Chemisches Präkonzept

Begriff und Entstehung

Chemische Präkonzepte, auch Schülervorstellungen oder Lernendenvorstellungen genannt, sind Vorstellungen, mit denen Lernende Phänomene aus dem Bereich der Chemie erklären. Sie entstehen im Laufe des Lebens und Lernens und haben sich zur Erklärung der persönlichen Lebenswelt bewährt. Meist stimmen sie jedoch nicht mit der naturwissenschaftlichen Sichtweise überein und werden deshalb auch Fehlvorstellungen genannt. Sie können unterschiedlich ausgeprägt, klar und vollständig sein. Häufig sind sie über längere Zeit stabil, manchmal entstehen sie aber auch spontan in einer bestimmten Situation.

Lernende beginnen den Chemieunterricht nicht als unbeschriebenes Blatt. Schon Kinder entwickeln aus Beobachtungen ihrer Umwelt und aus dem Umgang mit Materialien und Stoffen eigene Erklärungen. Auch die Alltagssprache kann Präkonzepte fördern, etwa durch Aussagen wie „Das Feuer vernichtet Gegenstände“, „Das Wasser verdunstet und ist weg“, „Die Säure greift das Metall an“ oder „Fettflecken werden entfernt und das Fett verschwindet“. Missverständliche Abbildungen in Büchern und anderen Medien können solche Vorstellungen ebenfalls entstehen lassen oder verstärken. Durch weitere Erfahrungen werden die Vorstellungen angepasst, zugleich aber oft gefestigt.

Chemische Präkonzepte wurden vor allem bei Schülerinnen und Schülern untersucht. Sie treten jedoch auch bei Studierenden auf. Für Lehrpersonen an Schulen und Hochschulen ist es deshalb wichtig, typische Präkonzepte zu kennen, sie bei der Unterrichtsplanung zu berücksichtigen und ausdrücklich zu thematisieren.

Stoffe und Teilchen

Ein wichtiges Präkonzept ist die Vorstellung, dass bei einer chemischen Reaktion kein neuer Stoff entsteht, sondern nur neue Eigenschaften des Ausgangsstoffs. Sichtbare Veränderungen werden dann beispielsweise so erklärt: „Das Kupferdach wird grün“, „Das Silber läuft schwarz an“, „Das Eisen rostet“ oder „Die Lösung färbt sich blau“. Die Lernenden nehmen an, der ursprüngliche Stoff bleibe erhalten und verändere nur sein Aussehen. Experimente können diese Vorstellung widerlegen.

Eine verwandte Fehlvorstellung besteht darin, makroskopische Stoffeigenschaften auf submikroskopische Teilchen zu übertragen. Makroskopisch bedeutet auf der direkt beobachtbaren Ebene; submikroskopisch bezeichnet die Ebene der Teilchen. So werden etwa Eisenatome als hart, Bleiatome als eher weich und Schwefelatome als gelb beschrieben.

Beim Aufbau der Materie fällt vielen Lernenden zunächst die Kontinuumshypothese leichter. Sie stellen sich Materie als durchgehend und unendlich teilbar vor. Demgegenüber beschreibt die Teilchenvorstellung, also der diskontinuierliche Aufbau, Materie als aus kleinsten Teilchen aufgebaut. Obwohl Lernende die Teilchenvorstellung später meist leicht akzeptieren, vermischen Darstellungen oft beide Ebenen. In einer Darstellung der Wasserverdunstung können beispielsweise Wassermoleküle in einer Flüssigkeit „schwimmen“, während der Rand des Gefäßes kontinuierlich erscheint.

Mit dieser Schwierigkeit hängt der sogenannte Horror vacui zusammen, lateinisch „Scheu vor der Leere“. Gemeint ist, dass sich Lernende keinen leeren Raum zwischen Teilchen vorstellen können. Untersuchungen in den USA und in Deutschland zeigten, dass die meisten Schülerinnen und Schüler beziehungsweise Studierenden bei Gasen annehmen, zwischen den Gasteilchen befinde sich Luft oder andere Materie. Beim Verdampfen von Butan wurde beispielsweise die Vorstellung geäußert, zwischen den Butanteilchen müsse Luft sein.

Mischung und Erhaltung der Materie

Das Mischungskonzept ist die Vorstellung, chemische Verbindungen seien lediglich Mischungen ihrer Elemente. Stoffe würden bei einer Reaktion nur vermischt und könnten anschließend einfach wieder entmischt werden. Dabei wird übersehen, dass Stoffe miteinander reagieren, chemische Bindungen eingehen und ein anderer Stoff entsteht.

