5. – 6. Schuljahr

Ira Caspari, Nicole Graulich, Leonie Lieber und Lars Rummel

„Die Flamme geht da runter

Prozessbeschreibungen von Lernenden analysieren

Bereits im Chemieanfangsunterricht geht es nicht nur darum, dass Lernende die Anfangs- und Endzustände von Phänomenen beschreiben lernen, sondern auch den Prozess zwischen diesen Zuständen beobachten und verbalisieren können. Erst auf Grundlage von stärker prozessorientierten Beobachtungen ist es möglich, die kausalen Zusammenhänge für einzelne Schritte oder Phasen eines Prozesses herauszuarbeiten. Ein chemisches Phänomen auf diese Weise zu erfassen, erfordert von Lernenden die Berücksichtigung einer Vielzahl von Faktoren, z.B. welche Stoffe bzw. Dinge sind beteiligt, welche Änderungen sind zu beobachten und wie ist die räumliche Anordnung der Dinge zueinander im Laufe des Prozesses. Für eine vollständige Erklärung eines Phänomens stehen die Lernenden zudem vor der Herausforderung, diese Faktoren auch kausal zu verknüpfen. Dies erfordert von ihnen eine komplexe Gedankenleistung, die nur schwer ohne geeignetes und für den Unterrichtseinsatz praktikables Kategoriensystem diagnostiziert und gefördert werden kann. Ein Ansatz für ein solches Kategoriensystem zur Erfassung unterschiedlicher Elemente einer prozessorientierten Phänomenbetrachtung liefern Arbeiten aus der Physikdidaktik [1]. In diesem Beitrag wird zunächst das Kategoriensystem anhand von Schüleraussagen zum Experiment „Flammensprung vorgestellt. Die Aussagen stammen von Schülerinnen und Schülern zweier 6.Klassen einer niedersächsischen IGS, die zunächst nach Durchführen des Realexperimentes und anschließend nach Anschauen eines Zeitlupenvideos (Abb.1) ihre Beobachtungen und Erklärungsansätze versprachlichen [2, 3]. Durch die Anwendung des Kategoriensystems auf die Schüleraussagen zeigen wir, wie das Kategoriensystem als Diagnoseinstrument eingesetzt werden kann, um unterrichtsrelevante Fragestellungen bezüglich der Förderung von Prozessdenken zu beantworten [4]. Dazu wird beispielhaft die Fragestellung, welchen Beitrag Zeitlupenvideos zur Förderung des prozessorientierten Denkens der Schülerinnen und Schüler der beiden Lerngruppen leisten, beleuchtet.
Am Beispiel des hier durchgängig betrachteten Experiments des Flammensprungs machen wir im letzten Teil dieses Beitrags Vorschläge, wie es gelingen kann, basierend auf den vorgestellten Kategorien, Unterrichtsmaterial zu strukturieren, welches Schülerinnen und Schüler unterstützen kann, prozessorientierte Beobachtungen und deren kausale Verknüpfungen in ihre Überlegungen mit einzubeziehen [5].
Im Kontext physikalischer Phänomene haben Russ et al. [1], basierend auf Erkenntnissen der Wissenschaftsphilosophie [6], ein Kategoriensystem abgeleitet und zur empirischen Erfassung erster Anzeichen von prozessorientiertem Schlussfolgern in Schüleraussagen verwendet. Im chemischen Kontext hilft das Kategoriensystem, die typischen Fragen an ein chemisches Phänomen strukturiert zu beantworten:
Welche Stoffe sind beteiligt? Welche Eigenschaften bringen sie mit oder ändern sich? Was passiert während der Reaktion?
In Kasten1 werden sieben Kategorien durch Beispiele vorgestellt und kurz erläutert.
Bei den zur Illustration aufgeführten Zitaten handelt es sich um Äußerungen von Schülerinnen und Schülern zweier 6. Klassen zum Experiment des Flammensprungs [2, 4]. Die Nummerierung der Kategorien bildet eine sachlogische Reihenfolge bei der Beschreibung von Prozessen ab und impliziert einen steigenden Schwierigkeitsgrad. Diese Reihenfolge muss sich aber nicht stringent in den Schüleräußerungen wiederfinden. Jedoch können beispielsweise Aktivitäten und Eigenschaften von Entitäten nicht beschrieben werden, ohne dass die Entitäten selbst zuvor erkannt wurden.
