Johnstone-Dreieck

Grundidee des Johnstone-Dreiecks

Das Johnstone-Dreieck, auch Chemisches Dreieck genannt, beschreibt die Natur der Chemie als Zusammenspiel von drei Denk- und Repräsentationsebenen. Es macht sichtbar, dass chemische Sachverhalte auf unterschiedliche, aber miteinander verbundene Weisen betrachtet werden können. Keine Ebene ist der anderen überlegen; jede ergänzt die anderen. Das Modell geht auf Alex H. Johnstone zurück und stellt die drei Ebenen als Positionen in einem gleichseitigen Dreieck dar.

Die drei Ebenen sind:

• Die makroskopische Ebene umfasst das Greifbare und Beobachtbare, also das, was man sehen, fühlen und riechen kann. Dazu gehören beispielsweise Stoffeigenschaften und beobachtbare Vorgänge.
• Die submikroskopische Ebene beschreibt die nicht unmittelbar wahrnehmbaren Teilchen und Strukturen, insbesondere Atome, Moleküle und Ionen.
• Die symbolische Ebene verwendet die Darstellungssprache der Chemie. Dazu gehören Symbole, Formeln, Reaktionsgleichungen, Stöchiometrie, mathematische Rechnungen, Tabellen und Graphen.

Die Chemie verbindet somit Beobachtungen mit Vorstellungen über Teilchen und mit symbolischen oder mathematischen Darstellungen. Ähnliche Dreiecksmodelle gibt es auch in anderen Wissenschaften, beispielsweise das E-I-S-Schema nach Brunner in der Mathematikdidaktik.

Bedeutung für das Lernen

Viele Erfahrungen, aus denen Menschen ihre Vorstellungen bilden, sind makroskopisch. Chemische Erklärungen reichen jedoch häufig über das unmittelbar Wahrnehmbare hinaus. Um Stoffverhalten und chemische Konzepte zu verstehen, müssen Lernende auf die submikroskopische Ebene wechseln und Vorgänge auf der Teilchenebene deuten. Anschließend werden diese Vorstellungen häufig in der symbolischen Sprache der Chemie festgehalten.

Dieser Wechsel ist eine Stärke der Chemie, kann das Lernen aber erschweren. Johnstone beschreibt außerdem Grenzen des Arbeitsgedächtnisses: In einem bestimmten Zeitraum kann nur eine begrenzte Menge an Informationen verarbeitet werden. Wenn Lernende gleichzeitig ein Informationspaket aufnehmen sollen, das die makroskopische, submikroskopische und symbolische Ebene umfasst, können sie nicht alle Informationen angemessen erfassen. Das kann zu Überforderung und Fehlvorstellungen führen. Erfahrene Personen können meist mit allen drei Ebenen gleichzeitig umgehen; Lernenden fehlt dafür häufig noch die notwendige Erfahrung.

Chemische Konzepte sollten deshalb in Übereinstimmung mit den Fähigkeiten der Lernenden vermittelt werden. Der Unterricht sollte bei interessanten und vertrauten Dingen ansetzen, an die neues Wissen im Langzeitgedächtnis angeknüpft werden kann. Neue Konzepte sollen möglichst konkret und anschaulich eingeführt werden. Eine zentrale Schwierigkeit besteht darin, dass im Unterricht oft die abstrakteste, symbolische Ebene dominiert. Zusätzlich wechseln Lehrkräfte manchmal unbewusst zwischen den Ebenen. Dadurch können die Lernenden die Beziehungen zwischen den Ebenen nicht herstellen und erhalten ein fragmentiertes Bild der Chemie.

Didaktischer Umgang mit den drei Ebenen

Ein makroskopisch beobachtbarer Vorgang kann auf der submikroskopischen Ebene erklärt und auf der symbolischen Ebene dargestellt werden. Die Ebenen sind daher komplementär miteinander verbunden. Für einzelne Formulierungen, Erklärungen, Abbildungen oder Teilchenanimationen ist es sinnvoll, jeweils eine Ebene in den Mittelpunkt zu stellen und die Ebenen möglichst wenig zu vermischen. Insgesamt müssen sie jedoch bewusst miteinander in Beziehung gesetzt werden. Lernende sollen wiederholt zwischen den Ebenen übersetzen und erkennen, auf welcher Ebene eine Aussage gemacht wird.

Eine Vermischung kann fachlich unscharf sein. In der Aussage „Kupfer nimmt Elektronen auf“ steht Kupfer für einen makroskopisch beobachtbaren Stoff, während Elektronen zur submikroskopischen Ebene gehören. Auch Abbildungen zu Aggregatzuständen können Ebenen vermischen, wenn Teilchendarstellungen mit Pfeilen und Begriffen wie „Schmelzen“ oder „Erstarren“ verbunden werden. Daraus können Fehlvorstellungen entstehen, etwa „das ganze Kupferblech gibt Elektronen ab“ oder „Wasserteilchen schmelzen, wenn sie flüssig werden“.

Barke folgert, dass es ein großer Fehler ist, im Chemieunterricht unmittelbar von der makroskopischen auf die symbolische Ebene zu wechseln, ohne die submikroskopische Ebene zur Veranschaulichung zu nutzen. Der Übergang kann zunächst durch konkrete Modelle, Simulationen oder Animationen unterstützt werden. Bei ersten experimentellen Beobachtungen sollten zunächst konkrete Modelle verwendet und chemische Symbole gegebenenfalls weggelassen werden. Die Behandlung eines Inhalts auf allen drei Ebenen gilt als vorteilhaft für den Lernerfolg. Das bewusste Zusammenführen zu einem einheitlichen Bild soll an geeigneten Beispielen wiederholt geübt werden.

