Didaktik der Chemie

Vom Einzelteilchen zum Vielteilchensystem

Lern- und Erklärungsprozesse mit Molekulardynamik-Simulationen in der Physikochemie: Instruktionale Gestaltung zur Förderung systemischen Denkens

In der Physikalischen Chemie stoßen Lernende auf besondere Schwierigkeiten. Der Grund: Viele zentrale Konzepte, wie Entropie, Gleichgewicht oder Reaktionsgeschwindigkeit, beruhen auf emergenten Prozessen von Vielteilchensystemen. Dies erfordert ein Denken in dynamischen, stochastischen Ensembles statt in einzelnen Molekülen – eine kognitive Hürde, die zu einer Vielzahl alternativer Vorstellungen führt. Einige Autor*innen fordern daher, dass systemisches Denken gefördert werden sollte, um die Lernhürde „Emergenz“ zu überwinden (Talanquer 2015; Tümay 2016).

Molekulardynamik-Simulationen bieten hierbei eine vielversprechende Möglichkeit: Sie ermöglichen eine interaktive Auseinandersetzung mit dem prozesshaften Verhalten von Vielteilchensystemen und fördern gleichzeitig die Verknüpfung multipler Darstellungsformen.

Obwohl das Potenzial von MD-Simulationen in zahlreichen Studien aufgezeigt wurde, ist bislang wenig darüber bekannt, wie Lernende diese nutzen, um Erklärungen zu konstruieren, und inwiefern systemisches Denken dadurch gefördert werden kann.

In meiner Promotion untersuche ich unter Verwendung des Knowledge-in-Pieces-Frameworks (diSessa und Sherin 1998) die Lernprozesse von Studierenden bei der Arbeit mit MD-Simulationen. Ziel ist es, zu verstehen, inwiefern diese Simulationen das systemische Denken fördern und welche weiteren instruktionalen Maßnahmen hierfür notwendig sind.

Literaturverzeichnis

diSessa, Andrea A.; Sherin, Bruce L. (1998): What changes in conceptual change? In: International Journal of Science Education 20 (10), S. 1155–1191. DOI: 10.1080/0950069980201002.

Ho, Felix M. (2019): Turning Challenges into Opportunities for Promoting Systems Thinking through Chemistry Education. In: J. Chem. Educ. 96 (12), S. 2764–2776. DOI: 10.1021/acs.jchemed.9b00309.

Samon, Sigal; Levy, Sharona T. (2020): Interactions between reasoning about complex systems and conceptual understanding in learning chemistry. In: J Res Sci Teach 57 (1), S. 58–86. DOI: 10.1002/tea.21585.

Talanquer, Vicente (2015): Threshold Concepts in Chemistry: The Critical Role of Implicit Schemas. In: J. Chem. Educ. 92 (1), S. 3–9. DOI: 10.1021/ed500679k.

Tümay, Halil (2016): Reconsidering learning difficulties and misconceptions in chemistry: emergence in chemistry and its implications for chemical education. In: Chem. Educ. Res. Pract. 17 (2), S. 229–245. DOI: 10.1039/c6rp00008h.

(Ho 2019; Samon und Levy 2020)