdöl wird. Diese Energie ist auch nach der weiteren Aufarbeitung des Erdöls im Benzin gespeichert. Daher kann Benzin, und ebenso Kohle, als Energieträ- ger bezeichnet werden.

Die Verbrennungsreaktion von Benzin ist der der Kohle in Abschnitt 2.4.1 sehr ähnlich. Formal gesagt reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlendioxid unter Abgabe von Wärmeenergie. Die folgende Reaktionsgleichung kennzeichnet die vollständige Verbrennung von Oktan mit Sauerstoff:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[aus: RÖMPP 1995, SCHRÖTER, BIBRACK et al. 1997]

Die angeführte Reaktion läuft im Motor eines Autos ab. Das Benzin-Luft- Gemisch wird in einem Kolben zusammengepresst und durch die Zündkerze entzündet (Aktivierungsenergie). Das Benzin-Luft-Gemisch explodiert und verbrennt zu Kohlendioxid und Wasser. Diese Explosion und die auftretende Verbrennungswärme bewirken eine rasche Ausdehnung der Abgase, was sich durch die Konstruktion des Motors in mechanische Energie umwandeln lässt. Dabei wird der Kolben durch die Ausdehnung nach unten gepresst (vgl. dazu Abb. 6). Somit ist die chemische Energie in mechanische Energie umgewandelt worden und kann zum Antrieb des Autos genutzt werden. Um den Sachverhalt zu verdeutlichen sei gesagt, dass Benzin einen Brennwert von etwa 48 MJ/ kg und Holzkohle einen Brennwert von 26 MJ/ kg besitzt [RÖMPP 1995].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie in einem Verbrennungsmotor [RÖMPP 1995]

Fazit: Wie bei Kohle handelt es sich auch bei Benzin um einen sogenannten Energieträger, in welchem die zu seiner Entstehung beziehungsweise Herstellung aufgewandte Energie gespeichert ist. Diese gespeicherte Energie wird bei der exothermen Reaktion mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser (Verbrennungsprozess) in Form von Wärme freigesetzt.

Ein wichtiger Aspekt bei der chemischen Behandlung und Erläuterung von Verbrennungsreaktionen sind die dabei entstehenden Nebenprodukte: die Schadstoffe. Obgleich sie nicht direkt am eigentlichen Energieumsatz bei der Verbrennungsreaktion beteiligt sind, sollen sie in dieser Arbeit aufgrund ihrer großen Einflussnahme auf die Umwelt und den Menschen zumindest kurz erwähnt werden.

Neben Kohlenstoffdioxid treten bei der Verbrennung von Benzin und Kohle weitere Verbrennungsprodukte auf. Dabei handelt es sich um weitere Oxide der Stoffe, die neben dem Hauptreaktionspartner Kohlenstoff (C) im Energie- träger Kohle bzw. Benzin enthalten sind - wie Schwefel (S) und Stickstoff (N).

Die Oxide dieser Stoffe sind die sogenannten Schadstoffe, die für die Luftver- schmutzung verantwortlich gemacht werden. Durch eine unvollständige Verbrennung kann das für den Menschen giftige Kohlenstoffmonoxid (CO) auftreten. Ebenso können sich bei der Verbrennung von Kohle und Heizöl Schwefeloxide (SOx) bilden, welche mit dem sogenannten sauren Regen in Verbindung zu bringen sind. Darüber hinaus entstehen bei Verbrennungen im hohen Temperaturbereich giftige Stickstoffoxide (NOx), welche unter bestimm- ten Voraussetzungen zu Smog führen können [vgl. SCHUSEIL 1995].

2.4.3 Verbrennung von Eisenwolle

Heizungskeller sind mit feuerhemmenden Türen aus Metall versehen. Zylin- derkolben von Verbrennungsmotoren und auch ein Grill in dem Kohle verbrannt wird sind zumeist aus Metall und brennen nicht, obwohl sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind. So ist die Verbrennung von Eisenwolle vermut- lich zunächst etwas verwirrend. Dennoch verbrennt Eisenwolle unter Aufglü- hen. Diese Verbrennungsreaktion ist experimentell hinsichtlich des Energieum- satzes wenig aufschlussreich. Ziel ist es, sich lediglich bezüglich der Untersu- chung am Grundgedanken der Verbrennung zu orientieren.

Was genau geschieht also wenn Eisen verbrennt? Mehrfach wurde bereits erläutert, dass es sich bei einer Verbrennung um eine Reaktion eines bestimm- ten Stoffes mit Sauerstoff unter Abgabe von Wärmeenergie handelt. Die Produkte solcher Reaktionen nennt man Oxide. So verhält es sich auch bei der Verbrennung von Eisenwolle. Demnach reagiert das Eisen der Eisenwolle mit Sauerstoff zu Eisenoxid:

Eisen (fest, grau) + Sauerstoff (gasförmig) Eisenoxid (fest, Fe3O4 = schwarz)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gesamt: ∆HR = - 315,5 kJ/ mol, d.h. exotherme Reaktion [aus: ATKINS und BERAN 1996, BARKE und HARSCH 2001].

