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DIE ROLLE UNTERSCHIEDLICHER DARSTELLUNGEN DES MOLEKÜLBAUS BEIM

LERNEN UND LEHREN DER CHEMIE

DIE ROLLE UNTERSCHIEDLICHER DARSTELLUNGEN DES MOLEKÜLBAUS BEIM

LERNEN UND LEHREN DER CHEMIE

Wien, 1. Marz 2007

Vesna Ferk SavecAbteilung für Didaktik und Informatik der Chemie,

Naturwissenschaftlich-technische Fakultät der Universität Ljubljana, Slowenien

� Vervendung unterschiedlicher Darstellungen desMolekül- und Kristallenbaus im alltäglichen Leben sowie beim Lernen und Lehren der Chemie

� Ausgangspunkte der Forschungsarbeit

� Ergebnisse

� Schluss

Inhalt des Vortrags

2

Die Verwendung unterschiedlicherDarstellungen des Molekül- und Kristallenbaus

im alltäglichen Leben

http://dsc.discovery.com/beyond/player.html?playerId=203711706&categoryId=210014191



3

http://en.wikipedia.org/wiki/Molecule




beim Lehre und Lernen der Chemie

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beim Lehre und Lernen der Chemie

� Studie zum erfassen der 3d Raumstruktur von Molekülen auf der

Basis unterschiedlicher 2d Aufzeichnungen. [1]

Bestimmung der Forschungsproblematik

[1] Ferk at al. (2003) Students' understanding of molecular structure representations. Int. j. sci. educ., 2003, vol. 25, no. 10, pp. 1227-1245.

� Studie über die Fähigkeit zu gedanklichen 3d Operationen mit Molekülen auf der Basis unterschidlicher 2d Aufzeichnungen. [1]

� Studie über die Verwendbarkeit von Hilfsmitteln zur Unterstützung des Erfassens von 3d Strukturen sowie bei der Lösung von Aufgaben, die

räumliches Denken einschließen. [2]

� Studie über die Situation an Schulen hinsichtlich der Zugänglichkeit unterschiedlicher Arten von Hilfsmitteln sowie über die Befähigung

(künftiger) Lehrer zu deren Verwendung. [3]

Referenz:

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BEISPIEL FÜR EINE AUFGABE DES TYPS “PERZEPTION”

Sehen Sie sich die Skizze auf dem Bildschirm des Computersan und schreiben Sie in die Lücken unten, welche der Atome A, B, C, D, E, F, G, H, für Sie am nächsten sind, welche einwenig weiter entfernt sind und welche von Ihnen amweitesten entfernt sind!

Antwort:Am nächsten sind für mich die Atome:________________,Ein wenig weiter entfernt sind die Atome:________________,Am weiteste entfernt sind die Atome:_______________.

Dreidimensionales Kugelmodellin einer Schachtel

Fotografie einesdreidimensionalen Kugelmodells

Computerdarstellungdes Modells

Schematische bunteZeichnung des Modells

Schematische SchwarzweißZeichnung des Modells

Stereochemische Formel

In der Untersuchung verwendete Typen vonDarstellungen des Molekülbaus

6

0

20

40

60

80

100

Verschiedene Arten der Darstellung des Baus von Molekülen

An

teil

der

ric

hti

gen

A

ntw

ort

en [

%]

Ergebnisse- Aufgaben des Typs “Perzeption”

Darstellung des Anteils richtiger Antworten beiden Augfgaben des Typs “Perzeption” in Prozent

0

20

40

60

80

100

Grundschule Mittelschule Universität

Verschiedene Arten der Darstellung des Baus

von Molekülen

Ante

il der

richtigen A

ntw

ort

en

[%]

Alter der Testpersonen: Grudschule: 13 -14 J.; Mittelschule: 17-18 J.; Universität: 21-24 J.

Darstellung des Anteils richtiger Antworten bei den Aufgaben des Typs “Perzeption” nach dem Bildungsgrad

Ergebnisse- Aufgaben des Typs “Perzeption”

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[1] Ferk at al. (2003) Students' understanding of molecular structure representations. Int. j. sci. educ., 2003, vol. 25, no. 10, pp. 1227-1245.






