Repräsentationskompetenz
Aktuelles Projekt
Wie eindrücklich sind Aufnahmen eigener Blickbewegungen? Eine qualitative Studie zur Erforschung der Nutzung von durch Blickbewegungen stimulierte Retrospektiven in der Organischen Chemie
(Mitarbeiter: Axel Langner)
Da sich Lernende in der Organischen Chemie beim Interpretieren von Moleküldarstellungen oft oberflächlich auf einzelne, saliente Merkmale oder bekannte Muster fokussieren, ergeben sich meist Schwierigkeiten beim Ableiten impliziter Informationen solcher Darstellungen. In diesem Forschungsprojekt wird untersucht, inwiefern eine blickbewegungsgestützte Retrospektive genutzt werden könnte, um Lernende in der visuellen und konzeptuellen Verarbeitung komplexer organisch-chemischer Darstellungen zu unterstützen. In einer explorativen Studie, reflektieren Lernende individuell über ihr eigenes Problemlöseverhalten einer zuvor gelösten Aufgabe, in dem sie ihre eigenen Blickbewegungen in einem semi-strukturierten Interview betrachten und zukünftige Handlungsalternativen für unproduktives Verhalten ableiten. Ergebnisse der Studie liefern erste Erkenntnisse über das Potenzial einer blickbewegungsgestützten Retrospektive zur Förderung des Repräsentationsverständnis und wie Blickbewegungen für ein adaptives Lernsystem genutzt werden könnten.
gefördert durch die
Aktuelles Projekt
Investigating students’ drawing processes and perceptual reasoning in Organic Chemistry
In der Organischen Chemie stellen Repräsentationen wichtige Kommunikations- und Problemlösemittel dar. Ein sicherer Umgang bei der Nutzung und Erstellung unterschiedlicher Repräsentationen bildet demnach eine wichtige Kompetenz für den Lernerfolg in dieser Disziplin. Das Mesomerie-Konzept ist eng mit der Erstellung verschiedener Repräsentationen verbunden. So ermöglicht die Visualisierung mesomerer Grenzformeln, Schussfolgerungen hinsichtlich der Eigenschaften und Reaktivitäten von Verbindungen zu ziehen. Allerdings bereitet die Erstellung und Nutzung mesomerer Grenzformeln vielen Studierenden Schwierigkeiten. Ziel des Forschungsprojektes ist es daher, die Strategien und Probleme von Studierenden im Umgang mit dem Mesomerie-Konzept näher zu ergründen. Die Untersuchung der den mesomeren Grenzformeln zugrundeliegenden Wahrnehmungs- und Zeichenprozessen und die Charakterisierung der Konzeptverwendung in unterschiedlichen Kontexten sollen Anhaltspunkte bezüglich der Entwicklung adaptiver Fördermaßnahmen zur Nutzung des Mesomerie-Konzepts liefern.
Abgeschlossenes Projekt
Productive representational errors – Investigating the potential of erroneous mechanistic representations in learning organic chemistry
(Mitarbeiterin: Leonie Lieber)
Repräsentationen sind allgegenwärtig in allen Disziplinen der Chemie. Dabei sind sie international verständlich und erleichtern dadurch die Kommunikation (Hoffmann & Laszlo, 1991). Nichtsdestotrotz führen Repräsentationen auch dazu, dass Studierende ihren Fokus häufig auf explizite Merkmale einer Repräsentation anstatt auf zugrundeliegende implizite chemische Konzepte legen (Talanquer, 2017). Des Weiteren haben Studierende Verständnisschwierigkeiten mit chemischen Konzepten wie der Nucleophilie und Elektrophilie und beim Verknüpfen dieser Konzepte mit Repräsentationen (Anzovino & Bretz, 2015). Studierende neigen außerdem dazu gegebene Repräsentationen nicht infrage zu stellen und sich auf auswendig gelernte Muster zu beschränken, anstatt produktive Strategien zur Nutzung von Repräsentationen zur Vorhersage und Erklärung organischer Mechanismen zu verwenden. Im Umgang mit Problemstellungen nutzen Studierende häufig Heuristiken als intuitive Strategie zur schnellen Entscheidungsfindung. Diese können jedoch Fehlvorstellungen hervorrufen oder Erklärungen erzeugen, die zugrundeliegende chemische Konzepte vernachlässigen (McClary & Talanquer, 2011). Durch intensive Auseinandersetzung mit den eigenen konzeptuellen und strategischen Ressourcen und dem Reflektieren von Möglichkeiten wie alternativen Reaktionswegen werden die Begründungen von Studierenden analytischer und zielgerichteter.
