„Lücken aufzeigen“ – Modellierung und Visualisierung von Komplementärmodellen kubischer Kristallstrukturen
Staatsexamensarbeit L3 (Dezember 2021)
Eingereicht von: Alexander Weber
GutachterIn: Prof. Dr. Nicole Graulich, Prof. Dr. Bernd Smarsly
Typische, uns umgebende Feststoffe, wie beispielsweise Salze, liegen als Kristalle avor und weisen gewöhnlich räumliche, periodische Anordnungen der Bausteine auf. Im Rahmen der schulischen und universitären chemischen Ausbildungen wird der Aufbau von Kristallen insbesondere auf der Basis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen thematisiert. Gewissermaßen sind in diesem Kontext Kristalle und die Anordnungen der Bausteine Modellierungen. In dieser wissenschaftlichen Hausarbeit werden Konstruktmodelle der drei kubischen Kristallstrukturen nach Auguste Bravais betrachtet. Für diese existieren bereits verschiedene Modelle, wie die sogenannten Bravais-Gitter, die Kugelpackungen und die Elementarzellen. Diese Modelle basieren auf der Annahme, dass die entsprechenden Bausteine der Kristallstrukturen durch Kugeln verkörpert werden. Bei den zuvor genannten Modellen existieren charakteristische Zwischenräume, die in der Fachliteratur und der Lehre mithilfe konvexer Körper untersucht und dargestellt werden. Basierend auf dieser Annahme können diese Zwischenräume keine Konvexität aufweisen. Zur Verbesserung studentischer Vorstellungen wurden aus diesem Grund Modelle entwickelt, die den Lernenden die „Lücken aufzeigen“ in Modellen aufzeigen. Diese Modelle werden als Komplementärmodelle bezeichnet. Im Rahmen des Modellierungsprozesses wurde diesbezüglich festgestellt, dass abhängig von der Repräsentationsart verschiedene Herausforderungen und Möglichkeiten bestehen. Diesbezüglich wurden die Komplementärmodelle als ikonische Modelle, in Anlehnung der bereits existierenden Modelle der Lücken in Kristallstrukturen, modelliert. Daraufhin wurden diese als haptisch-interaktive Modelle, Animationen und Simulationen weiterführend visualisiert, sodass einer Verwendung in der Lehre ermöglicht wird.
Entwicklung einer prozessorientierten Augmented-Reality-Lernumgebung zur Unterstützung der Verknüpfung von makroskopischer und submikroskopischer Ebene im organisch-chemischen Praktikum
Staatsexamensarbeit L3 (Oktober 2020)
Eingereicht von: Felix Opitz
Gutachterin: Prof. Dr. Nicole Graulich, Liz Keiner
Um Studierenden die Möglichkeit zu geben, ihr Wissen praktisch anzuwenden, werden in der Hochschule eine Vielzahl von Laborpraktika durchgeführt (z.B. Reid & Shah, 2007), obwohl empirisch erwiesen ist, dass Studierende oft Schwierigkeiten haben, makroskopische Laborphänomene mit submikroskopischen Konzepten, die in Vorlesungen gelehrt werden, in Verbindung zu bringen (z.B. Keiner & Graulich, 2020, 2021; Kozma & Russell, 1997; Johnstone, 1991, 1993, 2000). Speziell im organisch-chemischen Praktikum stellt oftmals nicht der eigentliche Reaktionsschritt Studierende vor kognitive Herausforderungen, sondern die Aufarbeitung des Produkts (Hill & Sweeney, 2015). Hierbei zeigte sich, dass insbesondere Flüssig-Flüssig-Extraktionen (FFE) eine Aufarbeitungsmethode sind, bei denen es zu besonders großen Problemen kommt (z.B. Celius et al., 2016, Wu et al., 2020).
