Trendbericht Chemiedidaktik 2023

Experimente und Unterrichtskonzepte zu den Themen Nachhaltigkeit, Lebensmittelchemie und Elektrochemie kommen in der experimentell-konzeptionellen chemiedidaktischen Forschung am häufigsten vor, Katalyse dagegen wenig. Lehr-Lern-Forschung befasste sich im letzten Jahr verstärkt damit, wie Lehrkräfte digitale Medien in den Unterricht einbinden. Sehr heterogen waren die Untersuchungen, wie Inklusion und Differenzierung im naturwissenschaftlichen Unterricht gelingen.

Chemieunterricht soll sich an Alltag und Leben der Lernenden orientieren und für junge Menschen erfahrbar sein. Schülerinnen und Schüler müssen dadurch Chemie in ihrem Alltag erkennen und bemerken, dass sie diese beeinflussen können und umgekehrt diese sie beeinflusst. Dazu sollen die Konzepte und Experimente sowie empirische Analysen der fachdidaktischen Forschung beitragen. Daher zeigt dieser Bericht die Trends beider Bereiche der chemiedidaktischen Forschung – die experimentell-konzeptionelle und die empirische – und deren Entwicklung für 2022/23.

Experimentell-konzeptionelle Forschung

Um Trends in der experimentell-konzeptionellen Forschung zu erkennen, wurden von September 2022 bis August 2023 in folgenden nationalen Journalen 138 Artikel gesichtet:

Chemie konkret (Chemkon)Naturwissenschaften im Unterricht Chemie (NiU-C)Chemie in unserer Zeit (ChiuZ)Journal des Verbands zur Förderung des Mint-Unterrichts (MNU)Nachrichten aus der Chemie (NadC)

Aus den folgenden internationalen Journalen wurden 144 Artikel berücksichtigt:

Journal of Chemical Education, (J. Chem. Ed., Kategorie: Laboratory Experiment)World Journal of Chemical Education (World. J. Chem. Educ.).

Die Artikel wurden in Anlehnung an vorangegangene Trendberichte^1,2) nach Fachgebieten, methodisch-didaktischen und inhaltlichen Schwerpunkten sowie nach Zielgruppen kategorisiert und eingeordnet (Abbildung 1).

Von den insgesamt 282 analysierten Artikeln ließen sich 268 Artikel einem Fachbereich zuordnen. Dabei zählen 26 Prozent zur organischen Chemie und fast 22 Prozent zur analytischen Chemie. Die anorganische Chemie mit zirka 16 Prozent und die Umwelt- und Alltagschemie mit 14,5 Prozent sind als dritt- und viertstärkste Fachbereiche vertreten. Mit den inhaltlichen Schwerpunkten Elektrochemie und Reaktionskinetik ist die physikalische Chemie mit 10 Prozent vertreten. Organische Chemie war in nationalen und internationalen Beiträgen gleich stark vertreten, während die chemische Analytik stärker in internationalen und die anorganische sowie physikalische Chemie Schwerpunkte in nationalen Publikationen sind.

Bei der Zuordnung der Zielgruppe richten sich 196 Artikel an Schulen und 74 Artikel an Hochschulen, wobei vor allem in internationalen Publikationen weiterhin der Schwerpunkt eher auf Studierenden statt auf Schülerinnen und Schülern liegt. Ein geringer Teil der Artikel richtet sich an Lehr-Lern-Labore (6).

Von den insgesamt 282 Artikeln enthielten 179 Publikationen Anleitungen und Auswertungen von praktischen Experimenten, die überwiegend für die Schule und somit für den Chemieunterricht publiziert wurden. Dies zeigt eine Stärkung des experimentellen Chemieunterrichts – eine erfreuliche Entwicklung.

Werden demgegenüber die inhaltlichen Schwerpunkte der Publikationen betrachtet, so ist der Themenschwerpunkt Nachhaltigkeit mit 27 Prozent mit Abstand am häufigsten vertreten. Nachhaltigkeit ist in nationalen Publikationen häufiger als in internationalen. Es folgen bei den Inhalten Lebensmittelchemie (14 %), Elektrochemie (12 %), Farbstoffe (9,5 %), Nanomaterialien (9 %) und Reaktionskinetik (7 %). Ein geringer Teil befasst sich mit Sensorik, vor allem mit Messsensorik für Experimente, sowie mit Katalyse.

Bei der Kategorisierung der methodisch-didaktischen Schwerpunkte zeigt sich eine Tendenz für Unterrichtskonzeptionen (18 %), Modelle (17 %) und Digitalisierung (17 %). Dabei sind Publikationen zu Unterrichtskonzeptionen vor allem in den deutschsprachigen Journalen zu finden. Artikel zu Modellen stehen häufiger in den internationalen Journalen, denn analytische Auswertungen, die in internationalen Arbeiten stark vertreten sind, erfordern Modelle. Interessanterweise findet sich die Digitalisierung in konzeptionellen und experimentellen Artikeln als Schwerpunkt gleich stark wieder. Weitere methodisch-didaktische Schwerpunkte bilden die Basiskonzepte (13 %), Professionalisierung (12 %) und Citizen Science (10,5 %). Über Digitalisierung,³⁾ Basiskonzepte⁴⁾ und zu Citizen Science⁵⁾ sind im letzten und in diesem Jahr Schwerpunktehefte erschienen.