Referenz:

�� Studie zum erfassen der 3d Raumstruktur von Molekülen auf der



a b c d

Stellen Sie sich räumlich ein Koordinatensystem mit den Achsen X, Y, Z

und dem Molekül A in diesem Raum vor..

Wählen Sie die geignete Abbildiung des Moleküls A, wenn man es in

Gedanken nur um die X-Aachse rotieren lässt!

Lösung: ________

z

x

y

Molekül A

BEISPIEL FÜR EINE AUFGABE DES TYPS “PERZEPTION+ROTATION”

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Stellen Sie sich das Molekül B und sein Spiegelbild räumlich vor,

wie man es nach der Spiegelung über den angezeichneten Spiegel erhält.

Wählen Sie aus den angegebenen Möglichkeiten das Spiegel bild des

Moleküls B aus!

Lösung: ________

SpiegelMolekül B

BEISPIEL EINER AUFGABE DES TYPS “PERZEPTION + SPIEGELUNG”

a b c d

CA

E

D

B

FC

A

E

D

B

FFA

E

D

C

B CA

E

D

B

F

Die dargestellten Modelle erhält man durch räumliche Rotation

des Gleichen Moleküls, nur eine der unteren Darstellungen kann

man auf diese Weise nicht erhalten, denn sie zeigt das Spiegelbild

des GLEICHEN Moleküls. Suchen Sie den Eindringling!

BEISPIEL FÜR EINE AUFGABE DES TYPS “PERZEPTION + ROTATION + SPIEGELUNG”

a b c d

Lösung: ________

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Bedeutung der Art der 2d Darstellung von Molekülstrukturen beiden Instruktionen der Aufgaben

Ergebnisse - alle Aufgaben

Arten der 2d Darstellung von Molekülstrukturen in MVTs:

Statisches

Comp. Modell

Stereochem.

Formel

** Signifikant bei α=0.01

M M

Stat.Comp.Modell Stereochem. FormelGruppen der Aufgaben

für MVTs

‘Perzeption”

(N=381)

‘Perzeption +

Rotation’(N=381)

‘Perzeption +

Spiegelung’(N=381)

‘Perzeption +

Rotation+Spiegelung’

(N=381)

Computer model Stereo-chem. formula

Mean SD Mean SDt p

(N=381)0.85 0.15 0.91 0.19 -5.27** 0.000

“Perception and Rotation”(N=381)

0.83 0.38 0.51 0.50 10.49** 0.000

“Perception and Reflection”

(N=381)0.63 0.48 0.72 0.45 -2.82** 0.005

“Perception, Rotation and Reflection” 0.36 0.48 0.18 0.38 6.22** 0.000

Gruppen der Aufgaben

für MVTs

“Perzeption”

(N=381)

“Perzeption +

Rotation”(N=381)

“Perzeption +

Spiegelung”(N=381)

“Perzeption +

Rotation+Spiegelung”

(N=381)

M SD

Stat.Comp.Modell Stereochem. Formel

M SD

Schüler A: “Bei der Verwendung von Computermodellen erhält man die Informationen über die 3d Struktur des Moleküls unmittelbar. Bei der Verwendung stereochemischer Formeln muss man sich dagegen die Struktur des Moleküls auf der Basis der Bezeichnungen selbst vorstellen. Das ist soähnlich, als würde man, anstatt ein Bild zu betrachten, eine Beschreibung lesen.”

Ausgewählte Schüleräußerungen aus strukturierten Interviews:

Schüler B: “In Computermodellen sind die Atome gefärbt (gekennzeichnet), was bei der Ausführung dreidimensionaler Operationen eine Hilfe ist, denn es erleichtert letztere.”

Schüler C: “Auf der Basis einer stereochemischen Formel ist es leichter, eine Moleküilstruktur zu entziffern, denn dabei sind die Lagen der Atome unmissverständlich durch Zeichen ausgewiesen. Jemand hat anstatt deiner die Aufgabe, die Lage der Atome zu erkennen, schon erledigt.”

