Chemisches Denken lernen – Entwicklung experimentgestützter Lerngelegenheiten zur Förderung prozessorientierter und konzeptbasierter Erklärungsstrategien zu Reaktionsmechanismen und übergeordneten Konzepten der Organischen Chemie bei angehenden Lehrkräften

Chemical thinking in organic chemistry is focused on analyzing, explaining and proposing reaction mechanisms by applying process-oriented and concept-based problem-solving and explanation strategies. This way of thinking uniquely allows to reduce an extensive variety of reactions to a few elementary principles and to utilize these principles for further knowledge acquisition. However, learning and following teaching of such skills demands high standards of pre-service teachers' education, which are often not met by conventional educational approaches. This dissertation presents the design of new learning opportunities and a subsequent teacher training concept, which provide possibilities for pre-service teachers to learn causal reasoning about reaction mechanisms and crosscutting concepts of organic chemistry and to apply acquired skills on planning meaningful lessons. For this purpose, a theoretical framework based on the characteristics of epistemic practice, the process of knowledge construction and novel educational approaches in organic chemistry was developed and used to conceptualize three new learning opportunities and a teacher training concept. The learning opportunities make essential patterns of reactivity and core concepts accessible in the context of novel problem-solving tasks, which cannot be resolved by use of superficial approaches. Each learning opportunity emphasizes one specific attribute of chemical thinking in organic chemistry. They enable stepwise process-oriented proposition of the reaction mechanism of alkaline ester hydrolysis, subsequent concept-based differentiation of electronic substituent effects and explanation of enolate-induced carbon-carbon bond formation via transferring acquired knowledge to a new mechanistic context. The learning opportunities' reaction systems are designed to foster construction of sound explanations by linking mechanistic reasoning with evidence in a way that meets epistemological, psychological and conceptual requirements of contemporary organic chemistry education. Each reaction system allows direct tracing of the course of a particular reaction employing straightforwardly ascertainable experimental data. By being designed coherently regarding patterns of reactivity, related concepts and applied analytical methods, the learning opportunities facilitate systematic construction of a repertoire of sound process-oriented and concept-based problem-solving and explanation strategies. The subsquent teacher training concept was implemented in two consecutive seminaries for advanced pre-service teachers named ProfiWerk and PraxisLab~Chemie, which explicate the approach of designing meaningful learning opportunities and lessons along the transition from university education to practical teaching experience. Both seminaries provide subject-specific exercises for learning and teaching chemical thinking skills on a superordinate level, which are embedded in an interdisciplinary conceptual and curricular approach to coherent pre-service teachers' professionalization. Results are listed in five publications, which are complemented by two further publications covering results of cooperative research activities. The integrative discussion of results points out advantages of the new designed learning opportunities and teacher training concept over conventional approaches, which are particularly the innovative character of problem-solving tasks, the straightforward but reliable access to evidence and the scope adapted to the specific requirements of German pre-service teachers' education. Conclusiveley, these findings provide a basis for implementing new learning environments in pre-service chemistry teachers' education, which are compatible to novel educational approaches and facilitate construction of comprehensive knowledge structures in organic chemistry. Furthermore, implications for future research derive from this work, which include further enhancement of the learning opportunities and the teacher training concept, design of new learning opportunities and evaluation of the educational approach.