Nachhaltigkeit

Wie der letzte Trendbericht prognostiziert hat,⁶⁾ setzt sich der Trend zu nachhaltigen Themen auch in diesem Jahr fort. Nachhaltigkeitsbezogene Inhalte sind im Chemieunterricht bereits länger präsent. Daher hat sich insbesondere das didaktische Konzept Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) etabliert, das mehrere Dimensionen bei der Betrachtung eines thematischen Schwerpunkts umfasst: die ökologische, ökonomische, politische, soziale und kulturelle. Nur durch diese unterschiedlichen Dimensionen erkennen Lernende die Zusammenhänge und lassen sich zu nachhaltigem, kritischen Handeln bewegen.

Das Autorenteam Kiesling, Venzlaff und Bohrmann-Linde beschreibt diese Dimensionen in einem Übersichtsartikel zu BNE und zeigt mit einer Lerneinheit zu Klimawandel und Kohlenstoffdioxid eine praktische Umsetzung für den Chemieunterricht unter Berücksichtigung aller Sustainable Development Goals (SDGs, Abbildung 2) der Vereinten Nationen.⁷⁾

In einer alltagsbezogenen Einführung zum Thema „Welcher Einkaufsbeutel ist der umweltfreundlichste?“ zeigen Kirschner und Heimann ein Unterrichtskonzept im Sinne der Nachhaltigkeit. Neben Stationsarbeiten zu Eigenschaften, Herstellung und Recycling von Kunststoffen wird der Frage nachgegangen, welchen Einfluss das konkrete Nutzungsverhalten hat.⁸⁾ In einem weiteren Artikel stellen Fischer und Heimann Unterrichtsmaterialien zur Biodiversität vor, in dem die Lernenden näher betrachten, welchen Einfluss der Klimawandel auf die biologische Vielfalt der Erde nimmt.⁹⁾

Fleischer et al. widmen sich in einem Beitrag der Abgasproblematik von Dieselmotoren und zeigen mit schulischen Experimenten im Microscale-Maßstab zunächst die Redoxprozesse, die die Emissionen von NO und NO₂ minimieren, um abschließend den Einsatz von Dieselmotoren zu bewerten.¹⁰⁾

Vor kurzem hat eine Forschungsgruppe transparentes Holz hergestellt, das sich für Fensterscheiben eignen könnte. Maaß, Schüler und Waitz erläutern zunächst in einem Beitrag die fachlichen Grundlagen des Verfahrens und präsentieren Experimente zur Umsetzung für die Schule sowie zu den Eigenschaften.¹¹⁾

Titandioxid ist ein Stoff aus dem Alltag der Schülerinnen und Schüler, der häufig in Farben, Lacken, Sonnencreme oder Medikamenten eingesetzt wird. Er ist allerdings auch ein Gesundheitsrisiko für den menschlichen Körper und daher umstritten. In einem Beitrag widmen sich Rautenstrauch, Schulze und Busker dieser Kontroverse. Sie präsentieren Schülerexperimente zum Nachweis von Titandioxid in Magnesiumtabletten und Bodyglitter und diskutieren dessen Verwendung in Medikamenten und Kosmetikprodukten.¹²⁾

Digitalisierung

Das Thema Digitalisierung ist nach wie vor in fachdidaktischen Beiträgen vertreten, was sich bereits im letzten Trendbericht zeigte.⁶⁾ Digitale Medien werden in experimentellen wie in konzeptionellen Arbeiten gleich stark berücksichtigt. Dabei stehen nicht nur Konzepte für Schülerinnen und Schüler sowie für Studierende im Fokus, sondern auch Fortbildungen zur Professionalisierung angehender Lehrkräfte sowie von Lehrerinnen und Lehrern. Knie und Schwarzer stellen dazu eine Weiterentwicklung der Blended-Learning-Lehrkräftefortbildung Experimento | 10+ der Siemens-Stiftung mit einem Mix aus digitalen und analogen Inhalten vor.¹³⁾ In einem weiteren Beitrag beschreiben Martens und Schwarzer ein Seminar für Studierende, in dem diese an verschiedenen Experimentierstationen Handlungskompetenzen beim Umgang mit digitalen Medien bei Experimenten erwerben sollen.¹⁴⁾ Zimmermann und Melle haben ein Online-Format entwickelt, das digitalisierungsbezogene Kompetenzen angehender Chemielehrkräfte fördern soll.¹⁵⁾

Den Einsatz einer Wärmebildkamera für den Chemieunterricht in der Sekundarstufe I stellen Wagner und Kempke vor. Dabei liegt der Fokus auf Experimenten, bei denen Wärmeeffekte endothermer und exothermer Prozesse digital dargestellt werden.¹⁶⁾ Kempke und Zeidler entwickelten zudem ein Konzept zur Augmented Reality im Chemieanfangsunterricht.¹⁷⁾

Parchmann et al. berichten über ein Unterrichtskonzept, das mit einem 360-Grad-Film, einer VR-Brille und einem Mediendome anhand der Materialwissenschaften das Prinzip des Wasserläufers erläutert, um die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aus drei Perspektiven zu betrachten.¹⁸⁾

Wejner und Wilke beschreiben, wie sich mit einem Lab-Pi als Messstation mit digitaler Sensorik (Abbildung 3) die Kohlenstoffdioxidkonzentration messen und so die Luftqualität in Klassenräumen bestimmen lässt.¹⁹⁾

Fleischer et al. zeigen eine neuartige Methode, Glucose im Chemieunterricht photometrisch zu bestimmen und dabei digitale Medien zu verwenden. In dem Artikel beschreibt das Autorenteam den Bau einer Photometer-Messzelle, die mit einer App auf dem Smartphone erweitert wird.²⁰⁾

Kremer und Marohn nutzen das Smartphone in ihren Arbeiten als Lernhilfe und haben digitale Lernmaterialien zum Lithiumionen-Akkumulator und zur Elektromobilität entwickelt.²¹⁾

