Trendbericht Chemiedidaktik 2024

Inhaltliche Schwerpunkte sind Messtechnik und Sensorik, Synthese und Nachhaltigkeit. Mehr als zuvor wurde zu Katalyse geforscht. Ein methodischer Schwerpunkt lag auf Unterrichtskonzeption. Digitale Medien bleiben Thema; mehr beforscht wurden Schülerlabore, Versuchsprotokolle, künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen.

Die Bildungsstandards Chemie für die Sekundarstufe I wurden überarbeitet und werden in die curricularen Verordnungen der Bildungslandschaft der Bundesländer eingearbeitet. Lehrkräfte müssen ihren Chemieunterricht daran anpassen. Damit dieser für Schüler:innen alltagsnah und interessant bleibt, benötigen Schulen Impulse und Ideen für Unterrichtskonzepte und -beispiele aus der fachdidaktischen Forschung. Ziel ist ein lebensnaher Chemieunterricht, der erfahrbar gestaltet ist und sich an der Lebenswelt der jungen Menschen orientiert. Die fachdidaktische Forschung um den Chemieunterricht verknüpft dabei die experimentell-konzeptionelle Forschung mit der empirischen Bildungsforschung. Daher umfasst dieser Bericht Trends beider Bereiche und deren Entwicklung für 2023/24.

Experimentell- konzeptionelle Forschung

Um die Trends in der experimentell-konzeptionellen Forschung zu analysieren, wurden von September 2023 bis August 2024 insgesamt 145 Artikel in folgenden nationalen und deutschsprachigen Journalen 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)Chemie & Schule (Österreich – VCÖ)

Aus den folgenden internationalen, englischsprachigen Journalen wurden 192 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^1–4) nach Fachgebieten, methodisch-didaktischen und inhaltlichen Schwerpunkten sowie nach Zielgruppen kategorisiert und eingeordnet (Abbildung 1). Wie die Analyse zeigt, gibt es immer mehr fachdidaktische Artikel bei den internationalen, englischsprachigen Journalen. Verglichen mit dem Vorjahr stieg die Zahl der Artikel in diesen Journalen um den Faktor 1,3 (2022/2023: 144 Artikel, 2023/2024: 192 Artikel). Dieser Anstieg beeinflusst die Verteilung der analysierten Bereiche in der Übersichtsgrafik (Abbildung 1), die sich national und international deutlich unterscheiden.

Fachbereiche und Zielgruppen

Von den insgesamt 337 analysierten Artikeln ließen sich 280 Artikel einem bestimmten Fachbereich zuordnen. Dabei bildet mit 24 % (81 Artikel) die organische Chemie den größten Teil, gefolgt von Umwelt- und Alltagschemie (16 %, 55 Artikel), physikalischer Chemie (15 %, 52 Artikel), anorganischer Chemie (14 %, 46 Artikel) sowie Analytik (14 %, 46 Artikel). Durch die inhaltlichen Schwerpunkte Elektrochemie und Reaktionskinetik ist die physikalische Chemie ebenfalls stark in den anderen Fachbereichen vertreten. Wie in den Vorjahren ist auch in diesem Analysejahr der Fachbereich organische Chemie in nationalen und internationalen Beiträgen gleich stark vertreten. Die chemische Analytik ist dagegen eher Schwerpunkt in internationalen Publikationen und die anorganische sowie physikalische Chemie sind in nationalen und deutschsprachigen Publikationen stark präsent.

Zur Zielgruppe: 173 Artikel lassen sich der Schule und 132 Artikel der Hochschule zuordnen. Bei internationalen, englischsprachigen Journalen setzt sich der Trend fort, dass die Zielgruppe der Publikationen eher Studierende als Schüler:innen sind. In der Kategorie Lehr-Lern-Labore zeigt sich ein Trend nach oben (21 Beiträge statt 6 wie im Vorjahr).

Fast die Hälfte der Artikel (156 von 337) enthielt Anleitungen für Experimente; diese Artikel erschienen überwiegend im nationalen und deutschsprachigen Raum für die Schule und somit den Chemieunterricht. In internationalen, englischsprachigen Publikationen stehen häufig die digitalisierte Analyse (Messtechnik/Sensorik) sowie deren Auswertung (digitale Modelle) im fachdidaktischen Fokus. Dies zeigt sich auch in den inhaltlichen Schwerpunkten:

Messtechnik/Sensorik (18 %, 42 Artikel), Nachhaltigkeit (16 %, 39 Artikel) sowie Synthese (16 %, 39 Artikel). Dabei setzte sich im nationalen Raum der Trend fort, der sich bereits 2022/2023 zeigte: Nachhaltigkeit als inhaltlicher Schwerpunkt. Diesem folgen in nationalen und deutschsprachigen Publikationen die Inhalte Lebensmittel- sowie Elektrochemie.

Verglichen mit dem Jahr 2022/2023 gab es mehr Artikel zu Katalyse, besonders in der Anwendungsforschung. Katalyse wird sich daher erwartbar in alltäglichen Anwendungen finden lassen. Wie der Trend zeigt, nimmt sich die chemiedidaktische Forschung diesem Zweig bereits an – mit Ideen und neuartigen Experimenten für den Chemieunterricht.