Wie aus dem angeführten Reaktionsschema deutlich wird, kann auch für diese Verbrennungsreaktion eine Energiebilanz errechnet werden, aus der ersichtlich wird, dass es sich um eine exotherme Reaktion handelt. Nennenswert ist dennoch ein anderes Phänomen dieses Versuchs. Wie in Abbildung 7 deutlich wird, ist eine Gewichtszunahme des Produktes zu erkennen. Der Verbren- nungsvorgang führt hier nicht zu einem bei der Verbrennung von beispielswei- se Kohle üblichen gasförmigen Oxid (Kohlenstoffdioxid), sondern zu einem festen Oxid - dem Eisenoxid. Die beiden Eisenwolleportionen hatten bei Versuchsbeginn die gleiche Masse, aber mit Voranschreiten der Oxidationsre- aktion des Eisens mit dem Sauerstoff kommt es zu einer Gewichtszunahme auf Seiten des Produkts.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: Verbrennung (Oxidation) von Eisenwolle an einer Balkenwaage [SCHUPHAN und KNAPPE 1996, S. 14]

Die Begründung lässt sich bei der Betrachtung der Eisenwolle im Teilchenmo- dell als Teilchengitter finden (vgl. Abb. 8). Die Eisenwolle (die Eisen-Teilchen werden im Teilchenmodell in Abb. 8 durch graue Teilchen symbolisiert) besteht demnach aus einem Gitter mit Zwischenräumen, in welche der Luftsauerstoff (Sauerstoff-Teilchen werden im Teilchenmodell in Abb. 8 durch rote Teilchen symbolisiert) vordringen kann. Nach Zufügen der Aktivierungs- energie reagiert der Sauerstoff mit dem Eisen an der relativ großen Oberfläche zu Eisenoxid. Dabei lagern sich nach dem Teilchenmodell Sauerstoffteilchen im Eisengitter ein. Da Sauerstoff, wie alle anderen Gase, ein Eigengewicht besitzt, führt die Bildung einer Eisen-Sauerstoff-Verbindung (Eisenoxid) zu einer Gewichtszunahme [vgl. MORTIMER 1996].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 8: Verbrennungsreaktion (Oxidation) von Eisen (graue Teilchen) und Sauerstoff (rote Teilchen) zu Eisenoxid im Teilchenmodell [SCHUPHAN und KNAPPE 1996, S. 21]

Nachdem nun im ersten Kapitel die fachlichen Grundlagen, die zum Verständ- nis dieser Ausarbeitung notwendig sind, vorgestellt wurden, erfolgt im folgenden Kapitel eine Vorstellung der erkenntnistheoretischen Grundlagen.

3 Erkenntnistheoretische Grundlagen

Dieses Kapitel der Untersuchung beginnt mit der grundlegenden Frage, inwieweit es nötig ist, das Feld der erkenntnistheoretischen Grundlagen zu durchleuchten. Ist es ausreichend, die naturwissenschaftsdidaktische Forschung als Grundlage zu betrachten, oder ist es darüber hinaus notwendig in den Bereich der Entwicklungspsychologie einzutauchen? Es gibt diverse öffentli- che Meinungen darüber, ob dieses der Fall sein sollte oder nicht. Die Antwort auf diese Frage erhält man recht schnell, sobald man sich mit vorangegangen, älteren empirischen Untersuchungen auseinandersetzt. In nahezu allen Arbeiten werden entwicklungspsychologische Aspekte und Erkenntnisse in die Untersu- chungen und Auswertungen mit einbezogen [vgl. PFUNDT 1975, GRÄBER und STORK 1984, DUIT 1996, PFEIFER 2002].

Besondere Aufmerksamkeit genießt darin die in den 70er Jahren aufblühende PIAGETSCHE Erkenntnistheorie4. Sie galt lange als wesentlicher Orientie- rungspunkt für die fachdidaktische Forschung und nicht zuletzt auch für den einzelnen Lehrer: „Auf diese Weise erhält der einzelne Lehrer allmählich einen Begriff davon, worin seine Aufgabe eigentlich besteht, wovon er in seinen Lehrbemühungen ausgehen kann und auf welche Vorstellungen er Rücksicht nehmen muss“ [KUBLI 1981].

Mitte der 80er Jahre entwickelte sich daraus die Conceptual Change Theorie5, unter anderem von POSNER formuliert, mit einer der Äquilibrierung von PIAGET sehr ähnlichen Grundstruktur. Sie ist in den Grundzügen kongruent mit der PIAGETSCHEN Ansicht, dass „Lernen (…) als aktive Konstruktion auf der Basis bereits vorhandener Vorstellungen“ [DUIT und GRÄBER 1993, S. 147] gesehen werden muss.

Neben diversen anderen Autoren sind auch P. PFEIFERS Ausführungen in eine konstruktivistische Sichtweise des Wissenserwerbs eingebettet. Er beschreibt den Lernprozess als eine fortlaufende, kognitive „Rekonstruktion auf der Basis von Erfahrungen“ [PFEIFER 2002, S. 125] - man lerne seiner Ansicht nach also mit anderen Worten auf der Grundlage des bereits Erlernten. Ausdruck des Lernens ist für ihn, um zu den Grundzügen PIAGETS zurückzu- kehren, der „subjektabhängige Aufbau von Kenntnissen, Fertigkeiten und Gesinnungen - Lernen als Konstruktion von Denk- und Wissensstrukturen (Conceptual Change)“ [PFEIFER 2002, S. 122].