Elektrochemie und Katalyse

Für Beiträge zu den elektrochemischen Inhalten entwickeln Autorenteams zumeist Modellexperimente zu neuartigen Batterietypen oder Elektrolysen. So stellen Kremer, Bohrmann-Linde und Tausch ein einfaches schulisches Modellexperiment zur photokatalytischen Wasserstofferzeugung in einer LED-betriebenen Eintopfzelle vor und den Bau dieser Zelle in einem Online-Video zur Verfügung.²²⁾

Als Photokatalysatoren eignen sich beispielsweise poröse Titandioxidschichten auf Titanblech. Lanfermann et al. beschreiben, wie eine solche Nano-Titandioxidschicht mit anodischer Oxidation erzeugt werden kann.²³⁾ Meggyes und Banerji präsentieren einfach umzusetzende Versuche zur Wasserstofftechnologie aus Alltagsmaterialien.²⁴⁾ Grandrath und Bohrmann-Linde beschreiben Modellexperimente zu enzymatischen Brennstoffzellen mit Lactase und Lactose auf Filterpapierbasis.²⁵⁾ Die Low-Cost-Experimente zu verschiedenen Brennstoffzellentypen finden sich auch in Formaten für Lehrkräftefortbildungen.²⁶⁾

Im Zusammenhang mit Elektroautos werden in der aktuellen Forschung Batteriespeicher diskutiert, etwa die Lithiumschwefelbatterie. Damit diese Batterie kommerziell nutzbar ist, sind noch Probleme zu lösen. Lüke und Oetken zeigen einige dieser Umsetzungsschwierigkeiten mit Modellversuchen zur Funktionsweise der Lithiumschwefelbatterie.²⁷⁾

Als Fortsetzung zu ihrem Artikel über gedruckte Elektrolumineszenzfolie präsentieren Lüttich und Banerji in einem zweiten Teil dünne und flexible Zink-Braunstein-Zellen, die Lernende mit einem Handdruckverfahren bauen können.²⁸⁾ In passenden Schülerexperimenten zeigen Quarthal, Oberle und Oetken neuartige Versuche zur bipolaren Elektrochemie.²⁹⁾

Zur Katalyse sind Artikel aus der Arbeitsgruppe Lühken erschienen. So beschreiben Reinmold und Lühken die Renaissance des chemischen Kabinettstücks zur oszillierenden Reaktion von Alkanen mit Luftsauerstoff mit haushaltsüblichem Waschbenzin (Abbildung 4, S. 11).³⁰⁾

Aktuelle Forschungsthemen und solche, für die es den Nobelpreis gab, sind für den Chemieunterricht zwar oft relevant, häufig aber schwierig experimentell umzusetzen. Reinmold, Fahim und Lühken haben es geschafft, für den Chemieunterricht ein Experiment zur asymmetrischen Organokatalyse zu entwerfen, für die Benjamin List 2021 den Nobelpreis erhielt.³¹⁾

Farbstoffe

Experimente zu Farbstoff- und Photochemie zählen zu den beliebtesten Versuchen in der Schule – vor allem, weil sie so anschaulich sind. Auch in diesem Jahr sind Beiträge zur Farbstoffchemie erschienen.

Experimente mit Bubble-Tea-Bällchen aus Alginat sind bekannt. So wird unter anderem über Luminol-Bubble-Tea berichtet, der die Luminol-Reaktion mit Bubble Tea verbindet.^32,33) Alginat-Bällchen eignen sich mit entsprechenden Chemikalien auch dazu, das Donator-Akzeptor-Prinzip zu veranschaulichen. Dazu haben Syskowski et al. ein Lern-Lehr-Labor entwickelt, in dem Lernende der gymnasialen Oberstufe diesem Phänomen auf die Spur kommen können.³⁴⁾

Ducci widmet sich in zwei weiteren Beiträgen der Farbstoffchemie für den Chemieunterricht: der Diazotypie und der Bromierung von Fluorescein. Das Prinzip der Diazotypie erläutert er zunächst und zeigt anschließend Modellexperimente mit überraschendem Phänomen.³⁵⁾ Die Bromierung von Fluorescein als elektrophile Substitution erläutert er als eine Methode des elektrochemischen Schreibens für den Chemieunterricht.³⁶⁾

Empirische Lehr-Lern-Forschung

Neben der experimentell-konzeptionellen Forschung bildet die empirische Lehr-Lern-Forschung die zweite Säule der chemiedidaktischen Forschung. Ein evidenzbasiertes Untersuchen von Lehr- und Lernprozessen sowie die Identifikation von Gelingensbedingungen des fachlichen Lernens sind die Ziele. Die empirische Lehr-Lern-Forschung im Fach Chemie bedient sich dabei Methoden der empirischen Sozialforschung.

Methodisches Vorgehen

Um einen Überblick über die nationale empirische Lehr-Lern-Forschung der Chemiedidaktik von Oktober 2022 bis August 2023 zu erhalten, wurden der Tagungsband der Jahrestagung der Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik (GDCP) 2022 in Aachen sowie die Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften (ZfDN) analysiert.

Berücksichtigt wurden alle Beiträge mit Bezug zur Chemiedidaktik. So wurden beispielsweise auch Beiträge über den Sachunterricht der Primarstufe berücksichtigt, die sich mit einem chemiebezogenen Thema beschäftigen, wie Stoffeigenschaften oder brennenden Kerzen. Insgesamt wurden so 125 Beiträge der chemiedidaktischen empirischen Lehr-Lern-Forschung zugeordnet. Im Anschluss wurden diese Beiträge kategorisiert nach der Zielgruppe, dem chemischen Fachgebiet und dem Forschungsschwerpunkt. Die jeweiligen Unterkategorien wurden dabei in Anlehnung an vorangegangene Trendberichte^1,2) formuliert. Mehrfachzuordnungen sind dabei möglich.