Methodisch-didaktische Schwerpunkte

Bei der Kategorisierung der methodisch-didaktischen Schwerpunkte tritt wie im Vorjahr eine klare Tendenz für Unterrichtskonzeptionen (24 %, 36 Artikel) hervor, gefolgt von den Inhalten Basiskonzepte (20 %, 29 Artikel) sowie Professionalisierung (18 %, 26 Artikel) und Digitalisierung (16 %, 23 Artikel). Dabei sind Publikationen zu Unterrichtskonzeptionen weiterhin vor allem im nationalen und deutschsprachigen Raum zu finden, während Artikel zu Modellen stark im internationalen Raum vertreten sind. Dies liegt daran, dass für analytische Auswertungen und die Darstellung von Synthesen, die in internationalen Arbeiten besonders oft thematisiert werden, häufig Modelle notwendig sind.

Bei der Analyse der inhaltlichen und methodisch-didaktischen Schwerpunkte zeigen sich weitere Trends zu neuen Unterrichtskonzepten. Dazu gehören der Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI), Escape-Games sowie insbesondere im Zuge der Nachhaltigkeit die Bewertungskompetenz. Das World Journal of Chemical Education veröffentliche eine Sonderausgabe mit Beiträgen etlicher namhafter Didaktiker:innen zu neuartigen Unterrichtskonzepten und Experimenten für den Chemieunterricht.⁵⁾

Im Folgenden werden die inhaltlichen Schwerpunkte, die am stärksten im nationalen und deutschsprachigen Raum vertreten sind, näher betrachtet. Da sich die entsprechenden Arbeiten überwiegend auf den Chemieunterricht für Schüler:innen beziehen, werden diese bei der Betrachtung der Inhalte vorrangig herangezogen.

Nachhaltigkeit

Wie in vorigen Trendberichten im Ausblick^3,4) benannt, setzt sich der Trend zu Nachhaltigkeit fort. Darauf bezogene Inhalte lassen sich insbesondere im didaktischen Konzept Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) verorten – also Bildung, die Menschen im Sinne der Nachhaltigkeitsperspektive zu zukunftsfähigem Denken und Handeln befähigt. Sie finden sich in Unterrichtskonzepten wie Chemie im Kontext und dem gesellschaftskritischen-problemorientierten Unterricht wieder.

Eilks und Ralle gehen in einem Aufsatz der Frage nach, was zu Beginn der Planungen von Unterrichtskonzeptionen zu neuen Themen steht: der Fachinhalt oder der Kontext? Dies hängt von der individuellen Herangehensweise der Lehrkraft ab.⁶⁾ Prechtl et al. sprechen sich dafür aus, den Kontext „kritische Metalle“ als Nachhaltigkeitsthema für Spiralcurricula – ein Prinzip, Lehrinhalte anzuordnen – aufzunehmen. Sie betonen ebenfalls, wie bedeutsam Kontexte für einen lebensnahen Unterricht sind.⁷⁾

Eilks et al. stellen ein Unterrichtsbeispiel vor, bei dem Schüler:innen das Möbelstück Monobloc aus Kunststoff aus ökologischer, ökonomischer und sozialer Perspektive heraus bewerten.⁸⁾

Im Kontext des VW-Abgasskandals beleuchten Brockhage et al. die Stickstoffverbindungen sowie Stickoxidbelastungen, die durch Verbrennungsprozesse entstehen; sie zeigen neuartige Experimente für die schulische Bildung zu dieser Thematik.⁹⁾ Dieser Artikel zum Themenschwerpunkt Nachhaltigkeit greift gesellschaftliche Kontroversen auf, etwa nachhaltige Perspektiven in der Elektromobilität und saure Meere.

Bei der Elektromobilität fokussieren Menthe et al. auf den gesellschaftlichen Kontext zum Verbrenner-Aus ab dem Jahr 2035 und stellen dabei ein Konzept vor, wie sich Informationskompetenz fördern lässt, also die Kompetenz, mit Informationen umzugehen (erkennen, formulieren, beschaffen, bewerten, auswählen, nutzen, sich der Verantwortung bei Informationsnutzung und -weitergabe bewusst sein).¹⁰⁾

Tausch und Schneidewinde zeigen an einem Lehrkonzept mit Experimenten und digitalen Medien, wie es derzeit um die Erforschung der direkten Wasserspaltung mit Licht steht.¹¹⁾

Die Elektrolyse von Wasser mit Energie aus regenerativen Techniken liefert grünen Wasserstoff. Ein Beitrag von Venzlaff und Bohrmann-Linde behandelt die Photoreformierung von grünem Wasserstoff aus Alkohol, Zucker und Stärke, was sich im Rahmen einer Bildung für nachhaltige Entwicklung im Chemieunterricht einbinden lässt.¹²⁾

In einem Artikel zum Thema saure Meere stellt Wlotzka eine praxisnahe Unterrichtseinheit vor, Quellen zu beurteilen, die zur Erarbeitung des Prinzip von Le Chatelier führt.¹³⁾ Dabei prüfen die Lernenden Informationen im Internet und beurteilen die Glaubwürdigkeit der Quelle.

