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Didaktische Rekonstruktion aktueller Fachforschung zu modernen Materialien sowie Durchführung und Evaluation eines Lehrkräftefortbildungskonzepts zum Thema Nachhaltigkeit
Didaktische Rekonstruktion aktueller Fachforschung zu modernen Materialien sowie Durchführung und Evaluation eines Lehrkräftefortbildungskonzepts zum Thema Nachhaltigkeit
Die Naturwissenschaft Chemie und ihre Forschung leisten einen wesentlichen Beitrag zu Grundfragen unserer gemeinsamen Zukunft. Schülerinnen und Schüler erlernen im Chemieunterricht unter anderem Fachwissen und grundlegende Experimentierkompetenz. Der innovative Charakter der Chemie sowie ein authentisches Bild der gegenwärtigen chemischen Forschung stehen dabei bisweilen aber nicht im Vordergrund. Gleichzeitig sind in Wissenschaft, Politik und Gesellschaft Nachhaltigkeit und nachhaltige Entwicklung ein Schlüsselthema und im Schulunterricht durch Bildung für nachhaltige Entwicklung (BnE) verankert. Erkenntnisse der chemischen Forschung nehmen dabei eine Schlüsselrolle für eine nachhaltige Entwicklung ein. Forschungsziel der vorliegenden Arbeit ist die chemiedidaktische Rekonstruktion aktueller Fachforschung für die Lernorte Schule und Schülerlabor in Form von schulgeeigneten Experimenten. Das Anknüpfen an zeitgemäße Forschung ermöglicht dabei, den nachhaltigen und fortschrittlichen Charakter der Chemie im Schulunterricht zu implementieren und so Aktualität, Nachhaltigkeit und zukunftsweisende Forschung zu verknüpfen. In Kooperation mit der Fachforschung und der Industrie erschließt diese Forschungsarbeit neue und alltagsnahe Themengebiete für den Chemieunterricht durch die Konzeption innovativer Experimente. Dabei stellt sich die Frage, wie es gelingen kann, aktuelle chemische Forschung in den Schulunterricht zu transferieren. Aus diesem Grund findet eine Evaluation der Entwicklungsarbeit in der dritten Phase der Lehrkräftebildung statt. Die chemiedidaktischen Eckpfeiler dieser Arbeit bilden didaktische Rekonstruktion, BnE und Lehrkräftefortbildung. Der Bildungswert der Nachhaltigkeit und einer nachhaltigen Entwicklung lassen sich bereits aus grundsätzlichen Bildungstheorien ableiten. Neben einem klaren Begriffsverständnis der Nachhaltigkeit als Grundlage für die vorliegenden Arbeit ist Ziel auch das Konzept Bildung für nachhaltige Entwicklung darzustellen und Möglichkeiten für das Unterrichtsfach Chemie im Zusammenhang mit epistemologischen Überzeugungen zu erörtern. Als Symbiose der vorangestellten Theorien können moderne Materialien als Thema im Chemieunterricht besprochen werden. Eine qualitative Interviewstudie ermöglicht einen Einblick in die Einschätzungen von aktiven Lehrkräften zum Thema Nachhaltigkeit im Chemieunterricht. Zur Evaluation der neu entwickelten Experimente dient die Lehrkräftefortbildung als dritte Phase der Lehrkräftebildung in Deutschland. Aufbauend auf der Grundlage der dargestellten Evidenzen und Konzepte der bildungswissenschaftlichen Forschung wurde eine Fortbildungsveranstaltung zu den entwickelten Experimenten für Lehrkräfte der Sekundarstufe II entwickelt. Zur Sicherung des Transfers der Fortbildungsinhalte in den Schulunterricht dienen Experimentiersets und die Kooperation mit dem Industriepartner WACKER. Im Zentrum der vorliegenden Forschungsarbeit stehen die neu konzipierten Experimente für Schule und Schülerlabor. Die Experimente werden in einem größtenteils publikationsbasierten Kapitel vorgestellt. So wurde ausgehend von Forschungsprojekten zu energieeffizienten Leuchtstoffen für LEDs eine schulgeeignete, mikrowellenbasierte Synthese des LED-Leuchtstoffes YAG:Ce3+ entwickelt. Die Synthesemethode konnte auf weitere Leuchtstoffe und lumineszierende Materialien wie YAG:Eu3+, TAG:Ce3+ und BAM:Eu2+ erweitert werden. Zusammen mit dem Industriepartner WACKER wurden neuartige Experimente zum modernen und alltagsnahen Antioxidans Hydroxytyrosol konzipiert. Mit einem Schulversuchskoffer für Lehrkräfte werden anhand der Modellsubstanz mit Bezug zur Nachhaltigkeit die chemischen Eigenschaften von Antioxidantien erläutert. Neben einem Experiment zur persistenten Anreicherung des Analgetikums Diclofenac in Oberflächengewässern und die mögliche Beseitigung im Rahmen einer vierten, aktivkohlebasierten Reinigungsstufe in Klärwerken wurde eine schulgeeignete Extraktionsmethode von Lignin und Cellulose aus der Pflanze Miscanthus giganteus als nachwachsender Rohstoff entwickelt. Die Evaluation der Experimente im Rahmen von standortübergreifenden