Etwas mehr als ein Drittel der Arbeiten beschäftigt sich mit der Erforschung von Lehr- und Lernprozessen in der Hochschule (Abbildung 5). Unterrepräsentiert sind Beiträge, die sich mit Berufsschüler:innen, Referendar:innen und Lehrkräften im Dienst befassen. Der Großteil der Forschung beschäftigt sich mit Schüler:innen allgemeinbildender Schulen, wobei der Fokus schulischer Forschung auf der Sekundarstufe I liegt.

Chemische Fachgebiete in der chemiedidaktischen Forschung

Die klassischen chemischen Fachgebiete (allgemeine Chemie, anorganische, organische und physikalische Chemie) sind in den Beiträgen zur chemiedidaktischen Forschung eher unterrepräsentiert (Abbildung 6). Der Großteil der analysierten Forschungsarbeiten beschäftigt sich hingegen mit übergreifenden Themen, zum Beispiel Experimentieren^37,38) oder chemische Fachsprache,^39,40) sowie interdisziplinären Themen wie Covid-19 oder Klimawandel.^41,42)

Beiträge, die den klassischen chemischen Fachgebieten zugeordnet werden können, thematisieren meistens allgemeine Chemie. Dies passt zum Fokus schulischer Forschung auf die Sekundarstufe I, denn dort werden klassischerweise zunächst Themen der allgemeinen Chemie, anschließend der anorganischen Chemie und erst im späteren Verlauf Themen der organischen und physikalischen Chemie behandelt. Inhaltlich wird vor allem Forschung zum Themenfeld chemische Reaktion präsentiert.^43–46)

In Anlehnung an zwei vorausgegangene Trendberichte der Chemiedidaktik^1,2) wurden durch die Analyse der Forschungsbeiträge die sieben häufigsten Forschungsschwerpunkte identifiziert. Dies ermöglicht es, die Beiträge in den Tagungsbänden der GDCP Jahrestagungen 2019/2020 und 2022 zu vergleichen (Abbildung 7).

Lehr- und Unterrichtsmethoden statt Outreach und Schülerlabore

Im Vergleich mit den Ergebnissen des Trendberichts 2020 (Abbildung 7) ist die Kategorie Outreach und Schülerlabore nicht mehr unter den häufigsten sieben Forschungsfeldern. Diese befindet sich nun an achter Stelle, gemeinsam mit Forschung zu Schülervorstellungen und -einstellungen. Dafür wurde im letzten Jahr mehr Forschung zu Lehr- und Unterrichtsmethoden vorgestellt. Dieser Trend liegt unter anderem darin begründet, dass die chemiedidaktische Forschung vermehrt untersucht, wie Lehrkräfte digitale Medien methodisch in den Unterricht einbinden.^47,48)

Digitale Medien, Game-Based-Learning, Erklärvideos

Erwartungsgemäß liegt ein Schwerpunkt der Forschung wie in den Jahren zuvor auf digitalen Medien. Die Forschungsprojekte reichen von Gamification über Experimentier- und Erklärvideos und Augmented Reality bis hin zu Beträgen, die sich mit künstlicher Intelligenz beschäftigen.

Im Bereich des Game-Based-Learning entwickeln und evaluieren Engstler und Mahron⁴⁹⁾ beispielsweise ein Lernspiel, das in Form eines Escape Rooms die elektrochemische Spannungsreihe zum Thema hat. Bei digitalen Escape Rooms müssen Lernende Rätsel lösen, daher bietet es sich an, diese Spiele im problemorientierten Chemieunterricht einzusetzen.

Zerouali et al.⁵⁰⁾ untersuchen, welche Rahmenbedingungen und Eigenschaften eines digitalen Lernspiels dazu führen, dass es einfach eingesetzt werden kann. Beide vorgestellten Lernspiele haben den Fokus auf der Aneignung von Kompetenzen der Erkenntnisgewinnung.

Ein mittlerweile recht häufig eingesetztes Medium in Chemieunterricht und -studium sind Erklärvideos.

In Laborpraktika der Lehramtsausbildung liegen nach wie vor häufig rezeptartige Experimentieranleitungen vor. Lehrkräfte sollen jedoch später ihre Schüler:innen so fördern, dass diese lernen, eigenständig Erkenntnisse zu gewinnen. Daher wurde ein Laborpraktikum zur organischen Chemie durch geöffnete Experimente umgestaltet und durch Erklärvideos zur Erkenntnisgewinnung ergänzt. Bei geöffneten Experimenten müssen die Studierenden (je nach Öffnungsgrad) selbstständig eine Forschungsfrage und Hypothese (zum Beispiel zur Denaturierung von Proteinen) formulieren und anschließend ein Experiment zur Überprüfung der Hypothese planen, durchführen und Schlussfolgerungen daraus ziehen.