Eine falsche oder unsaubere Fachsprache sowie die unreflektierte Verwendung von Modellen können diese Vorstellung fördern. Das Teilchenmodell für die Reaktion von Kupferatomen mit Schwefelatomen zu Kupfersulfid könnte beispielsweise als reine heterogene Mischung der beiden Edukte verstanden werden. Präzise Formulierungen helfen, diesen Fehler zu vermeiden: Kupfersulfid enthält nicht einfach nur Kupfer und Schwefel, sondern ist eine Verbindung aus den Elementen beziehungsweise besteht aus Kupferionen und Sulfidionen. Wasser besteht nicht bloß aus Wasserstoff und Sauerstoff; vielmehr liegen zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom im Wassermolekül chemisch gebunden vor.

Das Vernichtungskonzept beschreibt die Vorstellung, chemische Reaktionen oder physikalische Prozesse wie Aggregatzustandsänderungen könnten Materie vernichten. Alltagserfahrungen scheinen dies zu bestätigen: Spiritus oder Benzin verbrennen vollständig, Kerzen brennen ab, Feuer vernichtet Gegenstände, Rost „frisst“ Eisen auf, Wasser oder Aceton verdunsten, Metalle verschwinden durch Säuren und Fettflecken lassen sich entfernen.

Die Produkte oder Ergebnisse sind oft nicht unmittelbar sichtbar. Beim Verbrennen von Kerzen, Spiritus und Benzin entstehen unter anderem Kohlenstoffdioxid und Wasser, die gasförmig vorliegen. Beim Verdunsten wechselt Wasser oder Aceton vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Zink reagiert mit Salzsäure zu Wasserstoffgas und zu gelöstem Zinkchlorid in der Lösung; beides ist mit den Augen nicht ohne Weiteres wahrnehmbar. Die Teilchen sind jedoch weiterhin vorhanden und werden nur umgruppiert oder befinden sich in einem anderen Zustand. Der Massenerhaltungssatz und die Vorgänge auf der submikroskopischen Ebene, etwa im Johnstone-Dreieck, können helfen, das Vernichtungskonzept zu widerlegen.

Energie und hausgemachte Vorstellungen

Beim Energiekonzept fehlt die Vorstellung des Energieerhaltungssatzes. Lernende behandeln Energie dann wie eine Materie oder wie eine Eigenschaft von Stoffen, die entstehen, übertragen und vergehen kann. Die Alltagssprache trägt dazu bei, wenn Energie als etwas bezeichnet wird, das „verbraucht“, „erzeugt“ oder „gespart“ wird oder „erneuerbar“, „sauber“, „grün“ beziehungsweise „schmutzig“ ist. Dadurch kann der Eindruck entstehen, Energie sei ein Material, das produziert und verbraucht wird.

Naturwissenschaftlich wird Energie nicht erzeugt oder vernichtet, sondern umgewandelt. Bei einer exothermen Reaktion kann beispielsweise chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden. Experimente können diese Vorstellung veranschaulichen.

Hausgemachte Präkonzepte werden von Lehrpersonen selbst hervorgerufen. Ursachen können der unreflektierte Einsatz von Modellen oder Veränderungen wissenschaftlicher Konzepte im Unterricht sein, die nicht ausdrücklich besprochen werden. Als Beispiel nennt der Artikel die Erweiterung des Oxidationsbegriffs von Sauerstoffaufnahme zu Elektronenabgabe.

Umgang und theoretischer Rahmen

Für einen Unterricht, der chemische Präkonzepte berücksichtigt, werden vier allgemeine Prinzipien genannt:

• Die Perspektive der Lernenden soll berücksichtigt und ernst genommen werden.
• Die Präkonzepte der Lernenden sollen beachtet werden.
• Eine aktive Auseinandersetzung mit einem Problem oder Thema soll angeregt werden.
• Die Lernenden sollen über ihr eigenes Wissen und ihren Lernprozess reflektieren.

Theoretisch werden Präkonzepte unter anderem durch die Theorie des Konzeptwandels erklärt, insbesondere durch den Rahmentheorieansatz von Stella Vosniadou und den Kategorisierungsansatz von Michelene Chi. Nach dem Rahmentheorieansatz interpretieren Lernende neue Informationen auf Grundlage ihres Vorwissens. Aufgrund ihrer Erfahrungen verfügen sie über Erklärungssysteme, mit denen sie neue Informationen deuten. Diese Rahmentheorien haben sich durch ständige Anwendung und Erweiterung im Alltag bewährt und sind stark vernetzt. Laut Vosniadou umfassen sie ontologische und epistemologische Überzeugungen.

Der Kategorisierungsansatz geht davon aus, dass Lernende Konzepte meist den Kategorien Dinge, Prozesse oder mentale Zustände zuordnen. Diese Zuordnung stimmt häufig nicht mit der wissenschaftlichen Einordnung überein; deshalb wird ein Konzeptwandel erforderlich. Rahmentheorien und abweichende Kategorisierungen können bei der Interpretation wissenschaftlicher Informationen einen kognitiven Konflikt auslösen. Die Vermischung makroskopischer und submikroskopischer Ebenen, etwa die Vorstellung von „gelben Schwefelatomen“, kann dabei als falsche Kategorisierung verstanden werden.