Das Bewerten fehlerhafter Repräsentationen kann kognitive Konflikte im studentischen Denken erzeugen und dazu führen, die Bedeutung chemischer Konzepte und Repräsentationen zu überdenken (Linenberger & Bretz, 2012). Doch auch wenn der Nutzen zielgerichteter Fehler im Lehren und Lernen bereits in der Kognitionspsychologie genutzt wurde, ist das Potential dieser Methode in der organischen Chemie bisher kaum erforscht worden.
Ziel des Projekts ist es daher qualitativ zu untersuchen, welche konzeptuellen und strategischen Ressourcen bei der Nutzung von fehlerhaften Repräsentationen auftreten, um ein Instruktionssetting zu gestalten, das basierend auf den qualitativen Ergebnissen, die Denkstrukturen Studierender unterstützt ohne Lösungswege direkt vorzugeben. Diese Vorgehensweise wird quantitativ durch eine statistische Analyse untersucht.
ANZOVINO, M. E. & BRETZ, S. L. 2015. Organic chemistry students' ideas about nucleophiles and electrophiles: the role of charges and mechanisms. Chemistry Education Research and Practice, 16, 797-810.
HOFFMANN, R. & LASZLO, P. 1991. Representation in chemistry. Angewandte Chemie International Edition in English, 30, 1-16.
LINENBERGER, K. J. & BRETZ, S. L. 2012. Generating cognitive dissonance in student interviews through multiple representations. Chemistry Education Research and Practice, 13, 172-178.
MCCLARY, L. & TALANQUER, V. 2011. College chemistry students' mental models of acids and acid strength. Journal of Research in Science Teaching, 48, 396-413.
TALANQUER, V. 2017. Concept Inventories: Predicting the Wrong Answer May Boost Performance. Journal of Chemical Education, 94, 1805-1810.
Investigating Students´Argumentation when Judging the Plausibility of Alternative Reaction Pathways in Organic Chemistry
Lieber, L., Graulich, N. (2021), Chemistry Education Research and Practice, DOI:10.1039/d1rp00145k
Building scientific arguments is a central ability for all scientists regardless of their specific domain. In organic chemistry, building arguments is a necessary skill to estimate reaction processes in consideration of the reactivities of reaction centres or the chemical and physical properties. Moreover, building arguments for multiple reaction pathways might help students overcome the tendency toward one-reason decision-making and offer them an authentic perspective on organic processes. Reasoning about multiple alternative organic reaction pathways requires students to build arguments and then judge and weigh the plausibility of these pathways. However, students often struggle to build strong arguments and use scientific principles appropriately to justify their claims. In the present study, the argumentation patterns of 29 chemistry majors students were analysed using a simplified version of Toulmin’s argumentation model (claim-evidence-reasoning). The students solved various tasks related to alternative reaction pathways of a substitution reaction. They supported their claims with evidence and justified the evidence through reasoning. We investigated (a) the extent to which the students use evidence and reasoning in their argumentation (referred to as their argumentation approach), (b) how students with different argumentation approaches rationalised changes in their initial claims, and (c) how students used reasoning to justify their arguments. The results indicate that students need further support to appropriately use evidence and reasoning and to apply conceptual knowledge to build well-grounded arguments.
Fig.: Classification of the reasoning-based argumentation approach (blue), the based-on-both argumentation approach (orange), and the evidence-based argumentation approach (purple). The diagonal bisector represents a reasoning to evidence ratio of 1.