Die Untersuchung der Interventions- und Kontrollgruppe ergibt positive Zuwächse in der Fähigkeitsselbsteinschätzung in beiden Gruppen. Allerdings kann kein Effekt auf die Erkenntnisgewinnung durch die Erklärvideos konstatiert werden. Dass die Studierenden ihre Fähigkeiten, Erkenntnisse zu gewinnen, höher einschätzen, führen die Autor:innen auf die Praktikumskonzeption mit geöffneten Experimenten zurück.⁵¹⁾

Weitere Arbeitsgruppen lassen beispielsweise Studierenende die Qualität von Erklärvideos zum Thema Wasserkreislauf für den Sachunterricht bewerten.⁵²⁾ Andere entwickeln ein Flipped-Classroom-Konzept für die Schule zum Thema Redoxreaktionen mit Erklärvideos.⁵³⁾ Ein weiteres Beispiel ist ein Seminarkonzept zur Verbesserung von Fachwissen und Erklärkompetenz von Studierenden in einem Modul zur allgemeinen Chemie, wobei die Arbeitsgruppen vorgegebene oder von den Studierenden erstellte Erklärvideos einbeziehen.⁵⁴⁾ Zudem wird in Erklärvideos und weiteren digitalen Materialien, wie Animationen und Experimentiervideos, das Potenzial gesehen, neue Unterrichtskonzepte in die Schule zu transferieren, abseits von klassischen Fortbildungsformaten.⁵⁵⁾

Mixed Reality

Wie in den Vorjahren ist Mixed Reality (Augmented Reality, AR, und Virtual Reality, VR) Gegenstand chemiedidaktischer Forschung. In einer Virtual Reality-Umgebung wird eine vollständig simulierte Umgebung geschaffen, während bei einer Augmented-Reality-Umgebung virtuelle Objekte in Echtzeit in reale Umgebungen integriert werden. Als Einsatzmöglichkeit für VR wird beispielsweise das Aufsuchen außerschulischer Lernorte genannt, die normalerweise nicht erreichbar sind.⁵⁶⁾

Augmented Reality wird hauptsächlich dazu genutzt, Reaktionsmechanismen, Molekülstrukturen und chemische Bindungen darzustellen,⁵⁷⁾ also die submikroskopische und symbolische Ebene zu vermitteln. Syskowksi und Huwer⁵⁸⁾ untersuchen beispielsweise das Blickverhalten von Schüler:innen bei der Verknüpfung des Experiments „Brennen einer Kerze“ mit Augmented-Reality-Visualisierungen. Auf makroskopischer Ebene beobachten Schüler:innen die Aggregatzustände des Wachses, während sie gleichzeitig die submikrokopische und symbolische Ebene betrachten können. In der Studie wird untersucht, wie sich das Blickverhalten von Schüler:innen verhält, wenn die Kongruenz mit der Realität unterschiedlich dargestellt wird.

Przywarra und Risch untersuchen in einer Interventionsstudie, wie verschiedene Modelltypen, darunter Augmented-Reality-Animationen und haptisch-interaktive Modelle, auf Fachwissen, Modellvorstellungen und das Interesse von Schüler:innen der achten Klasse wirken.⁵⁹⁾

In einer weiteren Studie wird unter anderem der Einfluss von AR-Materialien auf das Fachwissen von Schüler:innen am Beispiel des Gesetzes zur Erhaltung der Masse untersucht. Dabei zeigt sich eine Zunahme des Fachwissens. Vergleichend dazu wurde jedoch auch ein Ebook als Medium untersucht, das ebenso zum Fachwissensanstieg führte. Laut den Autor:innen beeinflusst also die Art der Digitalisierung in diesem Fall nicht den Fachwissenszuwachs.⁶⁰⁾

Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen

Zunehmend diskutiert, erforscht und für die Nutzung im Unterricht erschlossen werden künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen. Noch ist die Zahl an Arbeiten zu diesen Themen überschaubar, aber es ist zu erwarten, dass die Forschung dazu in den nächsten Jahren zunehmen wird.

Schanze et al. untersuchen beispielsweise, wie künstliche Intelligenz (KI) dabei helfen kann, Lehr- und Lernprozesse zu unterstützen, indem digitale Daten wie Zeichnungen oder Texte mit KI analysiert werden.^61,62)

Zudem sprechen Forscher:innen dem maschinellen Lernen das Potenzial zu, individuelle Lernprozesse analysieren und unterstützen zu können. In diesem Zusammenhang wurde untersucht, inwieweit durch das Bayesian Knowledge Tracing (BKT) Wissen und die Wissensentwicklungen von Schüler:innen innerhalb einer Lernplattform lernbegleitend modelliert werden können. Beim BKT wird auf Grundlage von beantworteten Aufgaben die Wahrscheinlichkeit berechnet, dass Schüler:innen bestimmte fachliche Details (Knowledge Components) beherrschen.⁶³⁾

Ein Online-Kurs für die Lehramtsausbildung in den Mint-Fächern soll Teilnehmenden künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen näher bringen.⁶⁴⁾

Inklusion und Differenzierung

Inklusion und Differenzierung bleiben ein wichtiges und heterogenes Forschungsthema der Chemiedidaktik. In dieser Kategorie wurden Arbeiten zu Themen, wie dem Erstellen heterogenitätssensibler Unterrichtsmaterialien, inklusiven Experimentierstationen oder sprachsensiblem Unterricht, subsummiert.

Das von Stinken-Rösner et al.⁶⁵⁾ entwickelte NinU-Raster (Abbildung 8), das Aspekte der Naturwissenschaftsdidaktik und der inklusiven Pädagogik zusammenführt, dient vielfach als Grundlage und wird weiter erforscht.^66–70)

Lankers et al.⁷¹⁾ haben ein Seminar im Blended-Learning-Format konzpiert, in dessen Rahmen Lehramtsstudierende, unter anderem des Fachs Chemie, heterogenitätssensible Unterrichtsmaterialien entwickeln, die experimentelle Teilkompetenzen fördern sollen. Das dabei zugrunde liegende Konzept im Umgang mit Heterogenität ist das Universal Design for Learning (UDL).⁷²⁾

Sprachsensibler Chemieunterricht

Mehrere Arbeitsgruppen beschäftigen sich weiterhin mit sprachsensiblem Chemieunterricht. Sie untersuchen sowohl den Umgang von Lehramtsstudierenden und Lehrkräften mit Sprache^73,74) als auch die Gestaltung von Unterricht und Schüler:innenlaboren.^75,76)

