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Entwicklungsforschung in der Hochschulfachdidaktik

Im Laufe eines Studiums sollen Studierende neben fachlichen Inhalten auch domänenspezifische Denk- und Arbeitsweisen erwerben, die sie später praktisch anwenden können. Allerdings ist in der hochschuldidaktischen Forschung seit langem dokumentiert, dass Studierende Schwierigkeiten haben ihr erlerntes Wissen in neuen Kontexten oder im späteren Berufsleben anzuwenden (Herrington and Herrington 2005; Randles and Overton, 2015; Sarkar, Overton, Thompson, & Rayner, 2016). Trotz fundiertem fachlichen Wissen sind sie oft nicht in der Lage ihr Faktenwissen zur Lösung neuartiger oder nur unwesentlich komplexerer Aufgaben anzuwenden (Egbert and Mertins, 2007). Ein möglicher Grund für dieses Problem ist, dass die traditionelle universitäre Lehre eher deskriptiv und lehrerzentriert statt explorativ und studentenzentriert ist (Herrington and Herrington 2005). Um die universitäre Lehre nachhaltiger und zukunftsorientierter zu gestalten, müssen Studierende schon früh im Studium aktiv und in authentischen Lernkontexten mit domänenspezifischen Denk- und Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Dies inkludiert vor allem den Umgang mit und das Bewusstsein für verschiedene domänenspezifische Ressourcen (Airey and Linder, 2009; Eriksson, Linder, Airey, & Redfors, 2017). In einem Kooperationsprojekt zwischen Fachdidaktik und Fachwissenschaft (Institut für Didaktik der Chemie und Institut für Physikalische Chemie) wird erstmals untersucht, inwiefern sich domänenspezifische Denk- und Arbeitsweisen mit Hilfe von authentischen und studentenzentrierten Lernumgebungen fördern lassen. In Anlehnung an die fachdidaktische Entwicklungsforschung werden die während des Projekts entwickelten Lernumgebungen in mehreren Durchgängen iterativ weiterentwickelt, und der Lernprozess der Studierenden wird empirisch mit unterschiedlichen qualitativen Methoden evaluiert (Corbin, Strauss, & Strauss, 2015; Prediger and Link, 2012).

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Abgeschlossenes Projekt

 

Förderung der domänspezifischen Denk- und Arbeitsweisen - eine hochschuldidaktische Entwicklungsforschung in der Materialwissenschaft

(Mitarbeiterin: Stefanie Lenzer)

 

 

Making it Clear - Exploring Crystal Structures through Constructing and Comparing See-through Models

Lenzer, S., Smarsly, B., Graulich, N. (2019), J. Chem. Ed., Article ASAP. DOI:10.1021/acs.jchemed.9b00119

 

Acquiring a basic understanding about the composition of crystal structures and the resulting structure-property relationship is central for chemists and material chemists, enabling the prediction of desired properties and the solution of a wide range of current challenges in sciences, e.g., the development of clean-energy storage. For a deeper understanding of physical and chemical properties of crystals, it is necessary to focus on different global and local structural features that characterize the composition of several atoms or ions as well as the direct environment of single atoms or ions.

To improve students´ mental visualization of both global and local features of the three-dimensional order of crystal structures, we developed and implemented a modeling activity with new transparent models. During the activity, students construct and compare models of common crystal structures, like sodium chloride and zinc blend. The usage of clear plastic balls, in particular, allows focusing on global features such as packing arrangement and lattice structure, as well as on local ones, like coordination number, site occupation, and polyhedral connectivity. The latter features have been difficult to realize so far.

We used a design-based research approach to improve the activity and the instructional material, provided herein, through several rounds of evaluation in a course for undergraduate students in materials chemistry. A detailed qualitative analysis of students’ discourse during the activity revealed that students were engaged in various content-related interactions with the models and that it is beneficial to combine a student-centered construction of the models with a subsequent comparison phase.

 

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Model of the sodium chloride crystal structure (NaCl). (A) side view, (B) top view. Chloride ions are represented by clear plastic balls and sodium ions by yellow wooden balls.

 

 

Wie werden Studierende zu Experten?
- Entwicklung von domänenspezifischem Verständnis im Studiengang Materialwissenschaft

 

Die Entwicklung sauberer und erneuerbarer Energien sowie neuer Technologien und Materialen sind einige von vielen Herausforderungen, mit denen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beschäftigen. Um diesen Herausforderungen begegnen zu können, ist das Problemlösen eine der zentralen Fähigkeiten des 21. Jahrhunderts (Griffin and Care, 2014). Allerdings ist in der didaktischen Forschung dokumentiert, dass Studierende, im Vergleich zu Experten, Schwierigkeiten beim Problemlösen haben (Felder and Brent, 2016). Meist verwenden sie Formeln, Geräte oder Messmethoden als Algorithmen, ohne ein Bewusstsein dafür zu entwickeln, ob und warum die verwendeten domänenspezifischen Ressourcen angemessen sind, um das jeweilige Problem zu lösen (Gulacar, Eilks, & Bowman, 2014; Nyachwaya, Warfa, Roehrig, & Schneider, 2014; E. Yuriev, Naidu, Schembri, & Short, 2017; E. B. Yuriev, Sabrina; Vo, Kimberly, 2019). Bedeutend für die Entwicklung von Expertise innerhalb einer Disziplin oder Domäne ist jedoch der bewusste und reflektierte Umgang mit domänenspezifischen Ressourcen, der sich, wie von Eriksson et al. als disciplinary discernment bezeichnet, in unterschiedlichen Levels beschreiben lässt (Airey and Linder, 2009; Eriksson, et al., 2017).