Lebensmittelchemie

Von untersuchten Brotaufstrichen über Proteinpulver bis zur naturwissenschaftlichen Betrachtung von (Sport-)Getränken – die Artikel zum Trend Lebensmittelchemie sind vielseitig, praxisorientiert und häufig mit einer Nachhaltigkeits- und Bewertungsperspektive verknüpft.^14–18) Die Zahl der Beiträge zu diesem Bereich wächst stetig, was sich bereits im vorigen Trendbericht zeigte.³⁾

Sommer und Betten analysierten experimentell Brotaufstriche und lieferten damit ein Unterrichtsbeispiel, kombiniert mit Fachmethoden zur Erkenntnisgewinnung.¹⁴⁾

Eine experimentelle Untersuchung von Lebensmitteln kommt von Krake et al.: Sie analysierten Proteinpulver und gehen mit Unterrichtsmaterialien auf die Frage „W(t)hey are important?“ ein.¹⁵⁾

Analyse und Bewertung von Sportgetränken, Energy Drinks und anderen Getränken finden sich häufig in der Lebensmittelchemie. Theuermann et al. veröffentlichten in zwei Beiträgen, wie sich Getränke, die an einem geselligen Abend konsumiert werden, im naturwissenschaftlichen Unterricht analysieren lassen (Abbildung 2).^16,17) Wlotzka und Bernholt widmen sich in zwei Beiträgen kontextualisierten Aufgaben und Experimenten mit Energy Drinks.^18,19)

Beeken et al. veröffentlichten in einem Beitrag einen mobilen Escape-Room zur Lebensmittelchemie, bei dem die Teilnehmenden mit analytischen Methoden einen Gourmet-Mörder überführen müssen – ein bezeichnendes Beispiel für Unterricht, der Experimente und Digitalisierung umfasst.²⁰⁾

Wie sich das Weizeneiweiß Gluten im Chemieunterricht experimentell untersuchen und bewerten lässt, zeigten Peifer et al.²¹⁾

Unserer Analyse zufolge erschienen die meisten Beiträge zum Thema Lebensmittelchemie in der Zeitschrift Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie in Heft 200.

Elektrochemie und Katalyse

Bei den veröffentlichten Beiträgen zu elektrochemischen und katalytischen Inhalten haben die Autorenteams meist neue Modellexperimente entwickelt, mit denen sich die schwierigen Inhalte beider Themengebiete einfach und praxisorientiert darstellen lassen.

So zeigen Quarthal und Oetken in zwei Beiträgen einfache Experimente zur Elektrochemie für den Chemieunterricht, bei denen sie mit Farben Einblicke in die Prozesse der bipolaren Elektrochemie mit Polypyrrol geben.^22,23)

Wie sich Lithiumbatterien aus dem Alltag oder mit Kunststoffelektroden mit einfachen Modellexperimenten im Chemieunterricht umsetzen lassen, zeigte Rosenberg.^24,25)

Elektrochemische Themen werden im Chemieunterricht von Schüler:innen meist als schwierig und uninteressant empfunden. Damit solche Themen leichter erfassbar werden, kombinierte Ducci sie mit bunter Farbchemie (Abbildung 3). In einem seiner beiden Beiträge dazu präsentiert er ein Unterrichtskonzept zur elektrochemischen Bromierung; in einem weiteren Beitrag anschauliche Elektrolyseexperimente mit Filterpapier. Diese sind nicht nur schön anzusehen, sondern ermöglichen, chemische Fachgebiete im Unterricht zu vernetzen.^26,27)

Weitere Zukunftsthemen sind Power-to-Gas-Anwendungen. Seibert et al. stellten in einem Beitrag vor, wie sich dieses Thema mit Methoden und Experimenten aus der Fachdidaktik für den naturwissenschaftlichen Unterricht erschließen lässt: Sie nutzen ein experimentell unterstütztes Planspiel, um kontroverse, gesellschaftsrelevante Themen wie ‚Power2Future‘ zu bewerten.²⁸⁾

Katalyse wird für Anwendungen immer bedeutsamer; die Forschung dazu wurde mit unterschiedlichen Preisen gewürdigt. Bereits der letzten Trendbericht zeigte, wie Reinmold, Fahim und Lühken ein Experiment zur asymmetrischen Organokatalyse für den Chemieunterricht entwickelten (für diese erhielt Benjamin List im Jahr 2021 den Nobelpreis).²⁹⁾ An diese Arbeit knüpfen Lühken et al. an; sie bieten in einem neuen Beitrag eine überarbeitete Zusammenfassung klassischer Schulexperimente und neue Ansätze für ein besseres konzeptionelles Verständnis der Katalyse.³⁰⁾ Auf diesem Überblick aufbauend stellen Lüke et al. neuartige Versuche zur Katalyse vor, in denen sie beispielsweise farbige Zwischenstufen der Katalyse verdeutlichen oder zeigen, wie katalytische Mengen Molybdat Wasserstoffperoxid zerfallen lassen.^31,32)

Unterrichtsbeispiele und Basiskonzepte

Viele der in diesem Artikel vorgestellten Arbeiten lassen sich auch im methodisch-didaktischen Schwerpunkt der Unterrichts- oder Basiskonzepte verorten. Denn der inhaltliche Schwerpunkt enthält neben den entwickelten Experimenten und Materialien meist fachdidaktische, methodische Konzeptionen. Es folgen daher exemplarisch einige Arbeiten zu Unterrichtsbeispielen und Basiskonzepten.

Belova et al. erarbeiteten eine fächerübergreifende Unterrichtseinheit, die um das literarische Werk „Charlie und die Schokoladenfabrik“ aufgebaut ist und Experimente und Materialien zu Trennverfahren für den naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht enthält (Abbildung 4). Die Unterrichtseinheit besteht aus sechs Versuchen, mit denen die Lernenden Chromatografie, Destillation, Sedimentation und Filtration, Extraktion sowie Eindampfen erlernen.