Giesker et al.⁷⁶⁾ stellen beispielsweise eine sprachsensible Unterrichtsreihe zum Themenfeld Salze vor, die sich an dem im angloamerikanischen Raum entwickelten Disaggregate-Instruction-Ansatz (DIA)⁷⁷⁾ orientiert. Bei diesem Ansatz setzen sich Schüler:innen mit einem neuen fachlichen Thema im ersten Schritt auseinander und verwenden dafür die ihnen bekannte Sprache, erst in einem zweiten Schritt werden neue Fachtermini eingeführt. Evaluiert wird die Wirksamkeit dieses Ansatzes in einer Vergleichsstudie mit Schüler:innen der 8. und 9. Klasse (N=362) anhand eines Fachwissenstests und eines C-Tests. Ein C-Test ähnelt einem Lückentext, allerdings besteht er aus vier Texten, in denen jeweils eine bestimmte Zahl an Wörtern (meist 20 bis 25) manipuliert wird. Die Wörter werden jedoch nicht ganz gelöscht wie beim Lückentext, sondern nur teilweise, und müssen vom Probanden rekonstruiert werden. Die Schüler:innen der Interventionsgruppe erwerben mehr Fachwissen, jedoch nicht signifikant. Insbesondere sprachlich schwächere Schüler:innen scheinen durch den DIA-Ansatz zu profitieren und erreichen tendenziell einen ähnlichen Lernzuwachs, wie sprachlich stärkere Schüler:innen.⁷⁶⁾

Erkenntnisgewinnung

Forschungen zu Experimenten und zum Experimentieren sowie zu Modellen und zum Modellieren nehmen jeweils die Erkenntnisgewinnung im Fach Chemie an Schule und Hochschule in den Blick. Die Forschungsarbeiten, die Studierende an der Hochschule fokussieren, beschäftigen sich beispielsweise mit selbstgesteuertem Experimentieren,⁷⁸⁾ Lehren mit Simulationen,⁷⁹⁾ der Entwicklung eines digitalen Laborjournals,⁸⁰⁾ Zeichenprozessen in der organischen Chemie⁸¹⁾ sowie der differenzierteren Untersuchung der experimentellen Kompetenz als Dreiteilung aus Dispositionen, Prozessen und Produkten.⁸²⁾

Im schulischen Kontext wird beispielsweise untersucht, welche Experimente sich dazu eignen, das Teilchenmodell zu vermitteln,⁸³⁾ oder ob der Einsatz eines Reflexionsschemas mit Reflexionsfragen während eines Modellierungsprozesses die Modellbildungskompetenz und das Fachwissen von Schüler:innen verbessert.⁸⁴⁾

Zudem wird der Experimentierprozess selbst in den Blick genommen. So werden individuelle Lernvoraussetzungen als Bedingungsfaktoren für Schwierigkeiten und Fehler beim Experimentieren⁸⁵⁾ sowie die fachbezogene Interaktion von Schüler:innen mit einem konkreten Experiment untersucht, zum Beispiel mit dem Destillieren eines Ethanol-Wasser-Gemischs.⁸⁶⁾

Ausblick

Damit der Chemieunterricht lebensnah bleibt, sind weiterhin neue Konzepte, Experimente und Ideen zu aktuellen Themen erforderlich. Dabei werden Themen wie Nachhaltigkeit sowie Lebensmittel- und Alltagschemie eine noch größere Bedeutung einnehmen. Aufgabe der chemiedidaktischen Forschung wird es sein, sich derer anzunehmen.

Weiter zeigt sich der (fortbestehende) Trend, dass die Fortbildung von Lehrkräften einen vergleichsweise geringen Anteil chemiedidaktischer Forschung einnimmt. Auch Arbeiten zu fachfremdem Unterrichten oder Quer- und Seiteneinsteiger:innen in das Lehramt Chemie sind selten bis gar nicht zu finden. In Anbetracht des Fachkräftemangels und auch des Bedarfs an Weiterbildungen zu zukunftsweisenden Themen wie künstlicher Intelligenz oder Data Literacy bleibt abzuwarten, ob dies so bleibt.

Drei Fragen an die Autorin: Dominique Rosenberg

Welcher Trend ist in den letzten zwölf Monaten aufgekommen, den Sie so nicht erwartet haben?

Überraschend fand ich, dass sich Arbeiten aus der Didaktik zu einem großen Teil organischer und analytischer Chemie zuordnen lassen. Besonders bei den internationalen Publikationen dominiert die Analytik. Ich habe aufgrund der Lehrpläne damit gerechnet, dass der Schwerpunkt in der Anorganik liegt. Zudem erstaunt mich, dass ganz neue Themen wie Citizen Science aufgegriffen werden. Sehr erfreut war ich über die Menge der Artikel mit Experimenten.

Auf welchem Gebiet erwarten Sie in den nächsten zwölf Monaten die größte Entwicklung und warum?

Der Themenschwerpunkt Nachhaltigkeit ist sowohl national als auch international präsent in den Artikeln. Da die Bedeutung von Nachhaltigkeit gesellschaftlich zunimmt und somit für junge Menschen immer mehr von Interesse ist, werden vor allem für die Schule entsprechende Konzepte und Experimente gefragt sein, was sich dann in der didaktischen Forschung wiederfindet.

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Ich entwickle Experimente zu forschungsaktuellen Batterie-Neuheiten für den Chemieunterricht, etwa zu Redoxfluss- und Metall-Sauerstoff-Batterien.

