Promotionsvorhaben

Chemie Pur
Unterrichten in der Natur

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"Vollkommen natürlich - ganz ohne Chemie!" Diese Aussage wird von der Werbebranche häufig genutzt, um den Verbrauchern ein unbedenkliches Produkt zu vermarkten. Während man der Biologie gegenüber in der Regel positiv eingestellt ist, werden chemische Inhalte von den meisten Menschen abgelehnt. Ein Grund ist vor allem die negative Erinnerung an den schulischen Chemieunterricht. Chemische Kontexte gelten als alltagsfern, künstlich oder abstrakt. Doch „Chemie ist Leben“, die Natur ist voll von Stoffen und chemischen Prozessen. Insbesondere umweltchemische Aspekte beinhalten ein komplexes Zusammenspiel zahlreicher Einflussfaktoren, dessen Auswirkungen sich jedoch häufig sehr gut beobachten lassen. Hier liefert die natürliche Umgebung das ideale Anschauungsmaterial. Ein Grund mehr, um in die Natur zu gehen und chemische Phänomene zu entdecken und zu verstehen.

Ausgangslage
In der evolutionsbiologischen Entwicklungsgeschichte der Menschheit spielt die Natur schon immer eine besondere Rolle. Die meiste Zeit war der Mensch unmittelbar der Natur ausgesetzt. Wird die phylogenetische Entwicklung in den Lebenszyklus eines 70 Jahre alten Menschen projiziert, hat dieser erst einen Tag seines gesamten Lebens in der technischen Zivilisation gelebt [1]. Laut DRIVER & GREENE (1977) hat sich daraus ein angeborenes Bedürfnis entwickelt, Erfahrungen mit der Natur zu machen [2]. Diese Erlebnisse können das grundlegende aber gegensätzliche Verlangen des Menschen nach Vertrautheit und Erforschung [3] bedienen. Vor allem Kinder zwischen fünf und zwölf Jahren haben eine innige Beziehung zur Natur, die für eine gesunde seelische Entwicklung wichtig ist [4]. Dieses kindliche Naturbedürfnis schlägt sich in der psychologischen Glücksforschung nieder: Kinder die häufig draußen herumtoben, sind glücklicher und seltener traurig, besonders wenn sie mehr anregende Umgebung im Freien registrieren [5]. Kinder und Jugendliche fordern Natur jedoch nicht nur in ihrer Freizeit, sondern auch im schulischen Alltag. In einer qualitativen Studie von QUINT (1990) wurden von Schüler/inne/n der siebten bis zehnten Jahrgangsstufe selbst gemalte Bilder ihrer Wunschschule ausgewertet [6]: „Der Wunsch nach Grün, nach Blumen, Wasser, Tieren und Wildnis bleibt bei vielen Entwürfen nicht auf die Außenanlage beschränkt, sondern wird in Form von Dschungelräumen, Früchtezimmern und Riesenpflanzen in die Schulräume selbst mit hinein genommen.“
Diesen Wunsch greift das Projekt „Chemie Pur – Unterrichten in der Natur“ auf und verlegt Teile des Chemieunterricht nach draußen in die Natur. „Chemie Pur“ zielt darauf ab, die Basiskonzepte des Chemieunterrichts in der Natur mit direkt vor Ort gewonnenen Stoffen zu erarbeiten. Mit „Chemie Pur“ wird ein innovatives und neues Konzept für den Chemieunterricht entwickelt. Das Konzept bringt die von Schüler/inne/n häufig als abstrakt und komplex empfundene Inhalte des Chemieunterrichts mit alltäglichen und naturnahen Phänomenen in Einklang. Das Projekt „Chemie Pur – Unterrichten in der Natur“ orientiert sich an folgenden Kriterien [7]:
•    Experimente außerhalb des Klassenzimmers („Die Natur ist mein Labor“)
•    Reaktionen von vor Ort gewonnenen Naturstoffen mit möglichst wenig Laborgeräten und -chemikalien
•    Umweltprozesse, die am konkreten Anschauungsobjekt erklärt werden
•    Inhaltliche Orientierung an den Basiskonzepten
•    Einsatz digitaler Medien (z.B. GPS Geräte, Lernmodule auf Tablet-PCs)
„Chemie Pur“ erhofft sich davon ein gesteigertes Fachinteresse und ein erhöhtes Umweltbewusstsein, als im herkömmlichen Chemieunterricht. Denn Naturerfahrungen sind die Bedingung der Genese von umweltbewusster Einstellung und Handlungsbereitschaften [8]. Dieses Konzept gibt es für den Chemieunterricht bisher nur in Ansätzen [9]. Dabei finden chemische Prozesse überall statt, nicht nur im schulischen Chemiesaal! Insbesondere die natürliche Umgebung bietet ideales Anschauungsmaterial [10, 11], um Schüler/inne/n für chemische Prozesse zu motivieren. Was also spricht dagegen, ausgewählte Einheiten des Chemieunterrichts direkt in der Natur durchzuführen?
Forschungsfragen & Hypothesen
(1)    Welche Möglichkeiten und Grenzen weist das Unterrichten von Chemie in der Natur auf?
(2)    Wie wirkt sich Chemieunterricht im Freiland auf das Image des Fachs und auf die Naturverbundeheit von Schüler/inne/n der Sekundarstufe II aus?
H1: Das Image des Fachs Chemie wird verbessert (Motivation, Interesse, Selbstkonzept und Einstellung).
H2: Die Naturverbundenheit (Umwelteinstellung, Umweltverhalten, Connectedness to nature) nimmt zu.