Neben belletristischer Kinder- und Jugendliteratur für das literarische Lernen im Chemieunterricht werden Lebensmittel aus dem Alltag sensorisch untersucht.³³⁾ Zur physikalischen Chemie entstanden praxisorientierte und anschauliche Konzepte. So zeigen Homann und Henning am Beispiel der Wärmeversorgung in Grönland einen kontext- und problemorientierten Zugang zur Kalorimetrie.³⁴⁾

Um physikalische Größen wie die Entropie anschaulich im Chemieunterricht einzuführen, präsentierte Van Nek eine Arbeit zum Verständnis und Vermitteln dieser physikalischen Größe.³⁵⁾

Alltagsnahe Beispiele machen Lernenden Konzepte und Experimente leicht zugänglich. Parchmann et al. geben in ihrem Beitrag zur Unterrichtsplanung mit Kontexten aus dem Alltag den Lehrkräften fachdidaktische und methodische Werkzeuge an die Hand, die als Hilfe dienen sollen, Unterrichtseinheiten zu planen und festzustellen, was Lernende an Vorwissen, Vorstellungen und Voraussetzungen mitbringen.³⁶⁾

Empirische Lehr-Lern-Forschung

Die empirische Lehr-Lern-Forschung ist neben der experimentell-konzeptionell orientierten Forschung die zweite wichtige Säule im Forschungsfeld Chemiedidaktik. Dieser Forschungsbereich nutzt Methoden der empirischen Sozialforschung, um beispielsweise Lehr- und Lernprozesse zu untersuchen oder Gelingensbedingungen für fachliches Lernen zu identifizieren.

Methodisches Vorgehen

Die Datengrundlage für den diesjährigen Trendbericht bildet bei der empirischen Lehr-Lernforschung der Tagungsband der Jahrestagung der Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik (GDCP) 2023. Die Analyse des Tagungsbands soll einen Überblick über die nationale empirische Lehr-Lern-Forschung der Chemiedidaktik von September 2023 bis August 2024 schaffen.

In die Analyse einbezogen wurden alle Beiträge, die einen Bezug zur Chemiedidaktik haben. Es sind somit auch Beiträge enthalten, die beispielsweise die Grundschule betreffen oder pädagogische Fachkräfte außerhalb der Schule. Insgesamt lassen sich 129 Beiträge des Tagungsbands der chemiedidaktischen empirischen Lehr-Lern-Forschung zuordnen. Diese Beiträge wurden kategorisiert nach der angesprochenen Zielgruppe, dem chemischen Fachgebiet und dem Forschungsschwerpunkt. Die jeweiligen Unterkategorien wurden dabei in Anlehnung an den Trendbericht 2023³⁾ formuliert.

Zielgruppen chemiedidaktischer Forschung

Wie im Jahr 2023 fokussiert der Großteil der vorgestellten Forschungsarbeiten Schüler:innen allgemeinbildender Schulen. Am häufigsten sind Forschungsprojekte im Kontext der Sekundarstufe I (Klassen 5 bis 9 oder 10 – je nach G8 oder G9); Sekundarstufe II (Klassen 10 oder 11 bis 12 oder 13) und Primarstufe (Klassen 1 bis 4) sind seltener Gegenstand der Forschung. Etwas mehr als ein Drittel der Forschungsarbeiten beschäftigt sich mit Lehr- und Lernprozessen in der Hochschule (Abbildung 5). Dies zeigte sich bereits im Trendbericht 2023.³⁾

Veränderungen zum vorherigen Trendbericht zeigen sich vor allem bei den Berufsschüler:innen sowie Referendar:innen und Lehrkräften im Dienst:^{z.B. 37–39)} Die beiden zuletzt genannten sind deutlich häufiger Zielgruppe chemiedidaktischer Forschung als 2023; Berufsschüler:innen dagegen sind in den vorgestellten Projekten nicht mehr Forschungszielgruppe.

Referendar:innen und Lehrkräfte im Dienst sind vor allem deshalb als Zielgruppe wieder stärker vertreten, weil die Autor:innen der vorgestellten Projekte etliche Fortbildungen zum Themenspektrum digitale Medien für diese Zielgruppe konzipiert und evaluiert haben. Vor allem das Schülerlabor wird hierbei als Fortbildungsraum entdeckt und genutzt.

Chemische Fachgebiete in der chemiedidaktischen Forschung

Der Großteil der analysierten Forschungsarbeiten beschäftigt sich mit übergeordneten Themen, etwa mit Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE)^{z.B. 40–42)} oder Versuchsprotokollen.^{z.B. 43,44)} Auch interdisziplinäre Themen, beispielsweise die Realisierung eines inklusiven naturwissenschaftlichen Unterrichts, werden vergleichsweise häufig beforscht.^{z.B. 45,46)}

Die klassischen chemischen Fachgebiete (allgemeine, anorganische, organische und physikalische Chemie) sind in den Beiträgen zur chemiedidaktischen Forschung weniger präsent (Abbildung 6). Die meisten Beiträge, die zu den klassischen chemischen Fachgebieten gehören, kommen aus der allgemeinen Chemie. Erklären lässt sich dies so: Schüler:innen der Sekundarstufe I, die oft Zielgruppe chemiedidaktischer Lehr-Lern-Forschung sind, kommen im curricularen Verlauf häufig zunächst mit allgemeiner Chemie in Kontakt. Thematisiert werden oft Säure-Base-Reaktionen.^{z.B. 47–49)} Anorganische Chemie, organische Chemie^{z.B. 50,51)} und physikalische Chemie sind seltener in den Forschungsarbeiten vertreten.

