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Artikelaktionen

Schwerpunkt Denkprozesse in der Organischen Chemie

Entwicklung und Validierung eines Diagnoseinstruments zu konzeptuellem und prozeduralem Wissen am Beispiel nukleophiler Substitutionsreaktionen in der Organischen Chemie

 

Staatsexamensarbeit L3 (November 2021)

 

Eingereicht von: Paul Martin

Gutachterin: Prof. Dr. N. Graulich, David Kranz

 

Bei Studierenden der Organischen Chemie sind sowohl die individuellen Fähigkeiten bei der Anwendung domänentypischer Konzepte – sogenanntes konzeptuelles Wissen – als auch die erfolgreiche Nutzung fachspezifischer bzw. fächerübergreifender Problemlösestrategien – prozedurales Wissen – heterogen verteilt. Um mit dieser Heterogenität differenziert umgehen zu können, ist eine detaillierte Diagnose des Lernausgangsniveaus von Studierenden bezüglich prozeduraler und konzeptueller Kompetenzen des mechanistischen Denkens notwendig. 

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf den Erkenntnissen der Wissenschaftsphilosophie aufbauendes Diagnoseinstrument zur Erfassung prozeduraler und konzeptueller Fähigkeiten von Studierenden der Organischen Chemie am Beispiel nukleophiler Substitutionsreaktionen entwickelt. Auf Grundlage einer quantitativen Erhebung (N = 72) konnte das Diagnoseinstrument nach der streng analytischen Vorgehensweise der Klassischen Testtheorie sowie der Item-Response-Theorie validiert werden, sodass psychometrische Testkriterien berücksichtigt wurden. Die Besonderheit dieses Diagnoseinstruments liegt darin, dass mithilfe der Frageitems nicht nur relevante Fachkonzepte der Organischen Chemie, sondern auch allgemeine Techniken beim Lösen mechanistischer Problemstellungen durch geschlossene Aufgabenformate operationalisiert werden. Somit kann präzise diagnostiziert werden, inwiefern auftretende Lernschwierigkeiten mit universalen, dem Lösungsprozess vorausgehenden Arbeitstechniken oder aber mit Schwierigkeiten bei der Anwendung fachlicher Konzepte zusammenhängen. Dies erlaubt eine parallele Förderung von individuellen Problemlösefähigkeiten und fachlichem Konzeptwissen. Mithilfe des Diagnoseinstruments kann in Form eines Prä-Post-Tests zudem die Wirksamkeit bereits existierender Lernhilfen, beispielsweise das Vergleichen zweier Reaktionsausschnitte mit Scaffolding, erhoben werden. Auf Basis der detaillierten Kenntnis von Lerndefiziten und möglichen Lernzugewinnen können bestehende Werkzeuge zur Förderung eines allgemeinen mechanistischen Denkens schließlich optimiert und weitere Ansatzpunkte für passgenaue Förderinstrumente extrahiert werden. 

 


 

Analyse von Entscheidungsprozessen von Studierenden bei Struktur-Energie-Betrachtungen

 

Sören Eidt
Sören Eidt

Staatsexamensarbeit L3 (August 2020)

 

Eingereicht von: Sören Eidt

Gutachterin: Prof. Dr. N. Graulich (W1), Julia Eckhard

 

In der Organischen Chemie werden Studierende häufig mit mechanistischen Problemstellungen konfrontiert und von ihnen verlangt Voraussagen über Reaktionsverläufe und energetische Veränderungen zu treffen. Sie müssen dabei in der Lage sein, verschiedenste Einflussfaktoren zu erkennen, zu deuten, gegenseitig abzuwägen und energetisch zu bewerten. Es hat sich allerdings gezeigt, dass Studierende sich bei ihren Lösungswegen häufig auf auswendig gelernte Muster oder oberflächliche Strukturmerkmale ohne tiefgründige Diskussion der elektronischen Effekte verlassen. Strukturformeln und Energiediagramme beinhalten als symbolische Darstellungsformen vielfältige, teils „versteckte“ Informationen, die erfasst werden müssen, um einen sinnvollen Zusammenhang zwischen der Struktur- und der Energieebene herzustellen.   

