Chemiedidaktik

Wesen und Aufgaben der Chemiedidaktik

Chemiedidaktik ist die Fachdidaktik der Chemie. Sie untersucht und entwickelt, wie Chemieunterricht inhaltlich sowie methodisch-systematisch gestaltet werden kann, damit Schülerinnen und Schüler möglichst motiviert und effektiv in das Grundwissen der Chemie eingeführt werden. Im Zentrum steht, Lernende dazu anzuleiten, Stoffe, Stoffeigenschaften und Stoffumwandlungen zu entdecken, zu untersuchen und Untersuchungsergebnisse auf neue Problemstellungen anzuwenden.

Die Chemiedidaktik verknüpft die fachlichen Inhalte der Chemie logisch und präsentiert sie motivierend sowie lernzielorientiert. Sie wird im Studium an Universitäten und Hochschulen sowie in der zweiten Phase der Lehrerausbildung, dem Referendariat, in Fachseminaren an Lehrer- oder Studienseminaren vermittelt.

Zur Fachcommunity gehören unter anderem die Fachgruppe Chemieunterricht (FGCU) der Gesellschaft Deutscher Chemiker, die auf ihrer jährlichen Tagung den Friedrich-Stromeyer-Preis, den Heinrich-Roessler-Preis, den Manfred-und-Wolfgang-Flad-Preis und den Heinz-Schmidkunz-Preis verleiht. Der Lehrerverband MNU, der Deutsche Verein zur Förderung des MINT-Unterrichts, richtet sich stärker an Lehrkräfte. Die Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik ist auf fachdidaktische Forschung ausgerichtet. Eine „fachdidaktische Landkarte der Chemie“ informiert über Standorte und Schwerpunkte der fachdidaktischen Forschung und Lehre in Deutschland und angrenzenden Gebieten.

Historische Entwicklung und Grundansätze

Die Entstehung des Schulfachs Chemie ist eng mit der Entwicklung von Realschulen, Realgymnasien und Landwirtschaftsschulen verbunden. Rudolf Arendt gilt mit seinem Werk „Didaktik und Methodik des Chemieunterrichts“ von 1895 als Begründer der Chemiedidaktik. Gemeinsam mit Ferdinand Wilbrand trug er dazu bei, den Schulunterricht von der festen Stoffsystematik der Hochschulen zu lösen.

Im späten 19. Jahrhundert bildeten sich drei bis heute erkennbare Ansätze heraus:

• Der stoffsystematische Ansatz behandelt bekannte Stoffe und Stoffklassen nach dem Vorbild der universitären Lehre in einer festen Reihenfolge.

• Der synthetische Ansatz schreitet vom Einfachen zum Komplexeren fort und nutzt die chemische Reaktion als didaktische Leitlinie.

• Der analytische Ansatz behandelt Themenkreise und zerlegt kompliziertere Vorgänge in einfachere Faktoren.

Weitere naturwissenschaftlich-chemisch orientierte Impulse gingen unter anderem von Martin Wagenschein und Georg Kerschensteiner aus. Im NS-Staat dominierte eine beschreibende Stoffchemie. Nach 1945 wurde die Bedeutung des Experiments aufgewertet. 1962 beschrieb der Schweizer Hans Rudolf Christen erstmals ein Struktur-Eigenschaftskonzept. Seit etwa 1970 entstanden mit dem Ausbau der Hochschulen und Naturwissenschaften sowie dem Aufkommen der Fachdidaktiken chemiedidaktische Professuren.

Zentrale Arbeitsfelder und Inhalte

Als „Berufswissenschaft“ der Chemielehrkräfte befasst sich die Chemiedidaktik mit den Zielen und Inhalten des Chemieunterrichts für unterschiedliche Schulformen und Bildungsstufen: von der Grundschule über die Sekundarstufen I und II bis zur Berufsschule und Universität. Ein zentrales Arbeitsfeld ist die didaktische Reduktion und Elementarisierung. Dabei werden fachliche Inhalte auf das jeweilige Niveau der Lernenden übertragen und die dafür notwendigen Bedingungen berücksichtigt.

Weitere Schwerpunkte sind:

• verständliche, zeitgemäße und interessante Aufbereitung fachlicher Inhalte sowie die Auswahl geeigneter Unterrichtsverfahren;
• Planung, Durchführung, Analyse und Auswertung von Unterricht für bestimmte Adressatengruppen;
• Überprüfung der Lernergebnisse durch Lernerfolgskontrollen;
• Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten sowie sicherer Umgang mit Laborgeräten, Chemikalien und Gefahrstoffen;
• Arbeitssicherheit und Unfallverhütung im Klassenraum und im Chemielabor;
• wissenschaftliche Evaluation der Nationalen Bildungsstandards für den mittleren und höheren Schulabschluss.