Schüler D: “Bei der Spiegelung des Moleküls verwende ich mathematische Regeln, deshalb ist für mich die unmissverständlich festgelegte Lage der Atome in der stereochemischen Formel der bessere Ausgangspunkt.”

Ergebnisse

- strukturierte Interviews mit den Schülern

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Referenz:



[2] Ferk Savec at al. (2005). Evaluating the educational value of molecular structure representations. In: GILBERT, John K. Visualization in science education, (Models and modeling in science education, Vol. 1. Dordrecht: Springer, pp. 269-300.


Methodenstudie zur Wirksamkeit von Modellen als Hilfsmittel bei der Lösung der Aufgaben

Schülergruppe A Schülergruppe B Schülergruppe C

Lösung des MVT1

– ohne Hilfsmittel

Lösung des MVT1


Lösung des MVT1


Test MVT2

Lösung des MVT2

– bei Verwendung von

plastischen Modellen (3d) 3dv3d

Lösung des MVT2


virtuellen

Computermodellen (v3d)

Lösung des MVT2


Test MVT1Test MVT1

Test MVT2Test MVT2

I. Phase

II. Phase

Test MVT1

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Pomen pripomočkov

MVTs Sources of variance df Sum of

Squares

Mean

Square F p

Between Groups 2 2.14 1.07

Within Groups 378 585.89 1.55 MVT1

sum Total 380 588.03

0.69 0.501

Between Groups 2 5.61 2.80

Within Groups 378 637.27 1.69 MVT2

sum Total 380 642.879

1.66 0.191

ANOVA für MVT1 und MVT2 als Gesamtheit

MVT1

(no help tools)

MVT2

(with help tools)

Students` groups

according to help tools

in MVT2

Mean SD Mean SD

t p

3d (N=130) 5.07 1.29 5.95 1.19 -8.41** 0.000

v3d (N=128) 4.90 1.14 5.92 1.26 -8.74** 0.000

3dv3d (N=123) 4.94 1.30 5.68 1.44 -6.66** 0.000

Total Mean (N=381) 4.97 1.24 5.85 1.30 -13.75** 0.000

a

Ergebnisse der Schüler im MVT1 und in den MVT2

** Signifikant bei α=0.01Hilfsmittel:

3d

v3d

3dv3d

Schülergruppen

im MVT2

MVT1

(ohne Hilfsmittel)

MVT2

(mit Hilfsmittel)M M

Insgesamt

** Signifikant bei α=0.01

Ergebnisse

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

P P+Ro P+Re P+Ro+Re

Task Section

Sco

res

on T

ests

[P

oin

ts]

Comp. m. MVT1

Comp. m. MVT2

Stereo f. MVT1

Stereo f. MVT2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

P P+Ro P+Re P+Ro+Re

Task Section

Sco

res

on T

ests

[P

oin

ts]

Comp. m. MVT1

Comp. m. MVT2

Stereo f. MVT1

Stereo f. MVT2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

P P+Ro P+Re P+Ro+Re

Task Section

Sco

res

on T

ests

[P

oin

ts]

Comp. m. MVT1

Comp. m. MVT2

Stereo f. MVT1

Stereo f. MVT2

Gruppe A – Schüler mit 3d Hilfsmittel im MVT2 Gruppe B – Schüler mit v3d Hilfsmittel im MVT2

Gruppe C – Schüler mit 3dv3d Hilfsmittel im MVT2

PerzeptionPerzeption+RotationPerzeption+SpiegelungPerzeption + Rotation+Spiegelung

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Ausgewählte Schüleräußerungen aus strukturierten Interviews:Schüler E:„Es ist immer gut, wenn man bei der Lösung der Aufgaben Hilfsmittel hat. Wenn ich ein Modell in den Händen habe, bin ich sicherer, ich verwende es hauptsächlich zur Bestätigung der Lösung.“Schüler F:„Aus den virtuellen Computermodellen sind die Positionen mancher Atome nicht völlig klar, denn es wird erst durch das Drehen räumlich, sonst gleicht es einem statischen. Wegen der unmittelbaren Greifbarkeit ist mir das plastische Modell lieber.“Schüler C:„Virtuelle Computermodelle sind bessere Hilfsmittel, weil sie das 2d Computermodell durch eine zusätzliche Dimension bereichern, meiner Ansicht nach sind deswegen die virtuellen Modelle auf eine Art ein Übergang zwischen 2d und 3d.“Schüler G:„Ich löse die Aufgaben durch die Verwendung von plastischen und virtuellen Computermodellen auf die gleiche Art.“

Ergebnisse


Bei dreidimensionalen Modellen:• auf unmittelbarer Beobachtung• auf der Möglichkeit zum Drehen der Modelle,• auf der Möglichkeit zum Betasten der Modelle.