In dieser wissenschaftlichen Hausarbeit wurden, mit Hilfe von Daten einer Studie, erhoben am Institut für Didaktik der Chemie, die Entscheidungsprozesse von Studierenden beim Übergang von Struktur- zur Energieebene analysiert. Dabei standen die Studierenden zwei Aufgaben gegenüber: Zunächst mussten sie anhand eines Fallvergleiches die Reaktion ermitteln, die schneller abläuft. Im nächsten Schritt sollten sie das passende Energiediagramm zu den Reaktionsverläufen aus einer vorgegebenen Auswahl eruieren. Es konnte u. a. festgestellt werden, dass eine Argumentation mit verstärktem Einbezug der elektronischen Ebene mit einer erfolgreichen Entscheidung korreliert. Während bei der Frage der Schnelligkeit die Einflussfaktoren mithilfe von Elektronenbewegungen ausführlich durchdacht wurden, beschränkten sich die Studierenden bei der Suche nach einem Energieprofil auf oberflächliche Strukturmerkmale. Neben der fehlenden Tiefe bei der Betrachtung der Energieebene konnten auch fehlerhafte Vorstellungen hinsichtlich der Energieprofile als Grund für ungünstige Entscheidungsprozesse aufgedeckt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse können für die universitäre Lehre genutzt werden, um Schwierigkeiten im Umgang mit mechanistischen Problemstellungen gezielt zu begegnen.

 


Wie gehen Studierende mit organisch-chemischen Mechanismen um? – Eine Analyse der Verbalisierung mechanistischer Repräsentationen

 

Staatsexamensarbeit L3 (Dezember 2019)

 

Eingereicht von: Irina Braun

Gutachterin: Prof. Dr. N. Graulich (W1)

 

Durch ihren visuellen und prozessorientierten Charakter bereitet die Organische Chemie vielen Studierenden Schwierigkeiten. Lernende tendieren folglich oftmals zum Auswendiglernen von isolierten Fakten und Reaktionen, ohne die tieferliegenden Gründe für ebenjene zu verstehen oder zu hinterfragen. Obwohl das studentische Erklären und Versprachlichen von chemischen Sachverhalten einen gewinnbringenden Einblick in ihr Denken ermöglicht und gleichzeitig verständnisfördernd wirkt, spielt dieses in der Lehre bisher eine tendenziell untergeordnete Rolle. Daran anknüpfend wurde in dieser Arbeit auf der Grundlage schriftlicher Erklärungen untersucht, wie Studierende im Rahmen der Veranstaltung „Organische Stoffchemie“ an der JLU Mechanismen im Bereich der Carbonylchemie versprachlichen, wie sich das Verbalisierungsverhalten infolge des Einsatzes einer Reproduktions- bzw. Anwendungsaufgabe verändert und wie die Verbalisierungsqualität mit einer erfolgreichen Aufgabenbearbeitung auf der Symbolebene zusammenhängt. Ein Hauptbefund war, dass sich über beide Aufgabenarten hinweg ein Trend zu deskriptiven Verbalisierungsmustern abzeichnete, in welchen keine oder nur wenige kausale Verknüpfungen zwischen den Reaktionsschritten hergestellt wurden. Zugleich konnte in der Arbeit aufgezeigt werden, dass insbesondere bei Anwendungsaufgaben ein zumindest teilweises kausales Verbalisieren mit einem höheren Lösungserfolg auf symbolischer Ebene einherging.

 


Vergleich der Progression mechanistischer Denkansätze bei Studierenden der Organischen Chemie

David Kranz
David Kranz

Staatsexamensarbeit L3 (Mai (2018)

 