Forschungsschwerpunkte in der chemiedidaktischen Forschung

In Anlehnung an den Trendbericht der Chemiedidaktik 2023³⁾ wurden die sieben häufigsten Forschungsschwerpunkte identifiziert (Abbildung 7).

Es gibt Ähnlichkeiten zu den Ergebnissen des Trendberichts 2023: Digitale Medien sind weiterhin das am meisten beforschte Gebiet. Die Hochschuldidaktik als Forschungsgegenstand lag im Jahr 2023 an zweiter Stelle und liegt 2024 an dritter Stelle. Abgelöst wurde sie durch Forschungen zu Inklusion und Heterogenität. Forschung zum Professionswissen von Lehrkräften sowie zu Modellen und Modelldenken gehören nun nicht mehr zu den sieben häufigsten Forschungsfeldern, sie wurden ersetzt von Forschung zu Schülerlaboren sowie zur BNE.

Sowohl im Forschungsfeld Inklusion als auch in den Feldern Schülerlabore und BNE liegt der Forschungsfokus vermehrt darauf, digitale Medien sinnstiftend einzusetzen.

Inklusion und Heterogenität

Den digitalen Medien wird im Themenbereich Inklusion und Heterogenität ein besonderes Potenzial zugesprochen, Lernprozesse positiv zu beeinflussen, beispielsweise durch adaptive Hilfegebung.⁵²⁾ Im GDCP-Tagungsband finden sich entsprechend einige Forschungsarbeiten, in denen es darum geht, differenzierte, digital gestützte Lernangebote zu konzipieren und zu evaluieren:

Von Möhlenkamp, van Vorst, Habig und Ropohl beispielsweise haben untersucht, inwieweit eine digitale Lernleiter mit adaptiven Hilfen zum Bohrschen Atommodell bestimmte Aspekte beeinflusst. Dabei ist eine Lernleiter eine Methode, den Unterricht zu strukturieren, die in der Regel in einem schülerzentrierten, handlungsorientierten Unterricht mit freien Arbeitsprozessen eingesetzt wird. Die Aspekte, welche die Gruppe um von Möhlenkamp untersuchte, waren Fachwissen, Interesse, Motivation und Selbstkonzept der Lernenden. Im selben Projekt untersuchten die Autor:innen, inwiefern sich die Lernleiter unterscheidet, wenn sie auf Papier oder digital genutzt wird. Zentrales Ergebnis dieser Studie: Die Lernenden mit der digitalen Lernleiter haben im Unterricht signifikant mehr gelernt als mit der analogen und dieses Wissen über zwölf Wochen behalten.⁵³⁾

In einem anderen Projekt zur Nutzung digitaler Medien, mit denen sich das Lernangebot differenzieren lässt, unterstützte ein interaktives E-Book (das Multitouch Learning Book) eine im Schülerlabor eingesetzte Differenzierungsmatrix. In dieser Matrix gibt es mehrere Aufgaben, die nach thematischer und kognitiver Komplexität geordnet sind – Lernende können so Aufgaben wählen, die zu ihren Interessen und Kenntnissen passen. Konkret zeigte sich: Wissen, Interesse und (Leistungs-)Emotionen der Teilnehmer:innen werden positiv beeinflusst, wenn das entwickelte digital differenzierte Lernmodul zum Thema Haushaltsreiniger eingesetzt wird.⁴⁷⁾

Dies sind nur zwei Beispiele aus dem Forschungsfeld zur Inklusion und Heterogenität. Andere Arbeiten erforschen das NinU-Schema,⁵⁴⁾ ein Raster zur Planung und Reflexion inklusiven naturwissenschaftlichen Unterrichts, und den inklusiven Nawi-Unterricht.^45,46,55,56) Hierbei nehmen Forschungsakteure zunehmend das forschende Lernen als Unterrichtsansatz in den Blick.^57,58)

In das große Feld der Inklusion und Heterogenität gehört zudem Forschung zu Mehrsprachigkeit und sprachsensiblem Fachunterricht.^59–61)

Versuchsprotokolle – die am meisten beforschte Textart

Bei den kommunikativen Kompetenzen von Lernenden in Schule und Hochschule ist das Versuchsprotokoll die Textart, die am meisten beforscht wird. Untersucht werden dabei unterschiedliche Förder- und Feedbackmaßnahmen, die die Text-⁴³⁾ oder Reflexionsqualität⁶²⁾ verbessern sollen. Zudem wird untersucht, wie Lehrkräfte Versuchsprotokolle beurteilen, und erstmals werden elektronische Versuchsprotokolle in der Hochschule eingesetzt. Dies wird anschließend evaluiert.^44,63)

KI und maschinelles Lernen – Fokus: Hochschuldidaktik

Zukunftsträchtige Forschungsgebiete zu digitalen Medien sind KI und maschinelles Lernen. Im GDCP-Tagungsband gab es mehr Beiträge zu diesem Themenfeld als im Jahr 2023. Die Zahl der Beiträge ist aber noch eher gering (6 entsprechend 4,65 %). Nahezu alle Beiträge fokussieren die Hochschule. Beispielsweise wird das Thema KI den digitalen Kompetenzen für das Lehramt in den Naturwissenschaften (DiKoLAN) zugeordnet.⁶⁴⁾ Zudem wird ein Pilotprojekt vorgestellt, in dem Masterstudierende ihren Unterricht mit ChatGPT planen und anhand ausgewählter Kriterien reflektieren. Wie sich dabei zeigte, sind Unterrichtspläne von ChatGPT qualitativ schlechter als die von Studierenden erstellten Entwürfe: Die KI-Entwürfe wurden in 14 von 15 Kriterien – darunter Passgenauigkeit des Verlaufsplans mit den Lernzielen und Differenzierungsmaßnahmen – schlechter bewertet als die von den Studierenden erstellten Verlaufspläne. Dennoch entstanden durch ChatGPT Planungsentwürfe, die als Grundlage für eine Unterrichtsplanung dienen könnten. Die Ergebnisse deuten darauf hin: Ein Seminar, in dem ChatGPT zur Planung und Gestaltung von Chemieunterricht thematisiert und genutzt wird, kann die Unterrichtsplanungen von Lehramtsstudierenden verbessern.⁶⁵⁾

