Förderung der Modellbildungskompetenz im Chemieunterricht durch Anwendung eines Modellierungsprozesses unter Integration von Differenzierungs- und Digitalisierungsaspekten

Abstract

In dieser Dissertation wird eine Fördereinheit für die Modellbildungskompetenz (MBK) von Schüler*innen im Chemieunterricht entwickelt und interdisziplinär evaluiert. Da es für die Chemie nur wenige evaluierte Ansätze gibt, die sich, wie z.B. bei Feige et al. (2012) oder Koch et al. (2015) an Modellierungsprozessen orientieren, werden zunächst im Rahmen einer Befragung zwei Modellierungsprozesse aus der Mathematik und Biologie vorgestellt und von Expert*innen aus der Chemiedidaktik auf ihre Passung für die Chemie hin bewertet. Auf dieser Grundlage wird ein fusionierter Modellbildungskreislauf für die Chemie entwickelt, woraus eine Lerneinheit im Umfang von vier Stunden zum Thema „Gesetz der Erhaltung der Masse“ für den chemischen Anfangsunterricht entwickelt wird. Die Wirksamkeit der Einheit wird in einem 2-Gruppen-Design mit Messwiederholung beurteilt. Dabei zeigt sich, dass es bei allen teilnehmenden Schüler*innen zu einem Zuwachs an MBK und Fachwissen gekommen ist. In einer anschließenden Studie wird die Lerneinheit als interaktive Präsentation digital angereichert. In einem 2x2-Design mit Messwiederholung unterscheidet sich die Art der digitalen Modelldarstellung zwischen statisch und dynamisch sowie die Art der Differenzierung in ihrem inhaltlichen Bezug (Fachwissen oder MBK). Es konnten hierfür keine Interaktionseffekte gemessen werden. Allerdings zeigt sich, dass für die MBK inhaltlich bezogene Hilfen signifikant effektiver sind als Hilfen zum Fachwissen.

This dissertation develops and evaluates a course unit to enhance students' modeling competence (MBK) in chemistry lessons. Since there are limited evaluated approaches for chemistry that focus on modeling processes, such as Fleige et al. (2012) or Koch et al. (2015), two modeling processes from mathematics and biology are presented in an expert survey and evaluated by chemistry education experts for their suitability in chemistry. Based on the merged cycle resulting from the expert survey, a four-lessons learning course is developed on the topic of "Law of Conservation of Mass" for eighth-grade students, which considers fundamental principles of chemistry didactics. The unit's effectiveness is evaluated in a 2-group design with repeated measurements, which shows that all students have increased their MBK and subject knowledge during the course. In a subsequent study using a 2x2 design with repeated measures, the learning unit is extended as a digital, interactive presentation, with the type of digital model presentation differing between static and dynamic, and the type of differentiation in content-related reference between subject knowledge and MBK. Although no interaction effects are observed, content-related assistance is found to be significantly more effective for MBK than assistance for subject-specific knowledge. These findings contribute to the development of effective approaches for teaching modeling competence in chemistry.