Thinking in Alternatives—A Task Design for Challenging Students’ Problem-Solving Approaches in Organic Chemistry
In organic chemistry, meaningful learning is essential when reflecting about multiple reaction pathways and selecting reaction centers – topics that require a complex and multivariate reasoning approach to problem-solving. Meaningful learning is characterized by abstract, analytical thinking that might be time-consuming, whereas rote learning, on the other side of the continuum, facilitates simple heuristic-based recall of information. To challenge organic chemistry students to shift their problem-solving 10 approach from rote learning to meaningful learning, we designed task sequences that initially required students to use heuristics followed by an enforced reflection about alternative reaction pathways. Twenty-nine students who were enrolled in a third-year organic chemistry course participated in the study. They solved two tasks, each with four subtasks, which sequentially provoked the use of different problem-solving approaches. The tasks are centered on the chemical concept of nucleophilicity and 15 electrophilicity. In the first step, students were prompted to predict the product of an easy and familiar reaction. This step aimed at provoking the use of heuristics. Afterwards, students received five alternative product cards and were prompted to reflect on the plausibility and the alternative mechanistic pathways leading to these products. Evaluation of these task sequences revealed (a) to what extent students were engaged in reflecting on their own problem-solving approaches and (b) the aspects 20 students perceived as important for adopting a more meaningful approach to solving typical tasks in organic chemistry. Implications and limitations of the designed tasks are discussed.
Aktuelles Projekt
“Where do your eyes go?”
Using Eye Movement Modeling Examples as an Instructional Tool in Organic Chemistry – EYE-OC
(Mitarbeiterin: Julia Eckhard)
Die Organische Chemie ist eine sehr visuell geprägte Disziplin, in der chemische Repräsentationen und Reaktionsmechanismen eine hohe Relevanz besitzen. Wenige Linien und Buchstaben enthalten für einen Chemiker eine Fülle an Informationen, angefangen bei den chemischen und physikalischen Eigenschaften verschiedener Substanzen, bis hin zur ihrem Reaktionsverhalten (Hoffmann & Laszlo, 1991). Um die Organische Chemie begreifen zu können, benötigt man die Fähigkeit, mit Hilfe von Konzeptwissen die Prozesse chemischer Reaktionen zu beschreiben und zu erklären. Für einen erfolgreichen Umgang mit Reaktionsmechanismen spielen drei Aspekte eine wichtige Rolle (Ainsworth, 2006; Kozma & Russell, 2005): 1) das Verstehen der Repräsentation, 2) das Ableiten der Konzepte von den Repräsentationen und 3) die Nutzbarmachung des Konzeptwissens zur Erklärung und Voraussage von Reaktions-mechanismen.
Empirische Studien in anderen Forschungsbereichen konnten zeigen, dass Eye Movement Modeling Examples das Lernverhalten von Studierenden in visuell anspruchsvollen Domänen verbessern können (Jarodzka, van Gog, Dorr, Scheiter, & Gerjets, 2013).
Ziel des Projektes ist es daher die Effekte verschiedener „Hervorhebungsstrategien“ (cueing techniques), darunter eine Treatmentgruppe mit Eye Movement Modeling Examples, in unterschiedlichen Lernumgebungen zu untersuchen, um herauszufinden, wie Studierende konzeptuelles Wissen von Repräsentationen ableiten und welche Hervorhebungsstrategien den Lernerfolg von Studierenden beeinflussen.
In diesem Zusammenhang wird in Kooperation mit Sascha Bernholt vom IPN in Kiel und Melissa Weinrich, von der University of Colorado, Greely ein Mixed-Methods Ansatz verfolgt.
Ainsworth, S. (2006). DeFT: A conceptual framework for considering learning with multiple representations. Learning and Instruction, 16(3), 183-198.
Hoffmann, R., & Laszlo, P. (1991). Representation in chemistry. Angewandte Chemie International Edition, 30(1), 1-16.
Jarodzka, H., van Gog, T., Dorr, M., Scheiter, K., & Gerjets, P. (2013). Learning to see: Guiding students' attention via a model's eye movements fosters learning. Learning and Instruction, 25, 62-70.
Kozma, R., & Russell, J. (2005). Students becoming chemists: Developing representationl competence Visualization in science education (pp. 121-145): Springer.