Neben diesen verbalen Äußerungen machen die Lernenden bei Beschreibungen auch Gebrauch von Gesten, um das Gesehene auszudrücken. Dies ist gerade im Anfangsunterricht häufig zu finden, meist als Ersatz für fehlende Worte oder Fachbegriffe. Diese Gestik kann die Aussagen von Lernenden unterstreichen sowie eine beobachtete Bewegung (Aktivität) oder eine Änderung der räumlichen Anordnung signalisieren, wenn es den Lernenden schwerfällt, diese sprachlich darzustellen. Außerdem ist die Verwendung von Analogien und Vergleichen zu bereits bekannten Phänomenen ein Hinweis darauf, dass Lernende Ähnlichkeiten zwischen Phänomenen erkennen und diese zum Schlussfolgern nutzen. So kann beispielsweise ein Lernender das ihm bekannte Phänomen des brennendenTeelichts nutzen, um sich die Bestandteile des Rauchs beim Phänomen des Flammensprungs zu erschließen (vgl. Infokasten1, Punkt7). Diese Analogien und Gesten der Lernenden können als zusätzliches Indiz bei der Diagnose mit einbezogen werden.
Information 1: Kategorien von Prozessbeschreibungen
Information 1: Kategorien von Prozessbeschreibungen
1. Beschreibung des Phänomens:
Diese Kategorie stellt einen grundlegenden Baustein dar. Lernende erfassen hier die Kernbeobachtung des Phänomens und beschreiben diese. Ein Indikator für diese Kategorie findet sich häufig bei Formulierungen, die den „Endzustand des Phänomens beschreiben.
„Wir haben jetzt das brennende Streichholz in den Qualm gehalten und jetzt ist halt die Kerze wieder angegangen.
2. Identifizieren der experimentellen Voraussetzungen:
In diese Kategorie fallen alle Aussagen, in denen Lernende beschreiben, welche Handgriffe sie im Laufe des Experiments gemacht haben, damit das Phänomen beobachtbar ist.
„Wir haben die Kerze ausgepustet und dann haben wir ein Streichholz angezündet und dann haben wir das da dran gehalten und dann ist die Kerze wieder angegangen.
3. Identifizieren von Entitäten:
Hierbei erkennen Lernende die beteiligten Stoffe und Dinge, die für die Entstehung des Phänomens unabdingbar sind. Entitäten sind meistens Substantive, wie z.B. Rauch.
„Ich glaube, dass es vielleicht was mit dem Rauch zu tun haben kann.
4. Identifizieren von Aktivitäten:
Diese Kategorie beschreibt jegliche Dynamik von Entitäten, die zwischen dem Ausgangszustand und Endzustand des Phänomens zu beobachten ist. Dadurch unterscheidet sich diese Kategorie von dem Auslösen des Phänomens durch den Experimentierenden (Identifizieren der experimentellen Voraussetzungen) und der Beschreibung des Phänomens. Es kann sich bei Aktivitäten um chemische und physikalische Änderungen als auch um Bewegungen von Entitäten handeln, die sich meistens in Verben ausdrücken. So kann ein Lernender die Aktivität des Rauchs wie folgt näher beschreiben:
„Dann haben wir gesehen, dass der Rauch so runter gebrannt ist.
5. Identifizieren der räumlichen Anordnung:
Zur näheren Beschreibung der Entitäten ziehen Lernende die statisch räumliche Anordnung der Entitäten heran. Die Verwendung dieser Kategorie kann durch Präpositionen signalisiert werden.
„Ich hab die Kerze ausgepustet und als ich das Streichholz sogar hier oben in den Qualm gehalten habe, ist der Docht trotzdem wieder angegangen.
6. Identifizieren von Eigenschaften:
Hier beschreiben Lernende die Eigenschaften einer Entität, die für sie für das Zustandekommen des Phänomens ursächlich sind, wie z.B. das Adjektiv „brennbar.
„Der Rauch ist brennbar.