DUIT betitelt den Begriff Conceptual Change sogar als Kennzeichen neuer, konstruktivistisch orientierter Sichtweisen vom Lehren und Lernen der Naturwissenschaften [vgl. DUIT 1994]. Er umschreibt diese Theorie so, „…als sei Conceptual Change nichts weiter als der heute eben gebräuchliche Termi- nus für Lernen ganz generell“ [DUIT 1996, S. 146]. Es erweckt also den Anschein, als sei die Conceptual Change Theorie seiner Meinung nach eine fundamentale Basis bei der Betrachtung von Lehr- und Lernvorgängen, und demnach sicherlich auch eine Basis von Schülervorstellungen.

Daher ist es undenkbar Schülervorstellungen naturwissenschaftsdidaktisch zu untersuchen und zu vergleichen, ohne entwicklungspsychologische Grundlagen mit einzubeziehen. Aus diesem Grund werden im Folgenden zunächst die Grundgedanken der kognitiven Entwicklung nach PIAGET vorgestellt. Darauf aufbauend wird anschließend die Conceptual Change Theorie mit ihren PIAGETSCHEN Elementen erörtert, um durch eine inhaltliche Verknüpfung dieser beiden Theorien ein stabiles Grundgerüst für eine weiterführende fachdidaktische Untersuchung zu schaffen.

3.1 Die Kognitive Entwicklung nach PIAGET

Die Ausführungen dieser Arbeit beziehen sich im Folgenden weitestgehend auf die Conceptual Change Theorie6. Als Grundlage dieser Conceptual Change Theorie ist die Entwicklungspsychologie von PIAGET zu betrachten. Es sollen daher an dieser Stelle die Grundzüge dieser Theorie kurz erläutert werden, um einen Einblick in die PIAGETSCHE Sichtweise zu bekommen. Ein weiterer Grund sich auf diese Theorie zu beziehen, ist der, dass sich ein Großteil vorangegangener Untersuchungen ausschließlich auf diese Theorie stützt.

Die kognitive Entwicklung von Jugendlichen ist, nach PIAGETS Ansicht, an deren Reifungsprozesse gebunden und wird durch vier Stadien charakterisiert, in denen sich die Heranwachsenden in ihren Denkstrukturen in bezeichnender Weise unterscheiden:

(1) Das sensomotorische Stadium (vorbegrifflich-symbolisches Denken im Alter von etwa 2-4 Jahren)
(2) Das präoperationale Stadium (anschauliches Denken im Alter von etwa 4-6/7 Jahren)
(3) Das konkret-operationale Stadium (konkrete Denkoperationen im Alter von etwa 6/7-12/13 Jahren) und
(4) Das formal-operationale Stadium (formale Denkoperationen im Alter ab 12/13 Jahren)

[aus: GRÄBER und STORK 1984, PFEIFER 2002]

Für den naturwissenschaftlichen Unterricht und insbesondere für den Chemie- unterricht und die damit verbundenen Schülervorstellungen, sind an dieser Stelle das konkret-operationale (3) und das formal-operationale Stadium (4) von maßgeblicher Bedeutung. Das sensomotorische (1) und das präoperationa- le Stadium (2) beziehen sich dahingegen, wie oben angedeutet, auf Heran- wachsende im etwa zweiten bis siebten Lebensjahr. Da mit dieser wissen- schaftlichen Arbeit eine Untersuchung im Bereich der Sekundarstufe I durchgeführt wird, erscheint eine genauere Erörterung dieser beiden Stadien an dieser Stelle als wenig sinnvoll. Daher werden hier ausschließlich das konkret- operationale (3) und das formal-operationale Stadium (4) im Einzelnen konkretisiert.

Das konkret-operationale Stadium bezieht sich laut PIAGET auf Kinder im Alter von etwa 7 bis 13 Jahren. Die Kinder befinden sich anders ausgedrückt im Stadium der konkreten Denkoperationen [PFEIFER 2002], welche sich vor allem auf Gegenstände, die real fassbar sind und auf Handlungen, die wirklich ausgeführt oder zumindest in der Vorstellung ausgeführt werden können, beziehen. „Ihre kognitive Aktivität ist nicht mehr an aktuelle Wahrnehmung oder aktuelle konkrete Handlungen gebunden“ [GRÄBER und STORK 1984, S. 196].