Dominique Rosenberg hat den experimentell-konzeptionellen Teil des Trendberichts verfasst und ist Professorin für Chemiedidaktik an der Universität Rostock. Zuvor war sie wissenschaftliche Mitarbeiterin im Arbeitskreis Chemiedidaktik der Europa-Universität Flensburg. Sie hat einen Bachelorabschluss in Vermittlungswissenschaften und den Master of Education in Chemie sowie Wirtschaft und Politik. Im Jahr 2017 hat sie über Redoxflussbatterien als Thema des Chemieunterrichts promoviert. Sie wurde unter anderem mit dem Manfred-und-Wolfgang-Flad-Preis ausgezeichnet.

Drei Fragen an die Autorin: Hanne Rautenstrauch

Welcher Trend ist in den letzten zwölf Monaten aufgekommen, den Sie so nicht erwartet haben?

Überrascht war ich über den hohen Anteil an Beiträgen, die die frühe naturwissenschaftliche Bildung in den Blick nehmen und als Zielgruppe die Primarstufe fokussieren. In Anbetracht der schon länger bekannten gesellschaftlichen Herausforderungen war ich zudem erstaunt, dass Beiträge zur Bewertungskompetenz, zu Bildung für nachhaltige Entwicklung und zu gesellschaftlichen Debatten einen eher geringen Anteil ausmachen.

Auf welchem Gebiet erwarten Sie in den nächsten zwölf Monaten die größte Entwicklung und warum?

Aufgrund der Diskussionen um ChatGPT und Co. erwarte und erhoffe ich große Entwicklungen in KI, Machine Learning und Data Literacy. Ich halte alle drei Bereiche für zukunftsweisend; daher ist es wichtig, dass fachdidaktische Konzepte zur Vermittlung eines reflektierten und kompetenten Umgangs damit entwickelt und evaluiert werden.

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Ich entwickle (digitale gestützte) Experimente zu alltagsbezogenen, aktuellen Themen und beschäftige mich mit dem fachfremden Unterrichten von Chemie.

Hanne Rautenstrauch hat den Trendberichtteil zur Lehr-Lern-Forschung geschrieben. Sie ist wissenschaftliche Mitarbeiterin im Institut für Chemie und ihre Didaktik der Europa-Universität Flensburg. Sie hat einen Bachelorabschluss in Vermittlungswissenschaften und einen Master of Education in Chemie und Biologie. Im Jahr 2017 hat sie interdisziplinär in Chemie und Germanistik über die Erhebung des (Fach-)Sprachstands von Lehramtsstudierenden des Fachs Chemie promoviert.