Ein Projekt untersuchte, inwieweit ChatGPT eine Schulbuchaufgabe zu Säure-Base-Reaktion lösen kann: ChatGPT erkennt nahezu fehlerfrei, ob ein Stoff eine Säure oder eine Base ist. In allen anderen Bereichen – beispielsweise Aufstellen einer Netto- und Brutto-Reaktionsgleichung oder Vorhersage des Gleichgewichts – waren die Ergebnisse „durchwachsen“: Es gab richtige Ergebnisse, aber nicht immer. Der Autor sieht das Prompt Engineering als Möglichkeit, bessere Ergebnisse zu erzielen.⁶⁶⁾

Zu maschinellem Lernen wurden ebenfalls erste Forschungsvorhaben vorgestellt. Ein Projekt beispielsweise untersucht die Argumentationskompetenzen von Studierenden in der organischen Chemie: Wie plausibel sind alternative Reaktionsprodukte? Dies sollen die Studierenden argumentativ klären. In dem Projekt wird entsprechend der computational grounded theory qualitative Forschung mit computergestützten Methoden kombiniert, sodass sich große Datenmengen systematisch analysieren und auf dieser Grundlage Theorien generieren lassen. Wie die Studie unter anderem zeigte, eignet sich das genutzte Clustering Verfahren Hierarchial Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (HDBSCAN), um Komplexität und Themen der Argumentation von Studierenden zu bewerten.⁶⁷⁾

Ein Projekt nutzt Large Language Models – also ein computerlinguistisches Wahrscheinlichkeitsmodell, das unspezifische Texte erzeugt –, um die schriftlichen Reflexionen Studierender zu klassifizieren. Dabei wird etwa untersucht, inwiefern ein Tool, das auf maschinellem Lernen basiert, Reflexionsprozesse von Lehramtsstudierenden hinsichtlich ihrer Unterrichtsplanungen unterstützen kann. Der Trainingsprozess des Modells läuft noch, sodass noch keine Ergebnisse veröffentlicht sind.⁶⁸⁾

Game-Based-Learning – ein anhaltender Trend

Bei den digitalen Medien zeigt sich Game-based-Learning als anhaltender Trend. In den Tagungsbandbeiträgen finden sich etliche Projekte, in denen beispielsweise Educational Escape Games (EEG) zu unterschiedlichsten Themen entwickelt und evaluiert wurden, etwa zur Spannungsreihe der Metalle,⁶⁹⁾ zu Green Chemistry⁷⁰⁾ oder dem Diebstahl von Ötzis Beil⁷¹⁾. In diesem Zuge stellt sich auch das Netzwerk „Chemistry NeErDs – Chemie-Netzwerk Educational Escape Rooms Deutschland“ vor. Die Initiator:innen freuen sich über neue Mitglieder, Themenschwerpunkte und Austausch zwischen Akteur:innen, die die Lernwirksamkeit von EEGs wissenschaftlich erforschen, und der Vermittlungspraxis.⁷²⁾

Der Einsatz von EEGs wird nicht nur in der Schule erforscht, sondern auch in der Hochschullehre. Hierbei werden beispielsweise Selbsteinschätzungen von Studierenden erfragt, etwa zur Motivation, dem Fachinteresse und zum Umgang mit Problemen nach der Durchführung von EEGs im Laborpraktikum zur allgemeinen Chemie. Die eingesetzten EEGs in dieser Studie thematisieren die „Einführung ins Labor“, die „Säure-Base-Titration“ sowie die „qualitative Salzanalyse“. Wie erste Ergebnisse zeigen, steigern die EEGs die intrinsische Motivation der Studierenden, auch durch die Teamarbeit und den spielerischen Ansatz.⁷³⁾

Schülerlabore

Auch Schülerlabore nutzen EEGs. Darüber hinaus werden im Kontext Schülerlabor Studien vorgestellt zum Fach- und Sachinteresse von Schüler:innen,⁷⁴⁾ zu Nature of Science⁷⁵⁾ oder zu neuartigen Formaten wie Blended Learning.

Ein Forschungsprojekt untersucht, inwiefern sich mehr Fachwissen aneignen lässt, wenn die schulische Vor- und Nachbereitung eines Schülerlaborbesuchs im Blended-Learning-Format stattfindet. Zunächst wurden in dem Projekt Lehrkräfte befragt, welche organisatorischen und inhaltlichen Anforderungen eine solche digitale Vor- und Nachbereitung erfüllen sollte. Wie sich dabei zeigte, wünschen sich Lehrkräfte vorab vor allem einen stärkeren Einblick in die Versuche und die zugrunde liegenden Fachinhalte.⁷⁶⁾

Neben diesen Inhalten werden digitale Lernangebote⁷⁷⁾ und innovative Ansätze, wie die Verzahnung der ersten und dritten Phase der Lehrkräftebildung in Form von Tandems,⁷⁸⁾ diskutiert und erforscht.