Lehrkräftefortbildungen zum Thema „Moderne Materialien und Nachhaltigkeit im Chemieunterricht“ zeigt die große Offenheit der Lehrkräfte zum Thema, die Notwendigkeit weiterer gezielter Fortbildungen und grundsätzliche Tauglichkeit der im Rahmen dieser Dissertation vorgestellten Experimente im Chemieunterricht., The science of chemistry and its research contribute significantly to the fundamental questions of our collective future. In chemistry lessons, students learn scientific knowledge and gain competences such as basic experimentation skills. However, the innovative character of chemistry and the authentic representation of current chemical research are often neglected. At the same time, sustainability and sustainable development are central topics in science, politics, and society and are anchored in the school curriculum through Education for Sustainable Development (ESD). Results obtained in chemical research: thus play a key role in sustainable development. The research objective of the present dissertation was the didactic reconstruction of current chemical research for schools and student laboratories by means of school-appropriate experiments. The connection to contemporary research makes it possible to illustrate the sustainable and progressive character of chemistry in school lessons and, thus, to link topicality, sustainability, and future-oriented research. In cooperation with scientific research and industry, this research explored new, everyday topics for chemistry instruction by conceptualizing innovative experiments. Thereby, the question arose of how to successfully transfer current chemical research into the school curriculum. Consequently, the development work was evaluated in the third phase of teacher training. The chemistry-didactic cornerstones of this work include didactic reconstruction, ESD, and teacher training. The educational value of sustainability and sustainable development can already be derived from basic educational theories. In addition to providing a precise definition of the concept of sustainability, which formed the basis for the present work, the aim was also to present ESD and to discuss possibilities for the school subject chemistry in connection with epistemological convictions. As a symbiosis of the preceding theories, modern materials can be addressed as a subject in chemistry education. A qualitative interview study provided insights into the assessments of active teachers on the topic of sustainability in chemistry instruction. To evaluate the newly developed experiments, the third phase of teacher training in Germany, which encompasses advanced training, was used. Based on the evidence presented and concepts of educational research, an in-service training course was developed to present the new experiments to teachers of secondary level II. Experiment kits as well as the cooperation with the industrial partner WACKER served to ensure the transfer of the training content to the classroom. The newly designed experiments for schools and student laboratories are the focus of the present dissertation. The experiments are presented in a largely publication-based chapter. Building upon research studies on energy-efficient luminescent materials for LEDs, a microwave-based synthesis of the LED luminescent material YAG:Ce3+ that is suitable for school use was developed. The synthesis method could be extended to other phosphors and luminescent materials such as YAG:Eu3+, TAG:Ce3+, and BAM:Eu2+. Second, in collaboration with the industrial partner WACKER, novel experiments on the modern and everyday antioxidant hydroxytyrosol were designed. With a school experiment kit for teachers, the chemical properties of antioxidants are illustrated based on the model substance and in connection with sustainability. In addition to an experiment on the persistent accumulation of the analgesic diclofenac in surface waters and its possible elimination as part of a fourth, activated carbon-based purification stage in sewage treatment plants, a school-appropriate extraction method for lignin and cellulose was developed from the renewable raw material Miscanthus giganteus. The evaluation of the experiments in the context of cross-locational advanced training for teachers on the topic of "Modern materials and sustainability in chemistry education" revealed the great openness of teachers towards the topic, the need for further targeted advanced training, and the general suitability of the experiments for chemical teaching.