Um die Entwicklung dieses Bewusstseins bei Studierenden im Studiengang Materialwissenschaft zu fördern, wurde in einem Kooperationsprojekt zwischen der Chemiedidaktik und der Physikalischen Chemie, eine projektorientierte Lernumgebung entwickelt und implementiert. Innerhalb dieser Lernumgebung bearbeiten die Studierende selbstständig eine materialwissenschaftliche Problemstellung und verwenden dabei typische „Ressourcen“, wie z. B. die Software FullProf, Modelle von Kristallstrukturen und ein Röntgendiffraktometer. Um zu untersuchen, inwiefern sich das Bewusstsein für die domänenspezifischen Ressourcen innerhalb der einzelnen Schritte des Problemlöseprozesses entwickelt, wurden die Studierendengruppen während der Projektarbeit qualitativ mit Interviews und Audioportfolios begleitet. Mit Hilfe der bereits beschriebenen Levels des disciplinary discernents wurden die Interviewtranskripte und Audioportfolios der Gruppen anschließend ressourcenbasiert analysiert (Airey and Linder, 2009; Eriksson, et al., 2017; Saldaña, 2015). In einer weiteren Analyse wurden die einzelnen Problemlöseschritte der Studierenden charakterisiert. Durch die Kombination beider Perspektiven zeigt sich, wie sich das Bewusstsein für einzelne Ressourcen im Laufe der Projekte entwickelt und welche Momente im Problemlöseprozess der Studierenden zu dieser Entwicklung beitragen.

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Literatur

Airey, J., & Linder, C. (2009). A disciplinary discourse perspective on university science learning: Achieving fluency in a critical constellation of modes. Journal of research in science teaching, 46(1), pp. 27-49.

Corbin, J., Strauss, A., & Strauss, A. L. (2015). Basics of qualitative research Thousand Oaks, California: Sage Publications, Inc.

Egbert, H., & Mertins, V. (2007). Problemorientiertes Lernen durch Experiment. Zeitschrift für Hochschulentwicklung ZFHE Jg, 2(4)

Eriksson, U., Linder, C., Airey, J., & Redfors, A. (2017). Introducing the anatomy of disciplinary discernment: an example from astronomy. arXiv preprint arXiv:1703.00269

Felder, R. M., & Brent, R. (2016). Teaching and learning STEM: A practical guide: John Wiley & Sons.

Griffin, P., & Care, E. (2014). Assessment and teaching of 21st century skills: Methods and approach: Springer.

Gulacar, O., Eilks, I., & Bowman, C. R. (2014). Differences in general cognitive abilities and domain-specific skills of higher-and lower-achieving students in stoichiometry. Journal of Chemical Education, 91(7), pp. 961-968.

Herrington, T., & Herrington , J. (2005). Authentic learning environments in higher education London, UK: IGI Global.

Nyachwaya, J. M., Warfa, A.-R. M., Roehrig, G. H., & Schneider, J. L. (2014). College chemistry students' use of memorized algorithms in chemical reactions. Chemistry Education Research Practice, 15(1), pp. 81-93. doi:10.1039/c3rp00114h

Prediger, S., & Link, M. (2012). Fachdidaktische Entwicklungsforschung–Ein lernprozessfokussierendes Forschungsprogramm mit Verschränkung fachdidaktischer Arbeitsbereiche. Formate Fachdidaktischer Forschung. Empirische Projekte–historische Analysen–theoretische Grundlegungen. Fachdidaktische Forschungen, 2, pp. 29-46.

Randles, C. A., & Overton, T. L. (2015). Expert vs. novice: approaches used by chemists when solving open-ended problems. Chemistry Education Research and Practice, 16(4), pp. 811-823.

Saldaña, J. (2015). The coding manual for qualitative researchers Thousand Oaks, California, USA: Sage Publications Inc.

Sarkar, M., Overton, T., Thompson, C., & Rayner, G. (2016). Graduate employability: Views of recent science graduates and employers. International Journal of Innovation in Science and Mathematics Education (formerly CAL-laborate International), 24(3)

Yuriev, E., Naidu, S., Schembri, L. S., & Short, J. L. (2017). Scaffolding the development of problem-solving skills in chemistry: guiding novice students out of dead ends and false starts. Chemistry Education Research and Practice, 18(3), pp. 486-504. doi:10.1039/c7rp00009j

Yuriev, E. B., Sabrina; Vo, Kimberly. (2019). Developing problem-solving skills in physical chemistry. In M. K. M. D. C. Seery (Ed.), Teaching Chemistry in Higher Education: A Festschrift in Honour of Professor Tina Overton (pp. 55-76). Dublin: Creathach Press.