Die Denkweisen der Organischen Chemie sind auf die Analyse, Erklärung und Vorhersage von Reaktionsmechanismen ausgerichtet, die entlang prozessorientierter und konzeptbasierter Problemlösungs- und Erklärungsstrategien erfolgen. In einzigartiger Weise bieten sie die Chance, eine Vielfalt von Reaktionen auf wenige elementare Prinzipien zurückzuführen und davon ausgehend progressiv neues Wissen zu erschließen. Das Erlernen entsprechender Denkweisen und deren künftiger Vermittlung stellt jedoch Ansprüche an die Ausbildung angehender Lehrkräfte, denen klassische Formate der universitären Lehrerbildung bislang kaum gerecht werden. Diese Dissertation legt die Entwicklung neuer Lerngelegenheiten sowie eines weiterführenden Lehrkonzepts dar, die Studierenden des gymnasialen Lehramts einen strukturierten Zugang zur kausalen Erklärung von Reaktionsmechanismen und übergeordneten Konzepten der Organischen Chemie und zur darauf gestützten Planung, Durchführung und Reflexion verständnisorientierten Unterrichts eröffnen. Zu diesem Zweck wurden zunächst die Charakteristika des Erkenntnisgewinns und der Erkenntnisanwendung, der Prozess individueller Wissenskonstruktion und die Ansätze neuartiger Lehrkonzepte gerahmt, vernetzt und zur Konzeption dreier Lerngelegenheiten sowie eines Lehrkonzepts herangezogen. Die Lerngelegenheiten erschließen grundlegende Reaktionsmuster und Fachkonzepte anhand neuartiger Problemstellungen, die mittels defizitärer Strategien nicht zufriedenstellend lösbar sind, und fokussieren jeweils ein Merkmal fachgerechter Denkweisen der Organischen Chemie. Sie erlauben die schrittweise prozessorientierte Erarbeitung des Reaktionsmechanismus der alkalischen Esterhydrolyse, die darauf aufbauende konzeptbasierte Differenzierung elektronischer Substituenteneffekte und die Erklärung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verknüpfung durch Enolate über den Transfer erworbenen Wissens in einen neuen reaktionsmechanistischen Kontext. Die Reaktionssysteme der Lerngelegenheiten sind so angelegt, dass sie die plausible Erklärung der Reaktionen durch die Vernetzung strukturtheoretischer Erkenntnisse und experimenteller Evidenz in einer Weise ermöglichen, die den erkenntnistheoretischen, lernpsychologischen und konzeptionellen Ansprüchen an eine zeitgemäße Didaktik der Organischen Chemie gerecht wird. Jede Lerngelegenheit bietet hierzu eine vollständige Infrastruktur, die einen unmittelbaren analytischen Zugang zu Informationen über den jeweiligen Reaktionsverlauf anhand einfach zu ermittelnder Indizien eröffnet. Die Lerngelegenheiten sind bezüglich der Reaktionsmuster, zugehöriger Fachkonzepte und verwendeter Analyseverfahren kohärent gestaltet und erlauben den systematischen Aufbau eines Repertoires tragfähiger prozessorientierter und konzeptbasierter Problemlösungs- und Erklärungsstrategien. Das Lehrkonzept wurde in Form der konsekutiven Module ProfiWerk und PraxisLab~Chemie umgesetzt, die fortgeschrittene Studierende zur eigenständigen Gestaltung verständnisorientierter Lerngelegenheiten und darauf begründeten Unterrichts befähigen. Die Module bieten geeignete fachspezifische Formate für den Erwerb fachgerechter Denkweisen und deren Vermittlung entlang eines kontinuierlichen Übergangs von der universitären Bildung hin zum unterrichtlichen Handeln, die in einen fächerübergreifenden konzeptionellen und curricularen Ansatz zur kohärenten Professionalisierung angehender Lehrkräfte integriert sind. Die Forschungsergebnisse sind in fünf Publikationen dargelegt und werden durch die Ergebnisse kooperativer Forschungsaktivitäten ergänzt, die in zwei weiteren Publikationen aufgeführt sind. Die zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse zeigt die Vorteile der entwickelten Lerngelegenheiten und des Lehrkonzepts gegenüber klassischen Formaten auf, die insbesondere im innovativen Charakter der gewählten Problemstellungen, dem einfachen, unmittelbaren und zuverlässigen Zugang zu experimenteller Evidenz und der spezifischen Ausrichtung auf die Rahmenbedingungen der universitären Lehrerbildung begründet liegen. In der Zusammenführung schaffen die Entwicklungen eine Grundlage zur Etablierung neuer Lernumgebungen im Studiengang Chemie für das Lehramt an Gymnasien, die an zeitgemäße hochschuldidaktische Konzepte anschlussfähig sind und einen geordneten Aufbau umfangreicher vernetzter Wissensstrukturen in der Organischen Chemie ermöglichen. Zugleich eröffnen sie vielfältige Perspektiven für zukünftige Forschungsaktivitäten zur Erweiterung der Lerngelegenheiten und des Lehrkonzepts, der Entwicklung neuer Lerngelegenheiten und der Evaluation der Wirksamkeit des didaktischen Ansatzes, auf die abschließend ein Ausblick gegeben wird.