Drei Fragen an die Autorinnen: Dominique Rosenberg und Henriette Pohle

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

Bei den nationalen Artikeln waren wir sehr erfreut, dass diese viele praktische Schulexperimente enthielten. Dies ist eine deutliche inhaltliche Abgrenzung gegenüber internationalen Publikationen.

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

Vermutlich werden die experimentellen und konzeptionellen Artikel im Bereich Basiskonzepte sowie Unterrichtskonzepte wachsen. Zudem sind wir überzeugt, dass Katalyse deutlich häufiger inhaltlicher Schwerpunkt wird und uns dort interessante neue Konzepte für den Chemieunterricht erwarten.

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Experimente zu Batterieneuheiten für den Chemieunterricht entwickeln; Lernumgebungen zu gesellschaftsrelevanten Themen gestalten.

Dominique Rosenberg (oben) und Henriette Pohle haben den Trendberichtteil zur experimentell-konzeptionellen Forschung verfasst. Rosenberg ist Professorin für Didaktik der Chemie an der Universität Rostock. Sie hat im Jahr 2017 über Redoxflussbatterien als Thema des Chemieunterrichts promoviert. Pohle ist seit März 2024 Doktorandin in Rosenbergs Arbeitskreis und entwickelt als Stipendiatin der Friedrich-Ebert-Stiftung Unterrichtsmaterialien zu biobasierten Kunststoffen. Sie absolvierte ein Lehramtsstudium für Gymnasien an der Universität Rostock in der Fächerkombination Chemie und Sozialkunde.

Drei Fragen an die Autorin: Hanne Rautenstrauch

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

Der verglichen mit dem Vorjahr beachtlich höhere Anteil an Artikeln, in denen Lehrkräftefortbildungen zum Themenbereich digitale Medien entwickelt, angeboten und evaluiert werden, hat mich positiv überrascht. Im Jahr 2023 war diese Fülle an dringend notwendigen Angeboten noch nicht abzusehen, daher freut mich diese Entwicklung sehr.

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

Im Themenbereich Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen stehen wir in der Forschung noch am Anfang. Die bisherigen Arbeiten fokussieren hauptsächlich noch die Hochschule. Ich denke, es ist nur eine Frage der Zeit, bis sich die chemiedidaktische Forschung auch im Kontext Schule mit dieser Thematik beschäftigt, und erwarte, dass sich hier einige neue Forschungsansätze und -ideen entwickeln.

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Ich entwickle und evaluiere (digitale gestützte) Experimente und Unterrichtsmaterialien zu alltagsbezogenen, aktuellen Themen.