7. Schlussfolgern:
Schlussfolgern tritt immer dann auf, wenn aus den identifizierten Entitäten, Aktivitäten, räumlichen Anordnungen oder Eigenschaften weitere Kategorien abgeleitet werden. So kann ein Lernender beispielsweise aus der Aktivität, dass der Rauch brennt, auf die Zusammensetzung des Rauchs schlussfolgern.
„und im Rauch ist noch der der Docht enthalten, die kleinen Partikel vom Docht und ein paar Partikel vom Wachs. Und diese Dochtteile und Sauerstoff und Wachs ist sozusagen wie in der Kerze und deshalb ist der Rauch sozusagen auch wie ein gasförmiger Docht und brennt dann bis unten ab und dann wieder zum normalen Docht.
Werkzeug zur vergleichenden Diagnose von Schüleräußerungen
Der Einsatz der in Infokasten1 vorgestellten Kategorien zur vergleichenden Diagnose von Schüleräußerungen ist zum Erfassen der Lernausgangslage, des Lernzuwachses einer Lerngruppe oder zur Evaluation eines Unterrichtskonzeptes geeignet, das explizit Prozessbetrachtungen in den Blick nimmt. So kann zum Beispiel die Frage beleuchtet werden, welchen Beitrag der Einsatz eines Zeitlupenvideos zur Förderung des prozessorientierten Denkens von Lernenden zweier 6. Klassen leistet. Dazu wurde das Kategoriensystem zur Auswertung qualitativer Interviews aus folgendem Unterrichtssettings [2, 3] verwendet: Zuerst führten die Schülerinnen und Schüler das Experiment zum Flammensprung durch und werteten dieses aus. Anschließend wurde ihnen ein Zeitlupenvideo des gleichen Experiments gezeigt. Erneut stellten die Schülerinnen und Schüler ihre Beobachtungen und Auswertungen dar. Während des kompletten Unterrichtsablaufs wurden die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, ihre Beobachtungen und Auswertungen zu verbalisieren. Die Transkripte der Gespräche aus diesem Unterrichtssetting haben wir genutzt, um zu überprüfen, ob die Kategorien unterschiedliche Qualitäten von Schüleraussagen abbilden und konkretisieren [4].
Folgendes Zitat spiegelt eine typische Schüleräußerung dieser Lerngruppen nach der Durchführung des Realexperimentes wider: „Wir haben jetzt das brennende Streichholz in den Qualm gehalten und jetzt ist halt die Kerze wieder angegangen. Die Schülerin erkennt, dass „die Kerze wieder angeht. Hierbei handelt es sich um die Beschreibung des Phänomens. Außerdem beschreibt sie in eigenen Worten die Durchführung des Versuchs, die für sie ursächlich für das Auftreten des Phänomens ist. Das „Halten des Streichholzes in den Qualm lässt sich der Kategorie Identifizieren der experimentellen Voraussetzungen zuordnen. Den Qualm und das Streichholz beschreibt die Schülerin als am Phänomen beteiligte Entitäten. In ihrer Aussage wird deutlich, dass die Schülerin das Vorhandensein der Entitäten und deren Zusammenbringen durch den Experimentierenden (Identifizieren der experimentellen Voraussetzungen) als relevante Bestandteile des Zustandekommens des Phänomens erkennt. In der Mehrheit der Aussagen der Lernenden finden sich in dem ersten Abschnitt zum Realexperiment keine sprachlichen Hinweise für weitere Kategorien wie die räumlichen oder stofflichen Veränderungen der Entitäten im Prozess (Aktivitäten) oder ursächliche Eigenschaften der Entitäten, wie z.B. die Beschreibung, dass der Rauch brennbar ist.
Nach Anschauen des Zeitlupenvideos wurden die Aussagen der Schülerinnen und Schüler erneut auf obige Kategorien untersucht. Dabei tauchen die drei Kategorien Identifizieren von Entitäten, Beschreibung des Phänomens und Identifizieren der experimentellen Voraussetzungen wieder häufig auf. Zusätzlich ist die Kategorie Identifizieren von Aktivitäten verstärkt zu finden: „und dann hat er oder sie das Feuerzeug rangemacht und man hat gesehen, wie die Flamme immer weiter runtergegangen ist, (zeigt mit den Fingern eine Bewegung hinab an) zur Kerze und deswegen hat sie wieder gebrannt. Die Schülerin beschreibt hier die Bewegungen der Entitäten (hier: Flamme).