Chemieunterricht, Didaktische Rekonstruktion, Moderne Materialien, Bildung für nachhaltige Entwicklung, Schulexperimente, Lehrkräftefortbildung
Diekemper, Dominik
2021
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Diekemper, Dominik (2021): Didaktische Rekonstruktion aktueller Fachforschung zu modernen Materialien sowie Durchführung und Evaluation eines Lehrkräftefortbildungskonzepts zum Thema Nachhaltigkeit. Dissertation, LMU München: Faculty of Chemistry and Pharmacy
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Abstract

Die Naturwissenschaft Chemie und ihre Forschung leisten einen wesentlichen Beitrag zu Grundfragen unserer gemeinsamen Zukunft. Schülerinnen und Schüler erlernen im Chemieunterricht unter anderem Fachwissen und grundlegende Experimentierkompetenz. Der innovative Charakter der Chemie sowie ein authentisches Bild der gegenwärtigen chemischen Forschung stehen dabei bisweilen aber nicht im Vordergrund. Gleichzeitig sind in Wissenschaft, Politik und Gesellschaft Nachhaltigkeit und nachhaltige Entwicklung ein Schlüsselthema und im Schulunterricht durch Bildung für nachhaltige Entwicklung (BnE) verankert. Erkenntnisse der chemischen Forschung nehmen dabei eine Schlüsselrolle für eine nachhaltige Entwicklung ein. Forschungsziel der vorliegenden Arbeit ist die chemiedidaktische Rekonstruktion aktueller Fachforschung für die Lernorte Schule und Schülerlabor in Form von schulgeeigneten Experimenten. Das Anknüpfen an zeitgemäße Forschung ermöglicht dabei, den nachhaltigen und fortschrittlichen Charakter der Chemie im Schulunterricht zu implementieren und so Aktualität, Nachhaltigkeit und zukunftsweisende Forschung zu verknüpfen. In Kooperation mit der Fachforschung und der Industrie erschließt diese Forschungsarbeit neue und alltagsnahe Themengebiete für den Chemieunterricht durch die Konzeption innovativer Experimente. Dabei stellt sich die Frage, wie es gelingen kann, aktuelle chemische Forschung in den Schulunterricht zu transferieren. Aus diesem Grund findet eine Evaluation der Entwicklungsarbeit in der dritten Phase der Lehrkräftebildung statt. Die chemiedidaktischen Eckpfeiler dieser Arbeit bilden didaktische Rekonstruktion, BnE und Lehrkräftefortbildung. Der Bildungswert der Nachhaltigkeit und einer nachhaltigen Entwicklung lassen sich bereits aus grundsätzlichen Bildungstheorien ableiten. Neben einem klaren Begriffsverständnis der Nachhaltigkeit als Grundlage für die vorliegenden Arbeit ist Ziel auch das Konzept Bildung für nachhaltige Entwicklung darzustellen und Möglichkeiten für das Unterrichtsfach Chemie im Zusammenhang mit epistemologischen Überzeugungen zu erörtern. Als Symbiose der vorangestellten Theorien können moderne Materialien als Thema im Chemieunterricht besprochen werden. Eine qualitative Interviewstudie ermöglicht einen Einblick in die Einschätzungen von aktiven Lehrkräften zum Thema Nachhaltigkeit im Chemieunterricht. Zur Evaluation der neu entwickelten Experimente dient die Lehrkräftefortbildung als dritte Phase der Lehrkräftebildung in Deutschland. Aufbauend auf der Grundlage der dargestellten Evidenzen und Konzepte der bildungswissenschaftlichen Forschung wurde eine Fortbildungsveranstaltung zu den entwickelten Experimenten für Lehrkräfte der Sekundarstufe II entwickelt. Zur Sicherung des Transfers der Fortbildungsinhalte in den Schulunterricht dienen Experimentiersets und die Kooperation mit dem Industriepartner WACKER. Im Zentrum der vorliegenden Forschungsarbeit stehen die neu konzipierten Experimente für Schule und Schülerlabor. Die Experimente werden in einem größtenteils publikationsbasierten Kapitel vorgestellt. So wurde ausgehend von Forschungsprojekten zu energieeffizienten Leuchtstoffen für LEDs eine schulgeeignete, mikrowellenbasierte Synthese des LED-Leuchtstoffes YAG:Ce3+ entwickelt. Die Synthesemethode konnte auf weitere Leuchtstoffe und lumineszierende Materialien wie YAG:Eu3+, TAG:Ce3+ und BAM:Eu2+ erweitert werden. Zusammen mit dem Industriepartner WACKER wurden neuartige Experimente zum modernen und alltagsnahen Antioxidans Hydroxytyrosol konzipiert. Mit einem Schulversuchskoffer für Lehrkräfte werden anhand der Modellsubstanz mit Bezug zur Nachhaltigkeit die chemischen Eigenschaften von Antioxidantien erläutert. Neben einem Experiment zur persistenten Anreicherung des Analgetikums Diclofenac in Oberflächengewässern und die mögliche Beseitigung im Rahmen einer vierten, aktivkohlebasierten Reinigungsstufe in Klärwerken wurde eine schulgeeignete Extraktionsmethode von Lignin und Cellulose aus der Pflanze Miscanthus giganteus als nachwachsender Rohstoff entwickelt. Die Evaluation der Experimente im Rahmen von standortübergreifenden Lehrkräftefortbildungen zum Thema „Moderne Materialien und Nachhaltigkeit im Chemieunterricht“ zeigt die große Offenheit der Lehrkräfte zum Thema, die Notwendigkeit weiterer gezielter Fortbildungen und grundsätzliche Tauglichkeit der im Rahmen dieser Dissertation vorgestellten Experimente im Chemieunterricht.