Bei virtuellen Computermodellen:• auf unmittelbarer Beobachtung,

• auf der Möglichkeit zum Drehen der Modelle.Bei statischen Bildern von Computermodellen:

• auf unmittelbarer Beobachtung,• auf Vermutungen über die Positionen einzelner Atome.

Bei stereochemischen Formeln:• auf dem Erkennen der Bedeutung der verwendeten Symbole.

Die Perzeption des Baus von Molekülen basiert:

Ergebnisse


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• Stereochemische Formeln sind bei der Bestimmung der Lage einzelner Atome unmissverständlicher als statische Bilder von Computermodellen.

• Statische Bilder von Computermodellen vermitteln ein besseres räumliches Gefühl über den Bau eines Moleküls als stereochemische Formeln.

Vergleich der Verwendung stereochemischer Formeln und statischer Bilder von Computermodellen:

Ergebnisse


Verständnis der Begriffe „Rotation“ und „Spiegelung“:

• Das Verständnis dieser Begriffe hat eine Schlüsselfunktion für die Lösung räumlicher Aufgaben in MVTs.

• Die Mehrheit der Schüler versteht die Rotation von Molekülmodellen und kann sie ausführen.

• Nur etwas mehr als die Hälfte der Schüler versteht die Spiegelung von Molekülmodellen und kann sie ausführen.

Ergebnisse


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Lösungsstrategien für räumliche Aufgaben

• Für die Mehrzahl der Aufgabengruppen in MVTs zeigten sich bei der Analyse der Antworten 4-5 unterschiedliche Strategien zur Lösung der Aufgaben – eine von ihnen hat die Mehrheit der Schüler angewendet.

• Bei der komplexesten Aufgabengruppe – „Perzeption, Rotation und Spiegelung“ – zeigten sich nur zwei unterschiedliche Lösungsstrategien – die Mehrheit der Schüler wendete die Strategie des Ausschlusses falscher Antworten an.

Ergebnisse







Referenz:




[3] Ferk Savec at al. (2006). In-service and pre-service teachers' opinion on the use of models in teaching chemistry. Acta chim. slov. vol. 53, no. 3, pp. 381-390.

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• Sie bei Schülern das Verständnis chemischer Begriffe und Prozesse anregt.(Lehrer 44,45%, künftige Lehrer 57,14%)

• Sie Schülern das richtige Erfassen der Raumstruktur von Molekülen und Kristallen ermöglicht.(Lehrer 55,55%, künftige Lehrer 47,62%)

• Sie Schülern das Verständnis abstrakter Begriffe erleichtert.(Lehrer 14,81%, künftige Lehrer 23,81%)

• Sie Schülern das Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Molekülstruktur und den Stoffeigenschaften erleichtert.(Lehrer 22,22%, künftige Lehrer 9,52%)

Die Verwendung von Molekülmodellen ist wichtig, weil :

Ergebnisse - Fragebögen für Lehrer und künftige Lehrer

• „Bausteine von Stoffen“(Lehrer 44,34%, künftige Lehrer 27,45%)

• „Bau von Molekülen organischer Verbindungen“(Lehrer 33,02%, künftige Lehrer 29,41%)

• „Reaktionsvermögen von Molekülen organischer Verbindungen“(Lehrer 10,85%, künftige Lehrer 19,61%)

• „Bedeutung und Rolle organischer Verbindungen“(Lehrer 5,19%, künftige Lehrer 14,71%)

Visuell-räumliche Fähigkeiten der Schüler sind besonders beim Lehren und Lernen folgender Inhalte des Lehrplans für Chemie wichtig :