Die Schülerinnen und Schüler scheinen somit durch Zeitlupenvideos in der Lage zu sein, neben dem Erkennen des statischen Phänomens, hier das erneute Brennen der Kerze, auch Dynamiken eines Phänomens besser wahrzunehmen und zu verfolgen. Ihre Aussagen werden zusätzlich durch ihre Gestik verstärkt und verdeutlicht. Die Kategorie Identifizieren der Eigenschaften findet sich auch nach den Zeitlupenvideos in der Mehrheit der Aussagen nicht auffällig häufiger.
Obwohl sich in den Aussagen der Schülerinnen und Schüler nach dem Anschauen des Zeitlupenvideos mehr Aussagen z.B. in der Kategorie Aktivität finden, gibt es keine Anhaltspunkte, dass die meisten Schülerinnen und Schüler die erkannten Kategorien nutzen, um eine Schlussfolgerung zu ziehen:
„Ja also der Rauch war lang (zeigt die Entfernung mit den Zeigefingern) und wo er die Flamme rangehalten hat, ist es langsam weniger geworden (hält zwei Finger hoch und senkt sie ein Stück ab) und zum Schluss wurde es dann schnell und dann war die Flamme nur noch an und dann war kein Rauch mehr da.
Die Schülerin eröffnet ihre Erläuterungen mit dem Identifizieren des Rauchs als Entität sowie der Benennung einer Eigenschaft des Rauchs. Die Länge des Rauches stellt für sie eine Eigenschaft dar, die sie im Zusammenhang mit dem Phänomen, dass sich die Kerze erneut entzündet, erwähnt. Weiterhin beschreibt sie die Durchführung des Experiments (Identifizieren der experimentellen Voraussetzungen) und verdeutlicht den Verlauf des Experiments durch ihre Gestik. In ihrer Aussage findet sich deutlich das Identifizieren der Aktivitäten, die die Dynamik des Prozesses beschreiben und dann zu ihrer abschließenden Beschreibung des Endzustandes (Beschreibung des Phänomens) führen. Ein Schlussfolgern, beispielsweise aus der Aktivität des Abbrennens auf Eigenschaften oder Zusammensetzung des Rauches, ist in den Aussagen der Schülerin nicht zu identifizieren.
Obwohl die verwendeten Kategorien nicht immer trennscharf voneinander zu unterscheiden sind, unterstützen sie dabei, Unterschiede in Schüleraussagen systematisiert zu beschreiben. Eingesetzt als Diagnose lässt es Rückschlüsse darauf zu, in welchen Kategorien die Lernenden sich weiterentwickelt haben und wo noch Förderbedarf besteht. So kann man für die hier exemplarisch betrachteten Lerngruppen die Aussage treffen, dass durch den Einsatz des Zeitlupenvideos hauptsächlich ein Zuwachs im Identifizieren von Aktivitäten stattgefunden hat, z.B. durch die Beobachtung „langsam weniger geworden. Die Verlangsamung des Phänomens durch die Zeitlupenaufnahme scheint es diesen Schülerinnen und Schülern zu erleichtern, das Phänomen stärker als Prozess wahrzunehmen.
Zusätzlich zeigt sich aber, dass in diesen Lerngruppen noch Förderbedarf besteht, die identifizierten Kategorien Entitäten, Aktivitäten, räumliche Anordnung und Eigenschaften von Entitäten zum Schlussfolgern der Ursache des Phänomens zu nutzen. Beispielsweise wurde nur von einem der 12 Schülerinnen und Schüler geschlussfolgert, dass im Rauch ein Brennstoff enthalten sein muss, damit das Phänomen zustande kommt.