Zu den fachdidaktischen Einzelaspekten gehören die Geschichte des Chemieunterrichts, das Verhältnis von Lebenswirklichkeit und Fachwissenschaft, die Fachsprache sowie die Bildung chemischer Formeln und Reaktionsgleichungen. Ebenfalls wichtig sind sprachsensibler Chemieunterricht und Fachunterricht in einer Fremd- oder Zweitsprache, Erkenntniswege und Erkenntnisgewinnung einschließlich Wissenschaftspropädeutik sowie problemorientierte Verfahren wie forschend-entwickelnder Unterricht.

Die Chemiedidaktik untersucht außerdem die Logik des Unterrichts, Artikulation, Induktion und Deduktion, empirische Verfahren sowie das Entdecken und Erschließen chemischer Grundgesetze durch Experimente und Schulversuche. Sie befasst sich mit Prinzipien der Stoffauswahl und Stoffanordnung, Unterrichtsreihen für verschiedene Jahrgangsstufen und Schulformen, chemiespezifischen Klausuren, Übungen, Tests und Abschlussprüfungen wie dem Abitur. Weitere Themen sind geschlechtsspezifische Unterschiede bei der Motivation und typische chemische Präkonzepte, also Lernendenvorstellungen oder Fehlvorstellungen.

Im Unterricht sollen die makroskopische Ebene beobachtbarer Stoffe und Vorgänge, die submikroskopische Ebene der Teilchen und die symbolische Ebene chemischer Formeln und Darstellungen unterschieden und berücksichtigt werden. Diese drei Betrachtungsebenen werden im Johnstone-Dreieck zusammengeführt. Chemische Experimente werden auch nach ihren didaktischen Funktionen, den Anforderungen an ein Schulexperiment und dem Grad ihrer Offenheit beim Experimentieren beurteilt. Sie können der Motivation und Veranschaulichung dienen, etwa als Schauversuch beim Demonstrationsexperiment „Bellender Hund“.

Bildungsstandards und Kompetenzbereiche

Das unerwartet schlechte Abschneiden deutscher Schülerinnen und Schüler in internationalen Vergleichsstudien wie PISA und TIMSS führte zu bildungspolitischen Konsequenzen. Die Kultusministerkonferenz (KMK) legte 2004 erstmals bundesweite Bildungsstandards fest. Lehrpläne wurden zu Spiralcurricula weiterentwickelt, um kumulatives Lernen zu ermöglichen; zugleich gewann der Kompetenzbegriff an Bedeutung und es wurden neue Motivationsstrategien und Unterrichtskonzepte erforscht.

Nach Weinert sind Kompetenzen „die bei Individuen verfügbaren oder durch sie erlernbaren kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmte Probleme zu lösen, sowie die damit verbundenen motivationalen, volitionalen und sozialen Bereitschaften und Fähigkeiten, um die Problemlösungen in variablen Situationen erfolgreich und verantwortungsvoll nutzen zu können“. Bildungsstandards beschreiben fachliche Kompetenzen, die Schülerinnen und Schüler bis zu einem bestimmten Zeitpunkt ihrer Schullaufbahn erreicht haben sollen. Kernbegriffe werden dabei als Basiskonzepte strukturiert.

Die KMK erarbeitete Bildungsstandards für Chemie in der Sekundarstufe I bis zum mittleren Schulabschluss und für die allgemeine Hochschulreife. Sie bilden die Grundlage der Rahmenlehrpläne der Bundesländer und schaffen trotz föderaler Bildungspolitik einen Konsens über übergeordnete Anforderungen. Ziel naturwissenschaftlicher Grundbildung, auch „scientific literacy“ genannt, ist nicht möglichst exaktes Detailwissen, sondern das Verständnis grundlegender naturwissenschaftlicher Konzepte und Prozesse in Verbindung mit Methoden der Erkenntnisgewinnung. Dadurch soll eine Grundlage für lebenslanges Lernen entstehen.

Die Standards unterscheiden vier Kompetenzbereiche in zwei Dimensionen. Fachwissen gehört zur Inhaltsdimension und umfasst konzeptbezogene Kompetenzen. Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung gehören zur Handlungsdimension und umfassen prozessbezogene Kompetenzen.