Hanne Rautenstrauch hat den Trendberichtteil zur Lehr-Lern-Forschung (ab S. 15) 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. Gökkuş, T. Wilke, B. Pölloth, S. Schwarzer, Nachr. Chem. 2021, 69(12), 8
• ³ D. Rosenberg, H. Rautenstrauch, Nachr. Chem. 2023, 71(12), 8
• ⁴ M. Maaß, P. Lanfermann, S. Habig, Nachr. Chem. 2022, 70(12), 17
• ⁵ Sonderheft im World Journal of Chemical Education 2023, 11(3), 121
• ⁶ I. Eilks, B. Ralle, Unterricht Chemie 2023, 197
• ⁷ M. Prechtl, I. Krenare, Y. L. Legscha, MNU 2023, 6, 505–511
• ⁸ I. Eilks, M. Zorn, C. Zowada, Unterricht Chemie 2023, 199
• ⁹ F. Brockhage, H. Ampel, M. Lüsse, V. Pietzner, M. Beeken CHEMKON 2023, doi: 10.1002/ckon.202100091
• ¹⁰ J. Menthe, L. Halbrock, A. Meisert, P. Behrens, Unterricht Chemie 2023, 199
• ¹¹ M. W. Tausch, J. Schneidewind, Chem. unserer Zeit 2023, doi: 10.1002/ciuz202300016
• ¹² J. Venzlaff, C. Bohrmann-Linde, CHEMKON 2023, doi: 10.1002/ckon.202300016
• ¹³ P. Wlotzka, Unterricht Chemie 2023, 197
• ¹⁴ K. Sommer, S. Betten, Unterricht Chemie 2024, 200
• ¹⁵ M. Krake, M. Akyüz, I. Jimenez Fabian, K. Sommer, Unterricht Chemie 2024, 200
• ¹⁶ M. Theuermann, S. Tassoti, P. Spitzer, Chemie & Schule 2023, 3
• ¹⁷ M. Theuermann, S. Tassoti, P. Spitzer, Chemie & Schule 2023, 4
• ¹⁸ P. Wlotzka, Unterricht Chemie 2023, 197
• ¹⁹ S. Bernholt, Unterricht Chemie 2023, 197
• ²⁰ J. Schmidt, T. Korte, H. Amel, M. Beeken, CHEMKON 2024, doi: 10.1002/ckon.202300013
• ²¹ P. Pfeier, S. Venke, A. Deifel, Unterricht Chemie 2024, 200
• ²² D. Quarthal, M. Oetken, Nachr. Chem. 2024, doi: 10.1002/nadc.20244139462
• ²³ D. Quarthal, M. Oetken, World Journal of Chemical Education 2023, doi: 10.12691/wjce-11–3–15
• ²⁴ D. Rosenberg, Nachr. Chem. 2023, doi: 10.1002/nadc.20234138976
• ²⁵ D. Rosenberg, World Journal of Chemical Education 2023, doi: 10.12691/wjce-11–3–16
• ²⁶ M. Ducci, CHEMKON 2023, doi: 10.1002/ckon.202300028
• ²⁷ M. Ducci, Nachr. Chem. 2024, doi: 10.1002/nadc.20244139452
• ²⁸ I. Seibert, L. Leppia, L. v. Mühlen, S. Schramm, J.-N. Seibert, Unterricht Chemie 2024, 199
• ²⁹ M. Reinmold, A. Fahim, A. Lühken, CHEMKON 2023, doi: 10.1002/ckon.202200028
• ³⁰ M. Reinmold, J. Grob, B. Hohm, A. Lühken, CHEMKON 2023, doi: 10.12691/wjce-11–3–14
• ³¹ D. Lüke, L. Zell, M. Oetken, Chem. unserer Zeit 2023, doi: 10.1002/ciuz.202100027
• ³² L. Zell, D. Lüke, M. Oetken, Nachr. Chem. 2023, doi: 10.1002/nadc.20234137090
• ³³ S. Coldewey, S. Muche, M. Preetz, N. Belova, Unterricht Chemie 2023, 197
• ³⁴ A. Homann, S. Henning, Unterricht Chemie 2024, 201
• ³⁵ R. van Nek, Unterricht Chemie 2024, 201
• ³⁶ I. Parchmann, P. Wlotzka, J. Lossjew, Unterricht Chemie 2023, 197
• ³⁷ C. Kiel, S. Schwedler, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 898–901
• ³⁸ M. Brusdeilins, S. Abels, E. Blumberg et al., GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 902–905
• ³⁹ D. Diermann, C. Egerer, C. Flerlage et al., GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 914–917
• ⁴⁰ M. Prechtl, K. Bliesmer, S. Rinaldi et al., GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 48–53
• ⁴¹ B. Risch, I. Jupke, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 194–197
• ⁴² L. Lutz, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 326–329
• ⁴³ J.-M. Österlein, M. Ropohl, S. Habig, M. Morek, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 142–145
• ⁴⁴ S. Streller, A. Knoechelmann, C. Bolte, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 554–557
• ⁴⁵ J. Menthe, F. Pawlak, L. Stinken-Rösner, E. Watts, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 466–469
• ⁴⁶ G. Pantiri, T. Wilhelm, L. M. Burkhardt et al., GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 470–473
• ⁴⁷ N. ter Horst, J. Dietrich, T. Wilke, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 62–65
• ⁴⁸ R. E. Krebs, M. Rost, A. Lembens, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 238–241
• ⁴⁹ A. Lembens, M. Meier, M. Rost, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 558–561
• ⁵⁰ I. Braun, N. Graulich, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 358–361
• ⁵¹ B. Pölloth, S. Schwarzer, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 454–457
• ⁵² S. Schnebel, M. Gaidetzka, C. Schmidt, Schulmagazin 2022, 5–10, 7, 22–25
• ⁵³ M. Möhlenkamp, H. van Vorst, S. Habig, M. Ropohl, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 58–61
• ⁵⁴ E. Hofer, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 110–113
• ⁵⁵ T. Fuhrmann, S. Abels, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 710–713
• ⁵⁶ F. List, S. Abels, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 714–717
• ⁵⁷ A. Fietkau, E. Hofer, S. Abels, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 718–721
• ⁵⁸ L. Willmes, H. van Vorst, M. Ropohl, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 462–465
• ⁵⁹ R. Sowinski, S. Abels, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 306–309
• ⁶⁰ R. Gieske, S. Freudenberg, C. Bolte, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 850–853
• ⁶¹ S. Unger, C. Borchert, G. Heinrich, K. Höner, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 706–709
• ⁶² V. Fischer, S. Gerlach, H. van Vorst, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 270–273
• ⁶³ C. Eitemüller, S. Rumann, V. Fischer, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 834–837
• ⁶⁴ J. Huwer, L.-J. Thomas, L. von Kotzebue et al., GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 78–81
• ⁶⁵ M. Brott, C. Egerer, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 126–129
• ⁶⁶ S. Tassoti, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 578–581
• ⁶⁷ P. P. Martin, D. Kranz, P. Wulff, N. Graulich, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 74–77
• ⁶⁸ B. Münch, O. Tepner, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 1018–1020
• ⁶⁹ V. Engstler, A. Marohn, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 658–661
• ⁷⁰ C. Lathwesen, N. Belova, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 662–665
• ⁷¹ K. Sommer, C. Toschka, T. P. Schröder, C. G. Strippel, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 666–669
• ⁷² C. G. Strippel, K. Groß, A. Schumacher et al., GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 654–657
• ⁷³ M. Hansel, L. Semmler, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 170–173
• ⁷⁴ X. Schäfer, S. Habig, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 530–533
• ⁷⁵ T. Binder, S. Kurschildgen, E. Schmidt, K. Kremer, S. Schwarzer, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 686–689
• ⁷⁶ F. Pawlak, S. Schwarzer, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 674–677
• ⁷⁷ S. Abels, R. Sowinski, E. Hofer, A. Rodenhauser, L. Stinken-Rösner, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 938–941
• ⁷⁸ J.-N. Seibert, GDCP Jahrestagung Hamburg 2023, 926–929

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