Gegen Ende des konkret-operationalen Stadiums, so PIAGET, lösen sich die Heranwachsenden von Handlungen am konkreten Gegenstand und treten in die darauf folgende Phase der formalen Denkoperationen ein (formal-operationales Stadium). Die Denkweise wird zunehmend abstrakter, d.h. die Schüler sind imstande, verschiedene Variablen in ihre Überlegungen mit einzubeziehen, mögliche Relationen abzuleiten und formal-mathematische Operationen zu begreifen [vgl. BARKE und HARSCH 2001]. Diese letzte Stufe der PIAGET- SCHEN Entwicklungstheorie ist durch ein hypothetisch-deduktives Denken der Lernenden gekennzeichnet [vgl. GRÄBER und STORK 1984]. In der nunmehr vielmals zitierten Arbeit von WOLFGANG GRÄBER und HEINRICH STORK aus dem Jahr 1984 kommen die Autoren zu einem sehr kritischen Urteil gegenüber der PIAGETSCHEN Konzeption. Nach ihren Ausführungen erreichen beispielsweise im Durchschnitt lediglich 27% der 16jährigen Probanden der 10. Klasse eines Gymnasiums das formal- operationale Stadium, was nach PIAGETS Klassifizierung bereits mit 12 bis 13 Jahren abgeschlossen sein sollte. Die Schlussfolgerung der damaligen Arbeit war, da die Lerninhalte der naturwissenschaftlichen Fächer weitestgehend abstrakt sind und die größtenteils heute noch üblichen Lehrmethoden ein formal-operationales, folglich ein hypothetisch-deduktives Denkvermögen voraussetzen, dass der „Chemieunterricht die Schüler - vor allem in der Sekundarstufe I - intellektuell überfordere und der Motivationsschwund auch ein Ausdruck von Schülerresignation sei“ [GRÄBER und STORK 1984, S. 193]. Als Praxisbeispiel führten die Autoren an, dass in der Tat ein bestimmter Grad an Abstraktionsvermögen und geistiger Konstruktionsfähigkeit notwen- dig sei, um sich die Begriffe Energie oder auch Mol, die als theoretische Größen keinen konkreten Erfahrungen in der Realität entsprechen, vorstellen zu können.

Ist diese Behauptung authentisch, so scheint sich dem Schüler, durch den Mangel an Abstraktionsvermögen und das Unvermögen ein angemessenes abstraktes Denkmodell zu erstellen, eine große Kluft zu offenbaren: eine Beziehungslosigkeit zwischen den beiden Abstraktionsebenen. HANSDIETER BARKE beschreibt 1983, dass diese Beziehungslosigkeit dazu führe, „…dass der Schüler Formeln und Reaktionsgleichungen auswendig lernt, aber nicht in der Lage ist, Stoffaufbau und Stoffumbildung zu verstehen und mit eigenen Worten zu beschreiben“ [BARKE 1983, S. 353].

Fazit: Die Schüler können im naturwissenschaftlichen Unterricht die abstrakten Unterrichtsinhalte demnach nicht bewältigen, da hierfür kognitive Fähigkeiten obligat sind, die offenbar bei einem Großteil der Lernenden noch nicht ausgeprägt sind. Diese Kluft führt, wie auch bereits BARKE ausführte, nach GRÄBER UND STORK dazu, „…dass die Schüler sich durch verbale Einprägung und Wiedergabe der Unterrichtsinhalte, also durch Auswendigler- nen, helfen“ [GRÄBER und STORK 1984b, S. 266]. Das führt nicht nur zu einer übermäßigen Belastung des Gedächtnisses, „but paralyses cognitive activity in the areas of perception and manipulation“, was empirisch belegt wird. Und „…das sind die Folgen, wenn man die wichtigste Komponente des Unterrichts ausser Acht lässt: den Schüler, wie er wirklich ist“ [GRÄBER und STORK 1984b, S. 266].

An diesem Punkt wird nun einen Schritt weitergegangen und die aus den Ansätzen PIAGETS entstandene Conceptual Change Theorie vorgestellt.

3.2 Die Conceptual Change Theorie

Im Laufe der letzten 20 Jahre hat sich im internationalen Bereich der Begriff „Conceptual Change“ in der Naturwissenschaftsdidaktik und über diesen Bereich hinaus etabliert. Die von POSNER, STRIKE, HEWSON und GER- ZOG (1982) vorgelegte Theorie wurde binnen kürzester Zeit zum paradigmati- schen Orientierungspunkt für konstruktivistisch orientierte Unterrichtsansätze, wie auch für Ansätze zur Lehrerbildung [vgl. POSNER, STRIKE et al. 1982, DUIT 1994].

Die am Ende von Kapitel 3.1 herausgestellten Problematiken, also die durch fachdidaktische Untersuchungen aufgezeigten fundamentalen Schwierigkeiten von Schülern beim Erlernen naturwissenschaftlicher Vorstellungen, können, so DUIT, mittels dieser Theorie klarer gekennzeichnet und anschließend unter- sucht und aufgearbeitet werden. Zunächst aber zur eigentlichen Theorie: Die Conceptual Change Theorie wird durch vier wesentliche Bedingungen definiert:

(1) Die Lernenden müssen mit den bereits vorhandenen Vorstellungen unzufrieden sein (dissatisfaction)
(2) Die neue Vorstellung muss logisch verständlich sein (intelligible)
(3) Sie muss einleuchtend sein (plausible)
(4) Sie muss fruchtbar sein, sich in neuen Situationen als erfolgreich erweisen (fruitable)

[aus: DUIT 1994]