Bei der exemplarischen Analyse dieser beiden Lerngruppen war zu beobachten, dass die Schülerbeschreibungen zum Realexperiment des Flammensprungs eher statisch-deskriptiv sind (s. Abb.2), d.h. die Schülerinnen und Schüler beschreiben vorrangig den Anfangs- und Endzustand des Phänomens. Die Betrachtung des Zeitlupenvideos scheint bei der Lerngruppe vermehrt zu einer dynamisch-deskriptiven Beschreibung zu führen, indem die Lernenden die Abläufe zwischen Anfangs- und Endzustand beschreiben, aber noch nicht erklären. Diese Elementarisierung des Prozesses auf deskriptiv-dynamischer Ebene ist ein grundlegender Schritt für die Lernenden, um anschließend kausale Sinneinheiten überhaupt erst bilden und verknüpfen zu können und somit die Frage nach dem Warum beantworten zu können. Die Betrachtung des Zeitlupenvideos führt nicht zwangsläufig dazu, dass die Lernenden vermehrt kausale Verknüpfungen herstellen. Für den Übergang zu einer dynamisch-kausalen Beschreibung von Phänomenen benötigen die Lernenden weitere Unterstützung. Das Kategoriensystem kann hier helfen, Fördermaterialien vorzustrukturieren.
Umsetzung als Textpuzzle
Um Entitäten, Aktivitäten, räumliche Anordnungen und Eigenschaften, die bei der Beschreibung des Phänomens zum Flammensprung verwendet werden, kausal zu verknüpfen, bietet sich ein Textpuzzle an (s. Material1). Ein generelles Satzmuster für Schlussfolgerungen in den Naturwissenschaften kann für die Gestaltung des Textpuzzles verwendet werden. Dazu wird im ersten Satzabschnitt die Vorbedingung mit „Wenn formuliert und im zweiten die Folgerung, die aus der genannten Vorbedingung resultiert mit „Dann eingeleitet. Mit Bezug auf das Kategoriensystem entstehen sowohl innerhalb einer Vorbedingung als auch innerhalb einer Folgerung verschiedene Kombinationsmöglichkeiten aus Entitäten und den drei weiteren Kategorien: Aktivitäten, räumliche Anordnung der Entitäten und Eigenschaften der Entitäten. Die Anwendung dieser Kombinationsmöglichkeiten wird durch das Farbschema in der Musterlösung deutlich (Abb.3).
Die Kategorien Identifizieren der experimentellen Voraussetzungen und Beschreibung des Phänomens rahmen die anderen Kombinationen ein. Da sich das Experiment des Flammensprungs aus zwei Phänomenen, nämlich dem Brennen der Kerze zu Beginn und dem Entzünden des Rauchs im zweiten Teil, zusammensetzt, ist auch das Textpuzzle zweiteilig. Das Textpuzzle startet mit dem Entzünden des Dochtes (Identifizieren der experimentellen Voraussetzungen). Die erste Hälfte des Textpuzzles endet mit dem ersten Phänomen, dem Brennen der Kerze (Beschreibung des Phänomens). Dazwischen wird der Prozess in einzelne kausale Schritte gegliedert Beispielsweise wird die Kombination aus Entität, Eigenschaft und Aktivität „Wenn das flüssige Wachs sich weiter erhitzt mit der Kombination aus Entität und Aktivität „dann verdampft es kausal verknüpft. Der zweite Teil des Textpuzzles startet mit dem Auspusten der Kerze (Identifizieren der experimentellen Voraussetzungen) und endet mit der erneuten Entzündung der Kerze (Beschreibung des Phänomens).
Die Teile des Textpuzzles sind so entwickelt worden, dass jede Folgerung zu einer Vorbedingung passt. Für die meisten Textpuzzleteile ist nur eine Kombination möglich. Bausteine, für die es mehrere Möglichkeiten gibt, sowie nicht kausal hergestellte Zuordnungen der Lernenden, können gute Gesprächsanlässe im weiteren Unterrichtsverlauf bieten. Wenn alle Teile in der logischen Reihenfolge aneinandergelegt wurden, ergibt sich eine dynamische-kausale Zusammenfassung des Experiments. Zur Selbstkontrolle für die Lernenden können beispielsweise die Teile des Textpuzzles durch verschiedene Muster auf der Rückseite markiert werden.