• Fachwissen beziehungsweise Sachkompetenz bedeutet die Kenntnis chemischer Phänomene, Begriffe und Gesetzmäßigkeiten sowie ihre Zuordnung zu Basiskonzepten. Ein Basiskonzept ist die strukturierte Vernetzung aufeinander bezogener Begriffe, Theorien und Modellvorstellungen, die sich aus der Systematik eines Fachs zur Beschreibung elementarer Prozesse und Phänomene historisch als relevant herausgebildet haben. Der Artikel spricht von vier Basiskonzepten, führt jedoch drei auf: das Konzept vom Aufbau und den Eigenschaften von Stoffen und Teilchen, das Konzept der chemischen Reaktion und das Energiekonzept.

• Erkenntnisgewinnung bezeichnet die Fähigkeit, experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle anzuwenden. Dazu gehören Beobachten, Vergleichen, Formulieren von Fragestellungen, Planen und Durchführen naturwissenschaftlicher Untersuchungen, Auswerten und Reflektieren, Arbeiten mit Modellen und Anwenden von Mathematik.

• Kommunikation ist die Fähigkeit, Informationen sach- und fachbezogen zu erschließen und auszutauschen. Dazu gehören der Umgang mit Fachsprache, fachtypischen Darstellungen und Argumentationsstrukturen sowie das Beschaffen, Aufbereiten und Austauschen von Informationen, Argumentieren und Reflektieren über Sprache.

• Bewertung ist die Fähigkeit, chemische Sachverhalte in unterschiedlichen Kontexten zu erkennen und zu beurteilen. Sie umfasst das multiperspektivische Bewerten von Fakten und Informationen, das Reflektieren von Handlungen und Entscheidungen, die kriteriengeleitete Meinungsbildung sowie die Reflexion von Werten und Normen. Fachliche und überfachliche Perspektiven sowie Bewertungsverfahren sollen genutzt werden, um begründete Meinungen zu bilden, auch ethisch zu entscheiden und Folgen zu reflektieren.

Kompetenzorientierte Unterrichtsplanung

Die Standards der Rahmenlehrpläne sind allgemein formuliert. Für eine konkrete Unterrichtsstunde müssen sie auf die Lerngruppe und den jeweiligen Fachinhalt zugeschnitten werden. Dabei sinkt das Abstraktionsniveau vom Bildungsstandard über den Standard im Rahmenlehrplan bis zum Lernziel der einzelnen Stunde, während konkrete Fachinhalte hinzukommen.

Kompetenzorientierung wird praktisch durch Kompetenzziele und Lernziele umgesetzt. Ein Lernziel ist die sprachliche Formulierung des gewünschten Lernergebnisses in Bezug auf einen bestimmten Inhalt. Es besteht aus einem Inhalts- und einem Verhaltensteil. Der Verhaltensteil muss operationalisiert werden, damit das erwünschte Verhalten beobachtbar ist. Dafür werden eindeutige Indikatoren und Operatoren verwendet. Operatoren sind handlungsinitiierende Verben, die angeben, welche Tätigkeit Schülerinnen und Schüler bei der Bearbeitung einer Aufgabe ausführen sollen, und die Tätigkeiten den Anforderungsbereichen zuordnen. Ein auf diese Weise formuliertes Lernziel heißt operationalisiertes Lernziel.

Groblernziele orientieren sich am Stundenthema und fassen das Stundenziel zusammen. Feinlernziele konkretisieren das Groblernziel und beziehen sich auf einen Lerngegenstand, eine Situation oder ein Verhalten. Beispiele aus dem Themenbereich Atombau sind das Beschreiben und Vergleichen der historischen Entwicklungsschritte der Atommodelle nach Dalton, Rutherford und Bohr sowie das Anwenden der Besetzungsregeln der Elektronen im Orbitalmodell an Beispielen.

Für Bewertungsprozesse wurde das WAAGE^R-Modell vorgeschlagen. Es strukturiert den Prozess in die Schritte Wahrnehmen, Analysieren, Argumentieren, Gewichten, Entscheiden und Reflektieren. Das Modell bietet einen Orientierungsrahmen für den naturwissenschaftlichen Unterricht und soll Lernende bewusst durch die einzelnen Schritte führen; abgeschlossen wird der Bewertungsprozess durch Reflexion.

Digitale Werkzeuge und Medien

Die Chemiedidaktik berücksichtigt Computeranwendungen und weitere Medien wie Modelle, Arbeitstransparente und Chemielehrbücher. Für die Einbindung digitaler Medien wird unter anderem das SAMR-Modell genannt.

Beispiele für digitale Werkzeuge sind:

• Chemix zur Erstellung experimenteller Aufbauten;
• PhET-Simulationen für interaktive Chemie-Simulationen;
• Merck PSE und Ptable als interaktive Periodensysteme;
• DeGINTU zur Erstellung von Gefährdungsbeurteilungen und ähnlichen Dokumenten;
• D-GISS, das Deutsche Gefahrstoff-Informations-System Schule.