In dieser Staatsexamensarbeit wird ein neuer Ansatz vorgeschlagen, wie Studierende dabei unterstützt werden können, während der Durchführung von FFE zwischen den verschiedenen Repräsentationsebenen zu wechseln und somit zu einem vertieften konzeptionellen Verständnis dieser Ausarbeitungsmethode gelangen. Als Instrument hierfür wurde eine Augmented- Reality-Lernumgebung entwickelt, die das sinnstiftende Denken der Studierenden in Bezug auf die Übergänge zwischen der makroskopischen und submikroskopischen Ebene verbessern soll. Augmented Reality (AR) bezeichnet hierbei die Erweiterung der Realität durch virtuelle Elemente. Um die AR-Anwendung zu erstellen, wurde in dieser Arbeit eine zweigeteilte Methode unter Verwendung der Programme Blender und Unity genutzt: Als AR-Content dienen verschiedene Animationen, die mit Hilfe von Blender gestaltet wurden und schließlich mit Hilfe von Unity in android-basierte AR-Apps umgesetzt worden sind. Der komplette Erstellungsprozess kommt ohne Programmierkenntnisse aus.
Die AR-Lernumgebung ist in das organisch-chemische Labor mit einem Scaffold implementiert worden, das die Studierenden dazu anregen soll, ihr Vorgehen während einer FFE durch pre- und post-lab-tasks zu planen, zu begründen und zu reflektieren. Schließlich wurden Limitierungen der erstellten AR-Lernumgebung sowie ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen im Bereich der AR im Kontext von CER diskutiert.
Literatur:
Celius, T. C., Peterson, R. C., Anderson-Wile, A. M. & Kraweic-Thayer, M. (2018). From Observation to Prediction to Application: A Guided Exercise for Liquid–Liquid Extraction. Journal of Chemical Education, 95(9), 1626–1630.
Hill, G. B. & Sweeney, J. B. (2015). Reaction Workup Planning: A Structured Flowchart Approach, Exemplified in Difficult Aqueous Workup of Hydrophilic Products. Journal of Chemical Education, 92(3), 488–496.
Johnstone, A. H. (1991). Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem. Journal of Computer Assisted Learning, (7), 75–83.
Johnstone, A. H. (1993). The development of chemistry teaching: A changing response to changing demand. Journal of Chemical Education, 70(9), 701–705.
Johnstone, A. H. (2000). TEACHING OF CHEMISTRY - LOGICAL OR PSYCHOLOGICAL? Chemistry Education Research and Practice, 1(1), 9–15.
Keiner, L. & Graulich, N. (2020). Transitions between representational levels: characterization of organic chemistry students’ mechanistic features when reasoning about laboratory work-up procedures. Chemistry Education Research and Practice, 21(1), 469– 482.
Keiner, L. & Graulich, N. (2021). Beyond the beaker: students’ use of a scaffold to connect observations with the particle level in the organic chemistry laboratory. Chemistry Education Research and Practice, 22, 146–163.
Kozma, R. B. & Russell, J. (1997). Multimedia and understanding: Expert and novice responses to different representations of chemical phenomena. Journal of Research in Science Teaching, 34(9), 949–968.
Reid, N. & Shah, I. (2007). The role of laboratory work in university chemistry. Chemistry Education Research and Practice, 8(2), 172–185.
Wu, N., Kubo, T., Hall, A. O., Zurcher, D. M., Phadke, S., Wallace, R. L. et al. (2020). Adapting Meaningful Learning Strategies to Teach Liquid–Liquid Extractions. Journal of Chemical Education, 97(1), 80–86.
„Was hast du als Lösung?“ Gezielter Einsatz von Peer-Lösungen zur Verbesserung des eigenen mechanistischen Denkens
Staatsexamensarbeit L3 (Februar 2020)
A. Langner
Eingereicht von: Axel Langner
Gutachterin: Prof. Dr. Nicole Graulich, Julia Eckhard
Aus Lewis-Strukturen, Elektronenpfeilen und Mechanismen sind Informationen über zugrundeliegende chemische Eigenschaften nicht direkt ersichtlich. Chemiker stehen daher vor der Herausforderung die gezeigten Repräsentationen mit chemischen Konzepten zu verknüpfen, um durch mechanistisches Denken Fragestellungen in der Organik zu bewältigen. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass Chemie-Studierende erhebliche Defizite in der Anwendung der Struktur-Eigenschafts-Beziehung und dem mechanistischen Denken haben. Aufgrund dessen wurde eine Lernumgebung entwickelt, welche die Vorteile eines strukturierten Aufgabengerüsts (Scaffolds) und eines kooperativen Peer-Reviews verbindet. Auf Basis des Argumentationsgerüsts vergleichenden mechanistischen
Denkens von Caspari, Kranz & Graulich (2018) wurde eine Aufgabensequenz designt, anhand dessen die Studierenden einzelne argumentative Teilaspekte und die Qualität der Begründungsstruktur mechanistischen Denkens angeleitet reflektieren können. Die Lernumgebung wurde an zwölf Studierenden des Lehramts Chemie erprobt, um zu ermitteln, inwiefern Studierende durch angeleitete Analyse von Peer-Lösungen das eigene vergleichende mechanistische Denken in der organischen Chemie verbessern können. Es hat sich gezeigt, dass sich die Lernumgebung positiv auf die eigene mechanistischen Begründungsstruktur auswirkt, und die Qualität der Begründungen steigt. Weiterhin bietet die Lernumgebung einige Anregungen zur Reflexion der eigenen Begründungsstruktur auf metakognitiver Ebene. Aufbauend auf den Ergebnissen sind Implikationen für weitere Forschungen und für die Lehre abgeleitet worden.