Man versucht mit dieser Theorie die Frage zu beantworten, wie ein Lernender den Übergang von einer Vorstellung C1 zu einer anderen Vorstellung C2 bewältigt. Dabei kommt es im Sinne der PIAGETSCHEN Vorstellung zur Äquilibrierung7 durch Assimilation7 bzw. durch Akkomodation7. Unzufrieden- heit (vgl. dissatisfaction) erzeugt demzufolge ein mentales Ungleichgewicht und evoziert beim Lernenden das Bedürfnis nach erneuter mentaler Balance. Diese Balance (Gleichgewicht) kann entweder durch Assimilation oder Akkomodation wiederhergestellt werden (Äquilibrierung) [vgl. DUIT 1996]. Assimilation beschreibt die Äquilibrierung als das Angleichen des Novums an eine vorhandene Denkstruktur, während die Akkomodation von einer grundle- genden Veränderung einer bisher vorhandenen Denkstruktur ausgeht. Die Conceptual Change Theorie beschreibt nun exakt diesen PIAGETSCHEN Terminus der Akkomodation, der im deutschen häufig mit der direkten Übersetzung von „Conceptual Change“, also unter dem Namen Konzeptwech- sel, in Erscheinung tritt. Der Begriff Assimilation wird in der Theorie des Conceptual Change sinngemäß als „Conceptual Growth“ deklariert.

Nach Meinung vieler Autoren, zum Beispiel DUIT, ist der Ausdruck ‚Kon- zeptwechsel’ (engl.: conceptual change) unglücklich gewählt, da er assoziieren lässt, dass ein konkreter Austausch von einem Konzept durch ein anderes erstrebt wird. Ein solches didaktisches Ziel erscheint nach den heutigen Erkenntnissen aber als wenig sinnvoll, da die bereits bestehenden Konzepte erstens nicht unbedingt falsch sein müssen und sich zweitens während eines langen Adaptionsvorganges gefestigt haben und nur schwer zu eliminieren sind. Auf diese bestehenden Konzepte wird später im Kapitel 3.3 genauer eingegangen, gleichwohl soll aber an dieser Stelle bereits kurz erläutert werden, worum es sich bei ihnen handelt:

Schüler haben sich gerade im Bereich naturwissenschaftlicher Phänomene, wie zum Beispiel Energie und Brennstoffe, im Laufe ihrer Entwicklung durch alltägliche Ereignisse und Gegebenheiten ihre eigenen Deutungsmuster erstellt. Diese Deutungsmuster haben sich über Jahre hinweg in Alltagssituationen bewährt und sind, wenn auch in naturwissenschaftlicher Sicht teils fehlerhaft, auf einfacher Ebene durchaus richtig beobachtet und demnach für sie gültig. Diese über Jahre hinweg gefestigten Denkstrukturen sollten demnach nicht eliminiert werden. Vielmehr, so fordert es zum Beispiel WALTER JUNG in seinen Ausführungen von 1986, müsste Schülern durch gezielt ausgewählte Problemstellungen im Unterricht verständlich gemacht werden, dass ihre Alltagsvorstellungen in bestimmten Situationen keine ausreichende Orientie- rung mehr bieten und dass zur Deutung dieser Problemsituationen naturwissen- schaftliche Vorstellungen und Prinzipien herangezogen werden müssen [vgl. JUNG 1986]. Dieses Erschüttern der Ausgangsvorstellungen (kognitiver Konflikt) tritt auch an anderer Stelle unter dem Namen Pertubation auf und gilt als wesentlicher Mechanismus beim Lernen [vgl. FARNHAM-DIGGORY 1994]. Der Prozess des Konzeptwechsels sollte zusammengefasst nicht als ein stupides Ersetzen eines Konzeptes durch ein anderes verstanden werden. Vielmehr geht es darum, „…den Status der wissenschaftlichen Sicht Schritt für Schritt zu erhöhen, den der Alltagssicht entsprechend zu reduzieren“ [vgl. HEWSON und HEWSON 1992, DUIT 1996, S. 147].

Wie anfangs bereits erwähnt, geht die von DUIT skizzierte Theorie des Conceptual Change, wie auch jene von PIAGET, von der konstruktivistischen Sichtweise des Lernens aus. Zusammengefasst wird Lernen demnach als ein Prozess der kognitiven Entwicklung gesehen, der von bestimmten vorunter- richtlichen, also in der kognitiven Struktur bereits verankerten Vorstellungen ausgehend zur naturwissenschaftlichen Sichtweise führt [vgl. DUIT 1996].

POSNER und STRIKE, zwei der ursprünglichen Verfasser der Conceptual Change Theorie, haben ihre vorstehend skizzierte Theorie zehn Jahre nach ihrem Erscheinen einer grundlegenden Kritik unterzogen. Sie sehen diese in gewisser Weise als defizitär an, da sie sich fast ausschließlich auf die kognitiv- rationalen Aspekte des Lernens beziehe und daher zu statisch argumentiere. Affektive und soziale Aspekte würden wenig bis gar nicht berücksichtigt [vgl. DUIT 1996].