Design & Methoden
„Chemie Pur“ ist sowohl konzeptionell mit starkem Bezug zur Unterrichtspraxis (Teil 1) als auch empirisch grundlagenorientiert (Teil 2) ausgerichtet.
Teil 1: Qualitative Untersuchung
Der erste Teil orientiert sich am Paradigma der Fachdidaktischen Entwicklungsforschung. Mit dem Begriff „Entwicklungsforschung“ werden Forschungskonzeptionen charakterisiert, in denen im Forschungsprozess sowohl relevante Entwicklungsprodukte für den jeweiligen Fachunterricht erzeugt als auch wissenschaftliche Theorien über das Lehren und Lernen eines spezifischen Lerngegenstandes weiterentwickelt werden [12]. Ziel dieser unterrichtsnahen Vorgehensweise ist es, die oft beklagte Lücke zwischen Theorie und Praxis zu schließen.
Um Forschungsfrage (1) beantworten zu können, werden zu ausgewählten Themen des Lehr-plans mehrere „Chemie Pur“-Lerneinheiten konzipiert und mit Schüler/inne/n der Sekundarstufe II und Lehrer/inne/n auf ihre Durchführbarkeit evaluiert.
•    Problemzentrierte Leitfrageninterviews mit Schüler/inne/n und Lehrer/inne/n
•    Videoanalyse mit Schüler/innen bei der Durchführung der Lerneinheiten
Als Plattform für das Projekt steht ein ehemaliger Holz-Zirkuswagen zur Verfügung, der zu einem mobilen Umwelt-Freiland-Schülerlabor umgebaut wurde. Das Schülerlabor „Freilandmobil“ dient als Ausgangspunkt für Lerneinheiten in der Natur. Diese werden exemplarisch an der Lerneinheit „Chemie der Rosengewächse“ mit dem Basiskonzept „Chemische Reaktion“ skizziert:
1)    Extraktion von cyanogenen Glycosiden aus Lorbeerkirsche (Hydrolyse)
2)    Extraktion von Eisen-Ionen aus Boden und Nachweis durch Färbung mit Lorbeerkirsch-Extrakt (Komplexbildungsreaktion)
3)    Extraktion von Ascorbinsäure aus Hagebutten und Entfärben des Komplexes mit Hagebutten-Extrakt (Redox-Reaktion)
Teil 2: Quantitative Untersuchung
Im zweiten Teil meines Promotionsvorhabens wird eine Interventionsstudie mit Pre- Post- und Follow-Up Datenerhebungen durchgeführt [13]. Die Untersuchung erfolgt Hypothesen geleitet (H1&2).
Auf der Basis der evaluierten „Chemie Pur“-Lerneinheiten wird Forschungsfrage (2) geklärt. Die Probanden aus mehreren Grund- und Leistungskursen der Sekundarstufe II werden an den Campus eingeladen, um im Zeitraum von zwei Monaten sechs „Chemie Pur“-Lerneinheiten durchzüführen.
•    H1: Fragebogen mit Items zum Image des Fachs Chemie (Motivation, Interesse, Selbstkonzept und Einstellung zur Wissenschaft Chemie)
•    H2: Fragebogen mit Items zur Naturverbundenheit (Umwelteinstellung, Umweltverhalten, Umweltwissen, Connectedness to nature, Einstellung zur Natur)
Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung und Evaluation von best-practice-Ansätzen naturwissenschaftlicher Lernsituationen. Die Ergebnisse unterstützen Lehrkräfte an Schulen und werden in die fachdidaktische Ausbildung der naturwissenschaftlichen Fächer implementiert.