Umsetzung als Concept-Map
Eine andere mögliche Variante, um die kausalen Verknüpfungen zum Experiment des „Flammensprungs hervorzuheben, ist die Verwendung einer Concept-Map (Abb.4). Das Kategoriensystem, visualisiert durch das Farbschema, gibt auch hier wieder eine Hilfestellung zur Strukturierung. Dabei ist zu sehen, dass die statischen Begriffe Entitäten (z.B. Wachs), Eigenschaften (z.B. flüssig) oder eine Kombination der beiden Elemente (z.B. flüssiges Wachs) sind. Die Verbindungswörter auf den Pfeilen beschreiben häufig die räumliche Anordnung (z.B. enthält) oder die Aktivität der Entitäten (z.B. verdampft). Prinzipiell bieten sich verschiedene Varianten an, im Unterricht mit dieser Concept-Map umzugehen. Eine Variante wäre, den Lernenden die komplette Struktur der Concept-Map vorzugeben und nur einzelne freie Lücken zu lassen, die von den Lernenden ausgefüllt werden müssen. Eine anspruchsvollere Variante ist es, lediglich Begriffe aus der Concept-Map vorzugeben, die die Lernenden selbstständig in einer Concept-Map anordnen und kausal verknüpfen sollen [7]. Ganz gleich, welche der Varianten verwendet wird, sollten am Ende die Entitäten, die Eigenschaften, die räumliche Anordnung und die Aktivitäten so miteinander verknüpft sind, dass das Phänomen kausal erläutert werden kann.
Fazit
Zusammenfassend zeigt sich, dass der Einsatz des Kategoriensystems an verschiedenen Stellen im Unterricht die Lehrkraft gewinnbringend unterstützen kann. Zum einen ermöglicht es die Diagnose von Schüleraussagen hinsichtlich des Einbezugs von dynamischen oder kausalen Aspekten bei der Beschreibung von Phänomenen. Beispielhaft wurde durch den Vergleich von Schüleraussagen nach einem Realexperiment und einem Zeitlupenvideo gezeigt, dass die Kategorien helfen, qualitative Unterschiede in den Schüleraussagen sichtbar zu machen. Zum anderen kann das Kategoriensystem die Lehrkraft bei der Entwicklung von Unterrichtsmaterialien darin unterstützen, gezielt die Kausalität von Prozessen für die Lernenden hervorzuheben. Somit können die Lernenden gefördert werden, sich aktiv mit kausalen Verknüpfung von Prozessen auseinanderzusetzen.
Literatur
[1]Russ, R.; Scheer, R.; Hammer, D.; Mikeska, J.: Recognizing Mechanistic Reasoning in Student Scientific Inquiry: A framework for Discourse Analysis Developed from Philisophy of Science. In: Science Education. Vol. 92/2008. S.499 – 525
[2]Taubert, Ch.: Potenziale von Zeitlupenaufnahmen für die Vermittlung des Verbrennungskonzepts eine empirische Studie. Unveröffentlichte Masterarbeit im Institut für Didaktik der Naturwissenschaften der Leibniz Universität Hannover 2016
[3]Sieve, B.; Taubert, C.: Unsichtbares sichtbar machen Potenziale von Zeitlupenaufnahmen für die Vermittlung des Verbrennungskonzepts. Poster GDCh-Tagung der Fachgruppe Chemieunterricht, Hannover 2016; Download: https://www.researchgate.net/publication/311104463_Unsichtbares_sichtbar_machen_-_Potenziale_von_Zeitlupenaufnahmen_fur_die_Vermittlung_des_Verbrennungskonzepts
[4]Rummel, L.: Analyse des Förderpotentials von Slow-Motion Videos für mechanistisches Denken im Chemieanfangsunterricht. Unveröffentlichte Staatsexamsarbeit am Institut für Didaktik der Chemie, Justus-Liebig-Universität Gießen 2017
[5]Lieber, L.S.: „Die Kerze wurde zum Erwachen gebracht Analyse des Einflussfaktors Sprache bei der Diagnose und Förderung von Schüleräußerungen in Bezug auf mechanistisches Denken im naturwissenschaftlichen Unterricht. Unveröffentlichte Staatsexamsarbeit am Institut für Didaktik der Chemie, Justus-Liebig-Universität Gießen 2017
[6]Machamer P.; Darden L.; Craver C. F.: Thinking about mechanisms, Philosophy of science, 67/2000, S.1 – 25
[7]Graf, D.: Concept Mapping als Diagnosewerkzeug. In: Krüger, D.; Parchmann, I.; Schecker, H.: Methoden in der naturwissenschaftsdidaktischen Forschung. Springer Verlag Berlin-Heidelberg 2014, S.325 – 337