Darüber hinaus ergeben sich bei der Umsetzung dieses Konzeptwechsels einige, bereits angeschnittene Schwierigkeiten, welche in Bezug auf die anfangs bereits vorgestellten Bedingungen der Theorie darin zu sehen sind, dass dem Schüler zunächst eine Unzufriedenheit (vgl. Bedingung (1): dissatis- faction) gegenüber einer Vorstellung beigebracht werden soll, die sich im täglichem Leben über Jahre hinweg bewährt hat und tief verwurzelt ist. Weiterführend ist es im nächsten Schritt für den Lehrenden sehr schwierig die gewünschte naturwissenschaftliche Sicht so zu präsentieren, dass sie für den Schüler, entgegen seiner ursprünglichen Vorstellung, logisch verständlich (vgl. Bedingung (2): intelligible) und plausibel erscheint (vgl. Bedingung (3): plausible). Denn häufig sind die Lernenden „…nicht in der Lage, die neue Sicht zu verstehen, weil ihre vorhandenen Vorstellungen keine adäquaten Interpretationsschemata dafür liefern“ [DUIT 1996, S. 153].

Ferner, so DUIT, „..garantiert die Bedingung „logisch verständlich“ keines- wegs den Konzeptwechsel“ [DUIT 1996, S. 153], d.h. es ist sehr unwahr- scheinlich, dass der Schüler ein Konzept, welches sich über einen langen Zeitraum etabliert hat, ganz zurückschiebt und ein neues als für ihn allgemein gültig akzeptiert, wenn es ihm an einem einzigen Beispiel demonstriert wird. Die naturwissenschaftliche Sichtweise muss sich für den Schüler langfristig in vielerlei Hinsicht als logisch verständlich und plausibel erweisen. Erst dann kann er das neue Konzept vollends akzeptieren und es kann dem Lernenden gelingen „…sein Wissen zu vernetzen und eine Wissensstruktur aufzubauen, welche die Zusammenhänge der zu lernenden Thematik immer identischer widerspiegelt“ [SUMFLETH und TIEMANN 2001, S. 4].

Zu einem ähnlichen Schluss kamen bereits COLE und RAVEN 1969 bei ihrer Untersuchung über das Lernverhalten von Schülern: „The results of the study show that learning the correct principle without first learning to exclude the false principles is not as effective as learning to exclude the false principles and than learning the correct principle” [COLE und RAVEN 1969, S. 234]. Fazit: Die Conceptual Change Theorie beschäftigt sich mit einem wesentlichen Punkt des naturwissenschaftlichen Unterrichts, nämlich dem, die Lernenden von den vorunterrichtlichen Vorstellungen zu den wissenschaftlichen zu leiten. Dieser Konzeptwechsel muss nach POSNER und STRIKE in ein Bündel aus affektiven und sozialen Aspekten eingebettet sein, welche so zu gestalten sind, dass sie „…die rationalen Prozesse unterstützen, die zweifellos im Zentrum der Lehrbemühungen stehen sollten“ [DUIT 1996, S. 152].

3.3 Schülervorstellungen/ Alltagsvorstellungen

Wenn man den in Kapitel 3.2 aufgezeigten Inhalten Glauben schenken darf, so bedeutet das Lernen in den Naturwissenschaften offensichtlich ein Umlernen oder auch „Umdeuten“ [BADER 2002, S. 134], da sich vorunterrichtliche Vorstellungen und naturwissenschaftliche Vorstellungen in wesentlichen Aspekten einander konträr gegenüberzustehen scheinen. Worum es sich bei diesen vorunterrichtlichen Vorstellungen handelt und welche Rolle sie im Unterricht spielen, wird in diesem Kapitel aufgeführt und erläutert.

Ein Kennzeichen des Unterrichts, insbesondere des naturwissenschaftlichen Unterrichts, war bis vor einigen Jahrzehnten die Tatsache, dass Schüler als „unbeschriebene Blätter“ angesehen und behandelt wurden, auf die der Lehrer im Unterricht den sorgfältig präparierten Lernstoff einschreibt [vgl. JUNG 1986, BARKE und HARSCH 2001]. Diese Auffassung verwundert umso mehr wenn man bedenkt, dass F. A. W. DIESTERWEG bereits vor etwa 170 Jahren äußerte: „Ohne die Kenntnis des Standpunktes des Schülers ist keine ordentli- che Belehrung desselben möglich“ [aus: JUNG 1986, S. 100].

Weitere zahlreiche fachdidaktische Erhebungen in den letzten 20 Jahren machten deutlich, dass Schüler keinesfalls ohne jegliches Vorwissen in den Unterricht kommen und wie ein leeres Blatt bzw. im modernen Sinne wie eine leere CD beschreibbar sind. Insbesondere die elementaren naturwissenschaftli- chen Unterrichtsinhalte, wie zum Beispiel Brennstoffe und Energie, treten dem Schüler in vorunterrichtlichen Situationen, folglich im gewöhnlichen Alltag, fast täglich gegenüber. In solchen Problemsituationen entwickelt der Schüler, ganz im Sinne der konstruktivistischen Sichtweise des Lernens, eigene Denkmuster zur Lösung dieser Problematiken. Die Lösungsmuster sind für ihn logisch und plausibel, auch wenn sie mehrheitlich nicht den naturwissenschaft- lichen Ansprüchen gerecht werden. Dennoch geben sie den Lernenden über Jahre hinweg eine feste Orientierung in Alltagssituationen und sind somit tief verwurzelte Denkmuster. Und gerade aufgrund dieses langjährigen Adaptions- vorganges ist es mehr als verständlich, dass Lernende dazu neigen, solche bestehenden Vorstellungen oftmals nur zögernd aufzugeben und erfahrungs- gemäß mit ins Erwachsenenalter zu übernehmen [vgl. BADER 2002].