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Fachliche Fertigkeiten im Bereich der Informatik :

• Lehrer kennen sich gut aus in der Anwendung von Programmen zum Zeichnen struktureller und stereochemischer Formeln, zum Beispiel IsisDraw, ChemDraw. (Lehrer 42,88%, künftige Lehrer 52,30%)

• Lehrer wissen Bescheid über die Programmen für Betrachtung virtueller Computermodelle, sie aber nicht selbständig verwenden können, zum Beispiel Chime, RasWin. (Lehrer 27,78%, künftige Lehrer 39,00%)


• 66,67% der Lehrer würden häufiger 3d Modelle verwenden, wenn ihnen davon genügend für die selbständige Arbeit der Schüler zur Verfügung stünden.

• 92,31% der Lehrer würden v3d Modelle verwenden, wenn sie könnten und ihnen die geeignete Computerinfrastruktur zur Verfügung stünde.

Verwendung von Modellen:

Ergebnisse - Fragebögen für Lehrer

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I. Für Schüler besitzen unterschiedliche 2d Darstellungen unterschiedlichen Informationswert:

Schluss

• Stereochemische Formeln ermöglichen eher ein richtiges Erkennen der Position von Atomen in Molekülmodellen als die verschiedenen Arten von Bildern der Modelle.

• Eine leichtere Visualisierung einer vollständigen 3dMolekülstruktur auf der Basis konkreterer Darstellungen(z.B. Computer Modell) im Vergleich zu abstrakteren.

Statisches

Comp. Modell

Stereochem.

Formel

oder

?

� �

II.Der Erfolg bei der Ausführung räumlicher gedanklicher Operationen ist an den Typ der Darstellung vom Bau eines Moleküls gebunden

Schluss

• Bei der Lösung von Aufgaben, die eine Rotation einschließen, ist die Darstellung des Baus durch Computermodelle für die Mehrheit der Schüler geeigneter.

• Die Darstellung durch eine stereochemische Formelerleichtert der Mehrzahl der Schüler die Lösung der Aufgaben, die eine Spiegelung einschließen.

• Das Unverständnis bezüglich der Begriffe Rotation und Spiegelung kann ein einschränkender Faktor bei der Lösung der Aufgaben sein.

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III. Die Verwendung von Hilfsmitteln ist für die Verbesserung der Wahrnehmungsqualität einer 3d Struktur nützlich, wie auch bei der Lösung räumlicher Aufgaben:

Schluss

• Der Gebrauch von Modellen hilft allen Schülern, insbesondere denen mit schlechteren visuellen Fähigkeiten beim Erreichen von den Mitschülern vergleichbaren Ergebnissen.

• Beim Gebrauch von 3d, v3d und 3dv3d Modellen sind Schüler gleich erfolgreich.

plastischen Modellen (3d) 3dv3dvirtuellen

Computermodellen (v3d)

oder

?

� �

oder

?

�

IV. Ergebnisse der Analyse der Situation an den Schulen sind:

Schluss

• Dass den Lehrern Modelle als wichtiges Hilfsmittel beim Lernen und Lehren der Chemie erscheinen.

• Dass die Lehrer vor allem traditionelle Molekülmodelle und Kristallgitter verwenden, und dass sie sich eine größere Zahl von Modellen zur Verfügung wünschen für dieselbständige Arbeit der Schüler;

• Die Mehrheit der Chemielehrer über virtuelle Computermodelle und Programme zum Zeichnen von Modellen Bescheid weiß, sie aber nicht selbständig verwenden kann; bei den künftigen Lehrern ist die Situation ähnlich – Wunsch Ausdruck es zu lernen.

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Kontakt:Dr. Vesna Ferk Savec

Universität Ljubljana

Naturwissenschaftlich-technische Fakultät

Abteilung für Unterrichtswesen und Informatik der Chemie,

Vegova 4, 1000 Ljubljana

Slowenien

http://www2.arnes.si/~vferk1/

E-mail: [email protected]

Die Rolle unterschiedlicher Darstellungen des

Molekülbaus beim Lernen und Lehren der Chemie