Eingereicht von: David Kranz

Gutachterin: Prof. Dr. N. Graulich (W1), I. Caspari


Eine Lernprogression umfasst die stufenweise Zunahme der Komplexität eines Themas angelehnt an empirisch erhobene Entwicklungen von Lernenden. Es ist sinnvoll Lerninhalte so anzuordnen, dass sie sich für Lernende intuitiv in bestehende Wissensstrukturen einordnen lassen. Lernprogressionsforschung beinhaltet also eine Annäherung fachwissenschaftlicher und -didaktischer Strukturierung von Inhalten an die lernbezogenen Bedürfnisse der Lernenden, um diese in einer fruchtbaren Art und Weise zusammenzuführen. Es wird einerseits versucht ein besseres Verständnis für die Sprossen einer Leiter vom Novizen zum Experten zu entwickeln. Andererseits können Erkenntnisse über diese sinnbildliche Leiter genutzt werden, um bestehende Lehrinhalte sukzessive entlang der Leiter anzuordnen. In dieser Arbeit wird konkret die Lernprogression des mechanistischen Denkens in der organischen Chemie innerhalb des fortschreitenden Chemiebachelorstudiums einerseits und unter Zuhilfenahme eines von Ira Caspari entwickelten Scaffolds andererseits diskutiert. Als Datengrundlage dienen hierfür von der AG Graulich und dem Verfasser dieser Arbeit qualitativ ausgewertete Interviews, die im Zuge der Forschungsarbeit von Ira Caspari mit Studierenden des Bachelorstudiengangs Chemie geführt wurden.

 


„Je stabiler etwas ist, desto besser kann es reagieren?“ – Analyse der Bedeutung und Nutzung des Stabilitätsbegriffes bei Studierenden

Staatsexamensarbeit L3 (Mai 2018)
Maria Heidt
Maria Heidt

 

Eingereicht von: Maria Heidt

Gutachterin: Prof. Dr. N. Graulich (W1), I. Caspari

 

Der Begriff der „Stabilität“ findet in der Lehre der Organischen Chemie häufig Anwendung. Gleichzeitig handelt es sich aber um einen schwierigen Fachbegriff, der selbst in der fachwissenschaftlichen Literatur unterschiedlich verwendet wird. Daraus ergibt sich, dass es Studierenden schwer fällt diesem Begriff die passende Bedeutung, wie z.B. kinetische oder thermodynamische Stabilität, zuzuordnen. In einer qualitativen Interviewstudie mit Lehramtsstudierenden wurden unter anderem ihr Verständnis des Begriffes „stabil“ und „Stabilität“ erhoben und analysiert. Es zeigt sich, dass das Begriffsverständnis der Studierenden sehr vielfältig ist, von fachlich korrekten Vorstellungen bis hin zu alternativen Vorstellungen.

 


„Von der Oberfläche zum Konzept - Entwicklung eines Diagnoseinstruments zum Verständnis der Nucleophilie als multivariates Konzept in der Organischen Chemie“

Rene Harzenetter
R. Harzenetter

Staatsexamensarbeit L3 (Januar 2018)

 

Eingereicht von: Rene Harzenetter

Erstgutachterin: Prof. Dr. N. Graulich (W1)

Zweitgutachter: Prof. Dr. R. Göttlich

 

Verwendung von Modellen und Repräsentationen ist für Chemikerinnen und Chemiker ein geläufiges Mittel für die Erarbeitung eines chemischen Problems. Insbesondere in der Organischen Chemie werden viele Modelle und Repräsentationen verwendet um beispielsweise Reaktionsmechanismen darzustellen und zu erklären. Daher ist es für Studierende von großer Bedeutung, explizite und implizite Informationen aus Repräsentationen abzuleiten und diese mit chemischen Konzeptwissen zu verknüpfen, damit sie in der Lage sind chemische Sachverhalte zu lösen. Insbesondere das multivariate Konzept der Nucleophilie stellt die Studierenden häufig vor Herausforderungen. Um das Verständnis von Studierenden zur Nucleophilie empirisch erfassen zu können, ist im Rahmen dieser Arbeit ein Diagnoseinstrument entwickelt worden, basierend auf dem zweiteiligen Multiple Choice Format.

 


 

Untersuchung der Repräsentationskompetenz von Studenten der Organischen Chemie anhand von Struktur-Reaktivitätsvergleichen

Bacherlor-Thesis (September 2015)

 

Eingereicht von: Sebastian Berk

Erstgutachterin: Prof. Dr. N. Graulich (W1)

 

Die Darstellung komplexer Sachverhalte in der Organischen Chemie erfolgt oftmals in Form von Diagrammen und Tabellen. Die Interpretation dieser Darstellungen ist je nach Lerner unterschiedlich. Ursache hierfür sind häufig Verständnisschwierigkeiten zwischen der "Representation", der dargestellten organischen Struktur und der "Represented world", den Informationen und Konzepten die mit der Struktur ausgedrückt werden sollen.

In dieser Arbeit werden die Repräsentationskompetenzen Studierender in der organischen Chemie untersucht.