In früheren fachdidaktischen Ansätzen wurden vorunterrichtliche Vorstellun- gen oft als falsche Vorstellungen beschrieben [vgl. BARKE und HARSCH 2001]. Inzwischen hat man sich aber strikt von dieser Definition verabschiedet, da man erkannt hat, dass jene vorunterrichtlichen Vorstellungen nicht unbe- dingt falsch sein müssen. Das liegt in den meisten Fällen ganz am Blickwinkel des Betrachters, denn diese Vorstellungen sind im Alltag „…oft richtiger, nämlich richtungsweisender, hilfreicher, als wissenschaftliche“ [JUNG 1986, S. 101]. Und genau deshalb neigen Lernende dazu, an solchen Vorstellungen festzuhalten.

Aus diesem Grund werden solche vorunterrichtlichen Deutungsmuster heute nicht mehr als falsche Vorstellungen, sondern vornehmlich als Schülervorstellungen bzw. Alltagsvorstellungen bezeichnet. Ferner trifft man bei der Definition dieser Vorstellungen auch auf Begrifflichkeiten wie:

- lebensweltliche Vorstellungen, misconceptions [vgl. BARKE und HARSCH 2001, PFEIFER 2002]
- (Schüler-) Vorverständnis, Präkonzepte [vgl. JUNG 1986, BARKE und HARSCH 2001]
- ursprüngliche, vorwissenschaftliche Vorstellungen [vgl. BARKE und HARSCH 2001]

Diese Alltagsvorstellungen bieten, so beschreibt es BARKE, zumeist eine wesentlich einfachere, aber konkret-bildhafte logische Erklärung als die wissenschaftlichen Vorstellungen und werden vom Lernenden mit einer magisch-animistischen Denkweise umschrieben und im Gedächtnis gespeichert [vgl. BARKE und HARSCH 2001]. Was sollten Schüler beispielsweise anderes feststellen, wenn sie ohne ‚Backgroundwissen’ im Alltag mit Batterien konfrontiert werden, als: „Sie sind nach einiger Zeit „leer“ - also war darin Strom „gespeichert“, und der ist nun „verbraucht““ [JUNG 1986, S. 103]. Der Lernende erschafft sich demnach ein für ihn sehr logisches und nachvollzieh- bares Lösungsmuster.

Neben diversen anderen Autoren sehen ebenfalls WALTER JUNG und HANS JOACHIM BADER Schüler- beziehungsweise Alltagsvorstellungen als einen der wesentlichsten Gründe für Lernschwierigkeiten an. Um diese Lernschwie- rigkeiten und damit den eigentlichen Lernprozess genauer betrachten zukönnen, soll im Folgenden die Verbindung zu den unter Punkt 3.2 vorgestellten theoretischen Ausführungen der Conceptual Change Theorie geknüpft werden. Zwar gibt es, so JUNG, sicherlich weitaus mehrere Aspekte, welche die Lernschwierigkeiten von Schülern beeinflussen als die der Schüler- bzw. Alltagsvorstellungen, aber gerade die genauere Betrachtung dieses Bereichs ist unerlässlich, „…wenn man im komplexen Bedingungsgefüge von Lernschwie- rigkeiten überhaupt Fortschritte erreichen will“ [JUNG 1986, S. 100]. Unter den anderen Aspekten sind soziale Aspekte zu verstehen, wie zum Beispiel das Klassenklima und die Motivation der Schüler. Aber, wie bereits erwähnt, stehen die kognitiv-rationalen Aspekte des Lernens bei der Conceptual Change Theorie und demnach auch bei dieser Betrachtung im Vordergrund8.

Folglich erstellen sich Schüler zur Deutung naturwissenschaftlicher Phänome- ne im Alltag eigene Lösungsmuster, die für sie korrekt erscheinen und einfach verständlich sind, auch wenn sie nicht unbedingt den Ansprüchen der naturwis- senschaftlichen Betrachtungsweise gerecht werden. Begegnen den Lernenden diese Phänomene anschließend im schulischen Unterricht, so erfolgt sehr leicht das Problem der sogenannten „parallelen Denkweisen“ [BADER 2002, S. 145]. Die bedeutet, dass Schüler dazu neigen zwischen schulischem und außerschuli- schem Wissen klar zu differenzieren. Es scheint, das haben zahlreiche fachdi- daktische Untersuchungen ergeben, als sei es fast unmöglich für den Lehrer sich das Ziel zu setzen, das außerschulische Wissen zu eliminieren und durch das schulische, wissenschaftliche zu ersetzen. Im Unterricht zu beobachtende, wissenschaftliche Vorstellungen scheinen die vorwissenschaftlichen Vorstel- lungen im Lernprozess nicht direkt auszutauschen. Es entwickeln sich zeitwei- se parallele Denkweisen, Hilfskonstruktionen und Zwischenformen, die unabhängig von den wissenschaftlichen gelten.