Designing instructional videos guided by principles of multimedia learning for mechanistic reasoning in organic chemistry
Bachelor-Thesis (Januar 2020)
Eingereicht von: Anna-Maria Fotidis
Gutachterin: Prof. Dr. Nicole Graulich, Julia Eckhard
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurden Instruktionsvideos entwickelt, die zum einen den Lernschwierigkeiten Studierender der Organischen Chemie begegnen sollen, zum anderen im Design multimedialen Gestaltungsprinzipien entsprechen. Idealerweise sollten Studierende mechanistisches und kausales Denken beherrschen, um ein gutes Verständnis für die organische Chemie zu erwerben und um Mechanismen erklären und diese auch voraussagen zu können. In den erstellten Instruktionsvideos fand die Argumentationsstruktur nach Caspari Kranz & Graulich (2018) in Kombination mit kontrastierenden Fallvergleichen inhaltlich Anwendung und wurde durch dynamische Visualisierungen, die an Eye-Movement-Modeling-Examples angelehnt sind, visuell ergänzt. Dieses dynamische Hervorheben soll den Studierenden helfen ihre Aufmerksamkeit zum richtigen Zeitpunkt auf die relevanten Merkmale der Repräsentation zu lenken. Dadurch können sie wichtige Informationen einfacher von den irrelevanten unterscheiden. Insgesamt sind in dieser Arbeit vier Instruktionsvideos zur nukleophilen Substitution erster und zweiter Ordnung entstanden, die in einem OC1 Kurs eingesetzt werden können.
Hands-on Activities zur Förderung des Verständnisses von Kristallstrukturen – Analyse und Redesign einer handlungsorientierten Lernumgebung in den Materialwissenschaften
Staatsexamensarbeit L3 (Dezember 2018)
Eingereicht von: Martin Steinbach
Gutachterin: Prof. Dr. Nicole Graulich, S. Lenzer
Das Wissen über den Aufbau von kristallinen Festkörpern und die Beziehung zwischen einer Struktur und ihren Eigenschaften wird in der Materialwissenschaft unter anderem dazu genutzt, moderne Werkstoffe zu entwickeln. In der Hochschullehre wird den Studierenden dieses Wissen traditionell mit Hilfe von zwei- sowie dreidimensionalen Modellen veranschaulicht und vermittelt. Um beim Wechsel zwischen den verschiedenen Modellen alle wichtigen Informationen der jeweiligen Kristallstruktur zu erfassen, müssen die Studierenden teilweise zusätzliche kognitive Ressourcen aufwenden. Der daraus resultierende „cognitive overload“ kann allerdings dazu führen, dass die Erarbeitung von neuem Lehrstoff mit Hilfe von Modellen erschwert und nicht, wie ursprünglich intendiert, erleichtert wird.