Typische Beispiele und Zuordnungen

Die makroskopische Ebene umfasst beobachtbare Stoffeigenschaften. Auf der submikroskopischen Ebene werden diese mithilfe theoretischer Konstrukte qualitativ erklärt; auf der symbolischen Ebene können sie beispielsweise durch eine Reaktionsgleichung quantitativ erfasst werden.

Beim Lösen von Salz in Wasser sind auf der makroskopischen Ebene die Salzkristalle nicht mehr sichtbar. Auf der submikroskopischen Ebene wird der Vorgang dadurch erklärt, dass das Salz in einem regelmäßigen Ionengitter vorliegt und Ionen durch starke elektrostatische Wechselwirkungen mit Wassermolekülen aus dem Gitter entfernt und in die Lösung gebracht werden. Symbolisch wird der Vorgang dargestellt als:

NaCl (s) → Na⁺ (aq) + Cl⁻ (aq)

Ein weiteres Beispiel ist die Reaktion eines Gemischs aus Sauerstoff und Wasserstoff. Makroskopisch explodiert das Gemisch. Submikroskopisch reagieren Sauerstoffmoleküle mit Wasserstoffmolekülen zu Wassermolekülen in einer exothermen Reaktion. Die symbolische Darstellung lautet:

O₂ (g) + 2 H₂ (g) → 2 H₂O (g); ΔH < 0

Auch Fachbegriffe lassen sich einer Ebene zuordnen. Zur makroskopischen Ebene gehören beispielsweise Aggregatzustand, Konzentration, pH-Wert, Leitfähigkeit, Reduktionsmittel, Schmelzpunkt und Farbe. Zur submikroskopischen Ebene gehören unter anderem Polarität, Protonendonator, Elektrophil, Atomradius, Ionisierungsenergie und Elektronegativität.

Entstehung und Erweiterungen

Das Konzept entstand 1991 vor dem Hintergrund eines Umbruchs in der naturwissenschaftlichen Bildung der 1960er Jahre. Zuvor wurden in der Schulchemie festgelegte Inhalte meist getrennt behandelt. Man beschäftigte sich mit Herstellung und Eigenschaften von Stoffen, vor allem mit makroskopischen Stoffeigenschaften, ohne systematisch nach übergreifenden Mustern und Zusammenhängen zu suchen. Nach dem Umbruch rückten verbindende Konzepte, universelle Muster und Erklärungen für Vorgänge jenseits der unmittelbaren Wahrnehmung stärker in den Mittelpunkt. Dazu gehören beispielsweise Elektronen, Bindungsenergien, Photonen, Strukturen und Moleküle.

Johnstone weist darauf hin, dass Lehrkräfte das Dreieck bei einer Erklärung sehr schnell durchqueren können, während Lernende möglicherweise bei der makroskopischen Beobachtung stehen bleiben. Werden Durchführung, technische Anwendung und Beobachtung eines Experiments gleichzeitig verlangt oder werden die drei Ebenen grob vermischt, kann das Arbeitsgedächtnis überlastet werden. Der schnelle Wechsel zwischen den Ebenen ist eine erlernte Fähigkeit. Nicht immer ist der Lehrkraft bewusst, welche Anforderungen dieser Wechsel an Lernende stellt. Chemie muss nicht immer alle drei Ebenen gleichzeitig behandeln; die klassische Thermodynamik arbeitete beispielsweise mit der makroskopischen und der symbolischen Ebene.

Das Modell wurde durch verschiedene Ansätze erweitert oder neu interpretiert. Peter Mahaffy ergänzte die Ebene „human element“, die als „lebensweltliche Komponente“ übersetzt werden kann. Dadurch wird das Dreieck zu einem chemischen Tetraeder. Die zusätzliche Ebene beschreibt menschliche Kontexte des chemischen Lernens und soll den Bezug zur Lebenswelt der Lernenden stärken.

Jan-Bernd Haas bezeichnete die Ebenen in seinem „chem⁝LEVEL-Dreieck“ als Beobachtungsebene, Vorstellungsebene und Symbolebene. Er versteht sie als Kommunikationsebenen und ordnet jeder eine spezifische Fachsprache zu. Beim Lösen von Natriumchlorid lautet die Beschreibung beispielsweise: Nach Zugabe und Umrühren sind keine Salzkristalle mehr sichtbar; Ionen im Ionengitter werden durch starke elektrostatische Wechselwirkungen mit Wassermolekülen aus dem Ionengitter entfernt; anschließend wird der Vorgang mit NaCl (s) → Na⁺ (aq) + Cl⁻ (aq) symbolisiert.

Josef Leisen formulierte für den mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht fünf Darstellungsebenen: die gegenständliche Ebene mit Gegenständen, Experimenten und Handlungen, die bildliche Ebene, die sprachliche Ebene, die symbolische Ebene mit Strukturdiagrammen, Flussdiagrammen, Schaubildern und Tabellen sowie die mathematische Ebene als abstrakteste Symbolisierung, etwa durch mathematische Ausdrücke.