gefördert durch die
Let’s frame it differently – Analysis of instructors’ mechanistic explanations
Eckhard, J., Rodemer, M., Langner, A., Bernholt, S., Graulich, N. (2021), Chem. Educ. Res. Pract., Accepted Manuscript, doi.org/10.1039/D1RP00064K
Research in Organic Chemistry education has revealed students’ challenges in mechanistic reasoning. When solving mechanistic tasks, students tend to focus on explicit surface features, apply fragmented conceptual knowledge, rely on rote-memorization and, hence, often struggle to build well-grounded causal explanations. When taking a resource perspective as a lens, students’ difficulties may arise from either an unproductive or a missing activation of cognitive resources. Instructors’ explanations and their guidance in teaching situations could serve as a lynchpin to activate these resources. Compared to students’ challenges in building mechanistic explanations in Organic Chemistry, little is known about instructors’ explanations when solving mechanistic tasks and how they shape their targeted explanations for students in terms of the construction and embedding of cause-effect rationales. This qualitative study aims to contribute to the growing research on mechanistic reasoning by exploring instructors’ explanatory approaches. Therefore, we made use of the framing construct, intended to trigger certain frames with explicit instruction. Ten Organic Chemistry instructors (university professors and lecturers) were asked to solve case comparison tasks while being prompted in two scenarios: an expert frame and a teaching frame. Our analysis shows that there is a shift from instructors’ mechanistic explanations in the expert frame towards more elaborated explanations in the teaching frame. In the teaching frame, contrary to what might be expected, complete cause-effect relationships were not always established and instructors differed in how they shaped their explanations. Additional explanatory elements were identified in both frames and their shift in use is discussed. Comparing approaches between frames sheds light on how instructors communicate mechanistic explanations and allows us to derive implications for teaching Organic Chemistry.
Fig.: Relative numbers of transitions between explanatory elements in the expert frame (left) and in the teaching frame (right). The proportions of the outermost ring indicate the relative frequency of the reference to an explanatory element. The height of the outermost ring (node) indicates how often an explanation was started with the respective explanatory element. The width of each chord represents the frequency of transitions made between respective explanatory elements; indented chords symbolize a transition from one explanatory element to another.
Abgeschlossenes Projekt
Erfassen der konzeptuellen Kategorisierungsfähigkeit in der Organischen Chemie mit Hilfe von Kategorisierungsaufgaben
gefördert durch die
Investigating Students’ Similarity Judgments in Organic Chemistry
Graulich, N., Bhattacharyya, G., Chem. Educ. Res. Pract., 2017, Accepted. DOI: 10.1039/C7RP00055C
Organic chemistry is possibly the most visual science of all chemistry disciplines. The process of scientific inquiry in organic chemistry relies on external representations, such as Lewis structures, mechanisms, and electron arrows. Information about chemical properties or driving forces of mechanistic steps is not available through direct perception, and thus looking beyond the respresentation is challenging for learners. In this study, we investigated the categorization behavior of undergraduate students enrolled in an organic chemistry course when engaged in various categorization tasks involving electrophilic addition reactions to alkenes. The critical attribute a student chose to make a category out of a set of reactions was classified as perceptual or relational and gave insights into how students process and store information about reactions at an early level of expertise. Our results support the notion that students are prone to the surface level of representations and make sense of reactions depicted in a very minimalistic fashion. Implications for approaching this phenomenon in teaching are discussed.
Intuitive Judgments Govern Students’ Answering Patterns in Multiple-Choice Exercises in Organic Chemistry
Graulich, N., J. Chem. Ed. 2015, 92 (2), 205-211. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed500641n
Research in chemistry education has revealed that students going through their undergraduate and graduate studies in organic chemistry have a fragmented conceptual knowledge of the subject. Rote memorization, rule-based reasoning, and heuristic strategies seem to strongly influence students’ performances. There appears to be a gap between what we believe students understand in organic chemistry and what they actually learn. In this report, findings are presented on how intuitive judgment processes governed organic chemistry students’ unsuccessful and successful answering patterns in a traditional set of multiple-choice items. Analyzing the participants’ approaches through the lens of associative processes in intuitive judgments contributes to the ongoing discussion about appropriate assessment in organic chemistry and encourages the improvement of the traditional curriculum in the discipline.
The Tip of the Iceberg in Organic Chemistry Classes: How do Students Deal with the Invisible
Graulich, N., Chem. Educ. Res. Pract. 2015, 16, 9-21. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/rp/c4rp00165f#!divAbstract
Organic chemistry education is one of the youngest research areas among all chemistry related research efforts, and its published scholarly work has become vibrant and diverse over the last 15 years. Research on problem-solving behavior, students’ use of the arrow-pushing formalism, the investigation of students’ conceptual knowledge and their cognitive skills have shaped our understanding of college students’ understanding in organic chemistry classes. This review provides an overview of research efforts focusing on student’s perspectives and summarizes the main results and pending questions that may guide subsequent research activities.