Um diesem Problem zu begegnen, wird an der JLU Gießen im Modul Materialwissenschaft III neben der traditionellen Lehre eine Hands-on Activity durchgeführt, mit deren Hilfe eine Reduzierung der aufzuwendenden kognitiven Ressourcen erreicht werden soll. Im Rahmen der Arbeit „Hands-on Activities zur Förderung des Verständnisses von Kristallstrukturen – _Analyse und Redesign einer handlungsorientierten Lernumgebung in den Materialwissenschaften“ wurden videografierte Daten dieser Hands-on Activity qualitativ analysiert und evaluiert. Der Fokus lag dabei insbesondere auf der Frage, ob die Lernumgebung die Studierenden bei der Auseinandersetzung mit dem Aufbau von Kristallstrukturen unterstützen kann. Die qualitative Analyse der Daten zeigte, dass die handlungsorientierte Lernumgebung tatsächlich zu einer intensiven Auseinandersetzung mit verschiedenen Strukturmerkmalen (z.B. Kugelpackung, Polyederlücken, Koordinationszahl, Polyederverknüpfung) von Kristallstrukturen führt. Basierend auf diesen Analyseergebnissen wurde die ursprüngliche Hands-on Activity schließlich weiterentwickelt und optimiert.
Eine Diskursanalyse videographierter Tutorien zur Entwicklung eines Feedbacks zur Förderung der Handlungskompetenzen von Tutoren
Staatsexamensarbeit L3 (Sommersemester 2018)
Eingereicht von: Julia Ortmann
Erstgutachterin: Prof. Dr. Nicole Graulich
Es ist bekannt, dass die Handlungskompetenzen von Lehrer*innen einen erheblichen Einfluss auf den Lernprozess von Schülerinnen und Schülern haben. Anzunehmen ist, dass dies auch für den universitären Bereich gilt. Insbesondere für Chemietutorien sind jedoch kaum bis keine Studien zu diesem Thema zu finden. Im Rahmen des DFT-Moduls (Diagnostizieren-Fördern-Tutorieren) an der Justus-Liebig-Universität, in dem Lehramtsstudierende der Chemie Tutorien für Studierende des Nebenfachs Chemie entwickeln und durchführen, entwickelt diese Staatsarbeit ein Seminarkonzept, um den Lehramtsstudierenden ihre lernförderlichen oder lernhinderlichen Kommunikationsansätze während der Tutorien aufzuzeigen. Auf Grundlage einer qualitativen Analyse videographierter Tutorien und der Auswahl von Schlüsselstellen wurde im Anschluss ein Seminar entwickelt, in dem die Teilnehmer*Innen des DFT-Moduls unterschiedliche Fragetechniken und lernförderlichen Haltungen aus den Videoausschnitten und Transkripten gegenüberstellen und erarbeiten.
Empirische Untersuchung der Studienmotive und des pädagogischen Fachwissens von Lehramtsstudierenden im Fach Chemie
In einer Fragebogenstudie wurden die Motive von Lehramtsstudierenden für den Lehrerberuf ermittelt. Darüberhinaus wurde das pädagogische Fachwissen der Studierenden zu Beginn und am Ende ihres Studiums mit den Motiven in Beziehung gesetzt.
Die Ergebnisse der Arbeit sind in dem unten abgebildetem Artikel zusammengefasst. Der Artikel ist im uniforum, der Justus-Liebig-Universität Gießen, erschienen (uniforum; 29. Jahrgang, 2016, Nr.1/25. Februar 2016).
Erarbeitung eines didaktischen Konzeptes zur Integration von fachdidaktischem Wissen in die fachwissenschaftliche Ausbildung von Lehramtsstudentinnen und -studenten im Fach Chemie (L3) an der Justus-Liebig-Universität Gießen
Heike Kriewald
Master-Thesis (September 2015)
Eingereicht von: Heike Kriewald
Erstgutachterin: Prof. Dr. Nicole Graulich
In ihrer Masterarbeit hat Frau Kriewald sich mit der Frage beschäftigt, wie eine stärkere Verzahnung der fachdidaktischen und der fachwissenschaftlichen Anteile im Lehramtsstudium zu gestalten sind. Ziel war es, aufzuzeigen wie fachwissenschaftliche Veranstaltungen durch sinnvolle Veranstaltungsplanung und Gestaltung als Modell für gute Lehre fungieren können. Sie hat dazu, basierend auf bereits bestehenden Konzepten der Fachdidaktik und Hochschuldidaktik ein Modell entwickelt, dass es Fachwissenschaftlern erleichtert ihre Veranstaltungen mit einfachen Prinzipien zu planen und zu gestalten.