Zeitplan
Mai 2013 – Mai 2014: Aufbau des Schülerlabors „Freilandmobil“ (Restauration, Einrichtung, Stellplatz, Anschlüsse, uvm.), Literaturrecherche zu naturnahen Experimenten
Januar 2014 – Juni 2014: Konzeption von zwei „Chemie Pur-Lerneinheiten“ für die gymnasiale Oberstufe
März 2014: Präsentation des „Freilandmobils“ auf der Schülerlabor-Tagung „Lernort Labor“
Mai 2014: Einsatz des Freilandmobils auf dem Tag zur Nachhaltigkeit
Juni 2014: Durchführung und Evaluierung einer Projektwoche für das Otto-Hahn-Gymnasium mit Chemielehramts-Studierenden im Rahmen des Seminars „Projekt Umweltchemie“
Juli 2014: Pilotierung der „Chemie Pur-Lerneinheiten“ mit Schüler/inne/n und Lehrer/innen/n des Max-Slevogt-Gymnasiums in den Klassen 11 & 12
August 2014: Publikation einer „Chemie Pur-Lerneinheit“ in der fachdidaktischen Zeitschrift Naturwissenschaften im Unterricht Chemie, Heft 144 (Chemie & Natur)
Aug. 2014 – April. 2015: Konzeption von weiteren „Chemie Pur-Lerneinheiten“ für die gymnasiale Oberstufe
Sep. 2014: Präsentation der „Chemie Pur-Lerneinheiten“ auf der GDCh-Tagung (Experimentalvortrag) und GDCP-Tagung (Poster)
April 2015 – Okt. 2015: Einsatz des Freilandmobils auf der Landesgartenschau Landau im Rahmen des Grünen Klassenzimmers
Mai 2015 – Juli 2015: Interventionsstudie mit Pre- Post- und Follow-Up Datenerhebungen
Aug. 2015 – Sep. 2015: Statistische Auswertung und Darstellung der Studienergebnisse
Sep. 2015: Präsentation der Ergebnisse auf der GDCh-Tagung (Diskussionsvortrag)
Okt. 2015: Durchführung der Lehrerfortbildung „Chemie Pur – Unterrichten in der Natur“
Nov. 2015: Präsentation der Ergebnisse auf der GDCP-Doktoranden-Tagung
Nov. 2015 – Mai 2016: Publikation der Ergebnisse in fachdidaktischen Zeitschriften (z.B. CHEMKON, Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften), Anfertigen der Dissertation

Literaturverzeichnis
[1]    GEBHARD, U. 1994: Kind und Natur. Die Bedeutung der Natur für die psychologische Entwick-lung. Westdeutscher Verlag, Opladen.
[2]    DRIVER, B. L. & GREENE, P. 1977: Man’s Nature: Innate Determinations of Response to Natural Environments. – In NORTHEASTERN FOREST EXPERIMENT STATION (Hrsg.), Children, Nature, and the Urban Environment: Proceedings of a Symposium-Fair. USDA Forest Service General Technical Report NE-30: 63-70; Washington.
[3]    KAPLAN, R. & KAPLAN, S. 1989: The Experience of Nature. – A psychological perspective. Uni-versity Press, Cambridge.
[4]    HARD, G. 1982: Wildlands for Children: Consideration of the value of natural environments in landscape planning. Landschaft und Stadt 14: 34-39; Stuttgart.
[5]    BUCHER, A. 2009: Wie erleben Kinder Glück? Ergebnisse einer tiefenpsychologischen Studie des ZDF. – In M. SCHÄCHTER (Hrsg.), Wunschlos glücklich? Konzepte und Rahmenbedingungen einer glücklichen Kindheit. Tabaluga tivi-Glückskongress in Mainz 2007: 94 ff.; Baden-Baden.
[6]    QUINT, R. 1990: Raumerleben und Raumutopie. Ökologische Überlegungen zu den Entwürfen schulischer Wunschräume. Peter Lang Verlag, Frankfurt.
[7]    ENGL, A. & RISCH, B. 2014: Chemie Pur: Unterrichten im Freiland mit Naturstoffen. Eine interaktiv experimentelle Bodenrallye. Naturwissenschaften im Unterricht Chemie. 144(6), 34-37; Seelze.
[8]    LANGEHEINE, R. & LEHMANN, J. 1986: Die Bedeutung der Erziehung für das Umweltbewusst-sein. IPN, Kiel.
[9]    SPITZER, P. & GRÖGER, M. 2013: Chemie in naturnaher Umgebung und naturbezogenen Kon-texten schon im Sachunterricht. – In S. BERNHOLT (Hrsg.), Inquiry-based Learning - Forschen-des Lernen. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Hannover 2012: 546-548; Kiel.
[10]    SCHWEDT, G. 2007: Chemie für alle Jahreszeiten. Einfache Experimente mit pflanzlichen Na-turstoffen. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
[11]    GLÖCKNER, W., JANSEN, W. & WEIßENHORN, R. G. (Hrsg.) 2013: Handbuch der experimentellen Chemie Sekundarbereich II Band 11/I: Biochemie I: Naturstoffe. Aulis Verlag, Hallbergmoos.
[12]    PREDIGER, S., LINK, M., HINZ, R., HUßMANN, S., RALLE, B. & THIELE, J. 2012: Lehr-Lern¬prozesse initiieren und erforschen – Fachdidaktische Entwicklungsforschung im Dortmunder Modell. Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht. 65(8): 452-457; Neuss.
[13]    KRÜGER, D., PARCHMANN, I. & SCHECKER, H. (Hrsg.) 2014: Methoden in der naturwissenschafts-didaktischen Forschung. Springer Spektrum Verlag, Heidelberg.