• ¹ P. Engelmann, T. Wilke, S. Schwarzer, O. Tepner, Nachr. Chem. 2020, 68(12), 8
• ² Y. Gökkus, T. Wilke, B. Pölloth, S. Schwarzer, Nachr. Chem. 2021, 69(12), 8
• ³ „Daten im Unterricht der MINT-Fächer“, MNU Journal 2023, 76(4)
• ⁴ „Chemische Reaktion“, Heft in Unterricht Chemie 2022, 190
• ⁵ „Citizen Science“, Heft in Unterricht Chemie 2023, 194
• ⁶ M. Maaß, P. Lanfermann, S. Habig, Nachr. Chem. 2022, 70(12), 17
• ⁷ E. Kiesling, J. Venzlaff, C. Bohrmann-Linde, CHEMKON 2023, 30(3), 96
• ⁸ M. Kirschner, R. Heimann, CHEMKON 2022, 29(6), 626
• ⁹ S. C. Fischer, R. Heimann CHEMKON 2023, 30(5), 190
• ¹⁰ H. Fleischer, G. Greiner, B. Horlacher, H. Maier, M. Öttinger CHEMKON 2022, 29(6), 632
• ¹¹ M. C. Maaß, T. Schüler, T. Waitz CHEMKON 2022, 29(8), 219
• ¹² H. Rautenstrauch, B. W. Schulze, M. Busker, NiU-Chemie 2022, 33(6), 37–41
• ¹³ L. Knie, S. Schwarzer, CHEMKON 2023, 30(2), 57
• ¹⁴ M. A. Martens, S. Schwazer, CHEMKON 2023, 30(2), 75
• ¹⁵ F. Zimmermann, I. Melle, CHEMKON 2023, 30(2), 68
• ¹⁶ T. Wagner, T. Kempke, CHEMKON 2022, 29(7), 664
• ¹⁷ T. Kempke, J. Zeidler, CHEMKON 2023, 30(5), 205
• ¹⁸ S. Siebert, K. Meurisch, S. Bernholt, R. Adelung, I. Parchmann, CHEMKON 2023, 30(1), 13
• ¹⁹ M. Wejner, T. Wilke, CHEMKON 2023, 30(2), 64
• ²⁰ H. Fleischer, M. Reinmold, J. Salzner, A. Lühken, CHEMKON 2023, 30(2), 82
• ²¹ F. Kremer, A. Marohn, MNU 2022, 75 (5)
• ²² R. Kremer, C. Bohrmann-Linde, M. W. Tausch, CHEMKON 2022, 29(6), 646
• ²³ P. Lanfermann, C. Weidmann, S. Waitz, M. C. Maaß, T. Waitz, CHEMKON 2022, 29(8), 225
• ²⁴ V. Meggyes, A. Banerji, Nachr. Chem. 2023, 71(6), 15
• ²⁵ R. Grandrath, C. Bohrmann-Linde, CHEMKON 2023, 30(1), 37
• ²⁶ R. Grandrath, C. Bohrmann-Linde, CHEMKON 2023, 30(3), 108
• ²⁷ D. Lüke, M. Oetken, CHEMKON 2022, 29(8), 234
• ²⁸ M. Lüttich, A. Banerji, CHEMKON 2023, 30(4), 146
• ²⁹ D. Quarthal, M.-K. Oberle, M. Oetken, CHEMKON 2023, 30(4), 152
• ³⁰ M. Reinmold, A. Lühken, CHEMKON 2022, 29(7), 698
• ³¹ M. Reinmold, A. Fahim, A. Lühken, CHEMKON 2023, 30(3), 125
• ³² D. Diekemper, G. Baltjan, S. Schwarzer, CHEMKON 2022, 29(6), 654
• ³³ D. Diekemper, S. Schwarzer, Nachr. Chem. 2022, 70(10), 27
• ³⁴ S. Syskowski, O. Kunina-Habenicht, M. Ducci, I. Wagner, CHEMKON 2022, 29(6), 639
• ³⁵ M. Ducci, CHEMKON 2023, 30(1), 6
• ³⁶ M. Ducci, CHEMKON 2023, 30(4), 169
• ³⁷ A. Lankers, F. Klautke, H. Theyßen et al., GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 675–678
• ³⁸ L. Ehlert, O. Tepner, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 778–781
• ³⁹ D. Meyer, V. Pietzner, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 318–321
• ⁴⁰ C. Mönch, S. Markic, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 414–417
• ⁴¹ C. Priert, J. Menthe, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 198–201
• ⁴² C. Pfeiffer, S. Lenzer, A. Nehring, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 639–642
• ⁴³ M. Peschel, T. Billion-Kramer, L. Lauer et al., GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 514–517
• ⁴⁴ M. Schiolko, M. Ropohl, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 643–646
• ⁴⁵ V. Hollwedel, A. Mahron, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 941–944
• ⁴⁶ S. Reimer, O. Tepner, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 989–992
• ⁴⁷ M. Möhlenkamp, H. van Vorst, S. Habig, M. Ropohl, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 691–694
• ⁴⁸ S. Tutt, I. Melle, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 699–701
• ⁴⁹ V. Engstler, A. Mahron, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 857–860
• ⁵⁰ A. Zerouali, J. Koenen, D. Lewalter, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 861–864
• ⁵¹ B. E. Bicak, C. Borchert, K. Höner, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 382–385
• ⁵² D. Milwa, K. Ziepprecht, R. Wodzinski, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 390–393
• ⁵³ S. Rohr, O. Tepner, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 841–844
• ⁵⁴ S. Khagy, O. Tepner, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 845–848
• ⁵⁵ T. Bergold & A. Marohn, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 849–852
• ⁵⁶ M. B. Rieger, A. Engl, B. Risch, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 111–114
• ⁵⁷ A. Mazzuco, A. L. Krassmann, E. Reategui, R. S. Gomes, Review of Education 2022, doi: 10.1002/rev3.3325
• ⁵⁸ S. Syskowski, J. Huwer, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 95–98
• ⁵⁹ T. Przywarra, B. Risch, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 466–469
• ⁶⁰ J. Gantenbein, V. Lang, C. W. M. Kay, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 532–535
• ⁶¹ S. Schanze, A. Nehring, G. Friege, J. Oldag, M. Roski, T. Bleckmann, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 214–217
• ⁶² J. Oldag, S. Schanze, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 139–141
• ⁶³ M. Roski, A. Hoppe, A. Nehring, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 135–138
• ⁶⁴ J.-P. Knemeyer, N. Marmé, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 498–501
• ⁶⁵ L. Stinken-Rösner, L. Rott, S. Hundertmark et al., Research in Subject-matter Teaching and Learning (RISTAL) 2020, 3, 30–45
• ⁶⁶ K. Weirauch, C. Reuter, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 342–345
• ⁶⁷ S. Lenzer, A. Nehring, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 354–357
• ⁶⁸ F. Pawlak, J. Menthe, E. Watts, L. Stinken-Rösner, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 402–405
• ⁶⁹ S. Abels, A. Hüfner, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 410–413
• ⁷⁰ S. Röwekamp, L. Rott, A. Mahron, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 702–705
• ⁷¹ A. Lankers, F. Klautke, H. Theyßen, P. Schmiemann, S. Rumann, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 675–678
• ⁷² CAST, Universal Design for Learning Guidelines version 2.2.m 2018 udlguidelines.cast.org
• ⁷³ D. Meyer, V. Pietzner, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 318–321
• ⁷⁴ C. Mönch, S. Markic, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 414–417
• ⁷⁵ S. Kieferle, S. Markic, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 350–353
• ⁷⁶ R. Giesker, S. Streller, C. Bolte, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 210–213
• ⁷⁷ B. A. Brown, K. Ryoo, J. Rodriguez, Int. J. Sci. Educ. 2010, 32(11), 1465–1493
• ⁷⁸ L. Ehlert, O. Tepner, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 778–781
• ⁷⁹ A. Kirchhoff, J. Hoppmann, S. Schwedler, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 889–892
• ⁸⁰ S. Schade, I. Melle, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 663–666
• ⁸¹ I. Braun, A. Langner, N. Graulich, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 486–489
• ⁸² M. Reith, A. Nehring, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 131–134
• ⁸³ L. C. Glatz, R. Erb, A. Teichrew, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 254–257
• ⁸⁴ V. Lang, C. Eckert, C. W. M. Kay, J-N. Seibert, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 462–465
• ⁸⁵ D. Kirstein, M. Walpuski, GDCP Jahrestagung Aachen 2022, 123–126
• ⁸⁶ B. Koliander, T. Plotz, S. Abels, ZfDN 2023, doi: 10.1007/s40573–022–00150–9

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