„Das mag im Labor gelten, wir sind hier aber beim Essen!“ [BADER 2002, S. 146] - Genau dieser oftmals gehörte Satz aus dem Alltag beinhaltet genau dieses Problem der Praxisfremdheit des naturwissenschaftlichen Unterrichts. Der Schüler scheint das vorgestellte, naturwissenschaftliche Denkmuster zu verstehen, doch eigentlich akzeptiert er es nur ‚als für die Schule gültig’. Innerlich beharrt er konsequent auf seine Alltagsvorstellungen und lernt die ‚schulische Vorstellung’ lediglich auswendig. Dieser Sachverhalt spiegelt das sogenannte „Tauschwissen“ [BADER 2002, S. 151] wider, was bedeuten soll, dass naturwissenschaftliche Deutungsmuster von Schülern oftmals nur gelernt werden, um sie gegen gute Noten einzutauschen [vgl. HAUPT 1981]. Zusammengefasst unterscheidet man in der modernen, fachdidaktischen Vorstellung vom Lernen in den naturwissenschaftlichen Fächern zwei Arten von Vorstellungen: Die Schüler- bzw. Alltagsvorstellungen und die naturwis- senschaftlichen Vorstellungen. Man geht also davon aus, dass die Schüler bestehende Konzepte über naturwissenschaftliche Phänomene mit in den Unterricht bringen, welche den wissenschaftlichen Konzepten oftmals konträr gegenüberstehen.

Mittels der Conceptual Change Theorie wird nun sehr leicht deutlich, dass nicht das Unterrichtsziel, sondern der Unterrichtsprozess im Vordergrund der didaktischen Planung von Unterricht stehen sollte. „Lernen darf nicht bedeu- ten, dass Lehrstoff nur passiv, rezeptiv übernommen wird. Lehren bedeutet vielmehr anzuregen, das Verstehen zu entwickeln und versteckt vorhandene Fähigkeiten zu wecken, sie zu erkennen und zu fördern“ [PFEIFER 2002, S. 120]. Dies bedeutet, dass sich in der Tat von der Auffassung verabschiedet werden sollte, die Schülervorstellungen eliminieren und durch naturwissen- schaftliche Vorstellungen ersetzen zu können. Vielmehr müsse man versuchen, die „Kluft zwischen Gebrauchs- und Fachwissen“ [HAUPT 1981, S. 348] zu verkleinern, wenn nicht sogar zu entfernen: Der Lehrer ist demnach als eine Art Vermittler zwischen Schüler- und naturwissenschaftlichen Vorstellungen zu sehen. „Der Chemieunterricht muss eine tragende Brücke von den ursprüng- lichen Vorstellungen der Schüler zu den heute gültigen Vorstellungen schla- gen“ [BARKE und HARSCH 2001, S. 23].

Entsprechend DEWEYS Kardinalvorschrift der Pädagogik, die besagt, „dass aller Unterricht bei der Erfahrung der Kinder anzufangen hat“ [aus: PFUNDT 1975, S. 158] und unter Berücksichtigung der Ansätze der Conceptual Change Theorie, muss kenntlich gemacht werden, welche Vorstellungen Schüler von bestimmten naturwissenschaftlichen Inhalten haben. Erst wenn diese Frage beantwortet wird, kann es mit Hilfe gezielt und sorgfältig ausgesuchter Experimente und Beispiele gelingen, dem Schüler durch „emotional besetzte Gegengewichte“ [HAUPT 1981, S. 350] die Vorteile der naturwissenschaftli- chen Vorstellungen zu suggerieren.

[...]


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

3 bei Normaldruck

4 Vgl. 3.1 Die kognitive Entwicklung nach PIAGET

5 Vgl. 3.2 Die Conceptual Change Theorie

6 Vgl. 3.2 Die Conceptual Change Theorie

7 Erklärung des Wortes erfolgt im weiteren Verlauf des Textes.

8 Vgl. Punkt 3.2

Ende der Leseprobe aus 146 Seiten

Details

Titel
Brennstoffe und Energie: Empirische Erhebungen zu Schülervorstellungen und Unterrichtsvorschläge zu deren Korrektur
Hochschule
Westfälische Wilhelms-Universität Münster  (Insitut für Didaktik der Chemie)
Note
2,0
Autor
Jahr
2004
Seiten
146
Katalognummer
V53089
ISBN (eBook)
9783638486309
ISBN (Buch)
9783638708890
Dateigröße
3711 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Empirische Examensarbeit zum Thema: Schülervorstellungen und Alltagsvorstellungen im Bereich des Chemieunterrrichts der Klassen 7 bis 11.
Schlagworte
Brennstoffe, Energie, Empirische, Erhebungen, Schülervorstellungen, Unterrichtsvorschläge, Korrektur
Arbeit zitieren
Tobias Dörfler (Autor), 2004, Brennstoffe und Energie: Empirische Erhebungen zu Schülervorstellungen und Unterrichtsvorschläge zu deren Korrektur, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/53089

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