Abstract

The science of chemistry and its research contribute significantly to the fundamental questions of our collective future. In chemistry lessons, students learn scientific knowledge and gain competences such as basic experimentation skills. However, the innovative character of chemistry and the authentic representation of current chemical research are often neglected. At the same time, sustainability and sustainable development are central topics in science, politics, and society and are anchored in the school curriculum through Education for Sustainable Development (ESD). Results obtained in chemical research: thus play a key role in sustainable development. The research objective of the present dissertation was the didactic reconstruction of current chemical research for schools and student laboratories by means of school-appropriate experiments. The connection to contemporary research makes it possible to illustrate the sustainable and progressive character of chemistry in school lessons and, thus, to link topicality, sustainability, and future-oriented research. In cooperation with scientific research and industry, this research explored new, everyday topics for chemistry instruction by conceptualizing innovative experiments. Thereby, the question arose of how to successfully transfer current chemical research into the school curriculum. Consequently, the development work was evaluated in the third phase of teacher training. The chemistry-didactic cornerstones of this work include didactic reconstruction, ESD, and teacher training. The educational value of sustainability and sustainable development can already be derived from basic educational theories. In addition to providing a precise definition of the concept of sustainability, which formed the basis for the present work, the aim was also to present ESD and to discuss possibilities for the school subject chemistry in connection with epistemological convictions. As a symbiosis of the preceding theories, modern materials can be addressed as a subject in chemistry education. A qualitative interview study provided insights into the assessments of active teachers on the topic of sustainability in chemistry instruction. To evaluate the newly developed experiments, the third phase of teacher training in Germany, which encompasses advanced training, was used. Based on the evidence presented and concepts of educational research, an in-service training course was developed to present the new experiments to teachers of secondary level II. Experiment kits as well as the cooperation with the industrial partner WACKER served to ensure the transfer of the training content to the classroom. The newly designed experiments for schools and student laboratories are the focus of the present dissertation. The experiments are presented in a largely publication-based chapter. Building upon research studies on energy-efficient luminescent materials for LEDs, a microwave-based synthesis of the LED luminescent material YAG:Ce3+ that is suitable for school use was developed. The synthesis method could be extended to other phosphors and luminescent materials such as YAG:Eu3+, TAG:Ce3+, and BAM:Eu2+. Second, in collaboration with the industrial partner WACKER, novel experiments on the modern and everyday antioxidant hydroxytyrosol were designed. With a school experiment kit for teachers, the chemical properties of antioxidants are illustrated based on the model substance and in connection with sustainability. In addition to an experiment on the persistent accumulation of the analgesic diclofenac in surface waters and its possible elimination as part of a fourth, activated carbon-based purification stage in sewage treatment plants, a school-appropriate extraction method for lignin and cellulose was developed from the renewable raw material Miscanthus giganteus. The evaluation of the experiments in the context of cross-locational advanced training for teachers on the topic of "Modern materials and sustainability in chemistry education" revealed the great openness of teachers towards the topic, the need for further targeted advanced training, and the general suitability of the experiments for chemical teaching.