Dipl kol Nina Harsch Fachbereich Chemie und Pharmazie

Dipl. Ökol. Nina Harsch Fachbereich Chemie und Pharmazie – Institut für Didaktik der Chemie Westfälische Wilhelms-Universität Münster Lehrerfortbildung Luft und Luftbelastung: Wissen und Fehlvorstellungen von Schülern der Sekundarstufe (und Lehramtsstudierenden) Eine empirische Erhebung von Nina Harsch Universität Münster Deutschland 2011

Gliederung 1. Pädagogischer Hintergrund Folie 3 - 5 2. Empirische Erhebung Folie 6 - 8 3. Ergebnisse - Gesamtergebnis - Teil 1: Luft - Teil 2: Treibhauseffekt - Teil 3: Ozon - Teil 4: Saurer Regen Folie 9 - 19 4. Fazit Folie 20

Warum Fehlvorstellungen untersuchen? „Aller Unterricht hat bei der Erfahrung der Kinder anzufangen. David Paul Ausubel [Wikipedia]. Alle neuen Erfahrungen, die Schüler im Unterricht machen, werden mit Hilfe bereits bekannter Vorstellungen organisiert. “ [D. P. Ausubel, 1974]

Welche Vorstellungen und Erfahrungen haben Schüler? a) Alltagssprache: • „Hohe CO 2 -Konzentration“ b) Eigene Beobachtungen: • „Die Sonne wärmt. “ c) Reproduktion: • „Das Ozonloch liegt über der Antarktis. “ Beispiele. . . ?

Zusammenfassung Konzept Mögliche Folge Alltagssprache Fehlvorstellungen Beobachtungen Präkonzepte Reproduktion Unverständnis => Verwirrung beim Schüler Überlastung / Abschalten Zurückgreifen auf eigene Konzepte „Parallele Denkweisen“ / „Tauschwissen“

Empirische Erhebung Teilnehmer: • 1. 500 Schüler der Jahrgangsstufen 10 und 12 – Deutschland, Spanien, Taiwan, Russland • 100 Studierende LA Chemie (Bachelor und Master) Fragebogen: Motivation • Einstellung und Lernbereitschaft Fachwissen • Luft, Treibhauseffekt, Ozon, Saurer Regen Hintergrund • Spezialisierung, Lernbedingungen

Auswertung

Auswertung • Ermittlung des Test-Ergebnisses: – Fachwissen: 43 Items • 100 % richtig beantwortet: 43 Punkte => Score 1 • 0 % richtig beantwortet: 0 Punkte => Score 0 – Test-Score: 1. Personen-Scores 2. Mittelwert aller Personen-Scores DE WWU SP RU TW

Test-Gesamtergebnis: VORAUSSETZUNGEN Motivation: Lernbedingungen: Deutschland Spanien Taiwan Russland WWU ∅ Umweltschutz ist mir wichtig 80 % 97 % 93 % 98 % 90 % 92 % Lerninteresse Thema Umwelt 40 % 60 % 40% 26 % 79 % 49 % Schulsysteme Deutschland Testergebnis: Spanien Taiwan Russland WWU Woher hast du dein Wissen zum Thema Luft und Luftbelastung? Medien Geo Chem 45 % 36 % 33 % Naturw Bio/Geo Phy/Chem 61 % 47 % 39 % Chem Medien Bio 95 % 87 % 79 % Chem Medien Konv 35 % 21 % 16 % Chem Medien Bio 51 % 49 % 34 % Wann hast Du im Unterricht etwas zu diesen Themen gelernt? JGS 8 JGS 9 JGS 10 21 % 26 % 27 % JGS 9 JGS 11 JGS 12 50 % 45 % 46 % JGS 8 JGS 9 JGS 10 39 % 33 % 50 % JGS 5 JGS 9 23 % 40 % JGS 9 JGS 10/11 JGS 12 21 % 20 % 22 % > JGS 9 Wer war am Besten? Wie ist das durchschnittliche Testergebnis? ?

Test-Gesamtergebnis: FACHWISSEN JGS 10 JGS 12 gesamt Deutschland 0, 38 Schüler 0, 46 0, 40 Spanien 0, 38 0, 52 0, 44 Taiwan – 0, 71 – Russland ? ? 0, 50 – – 0, 61 Studierende Uni Münster (LA Chemie)

Fachwissen Teil 1: LUFT FRAGE 3: Wie ist die reguläre Zusammensetzung von 1 Liter Luft? Auswahl: CO 2, CH 4, N 2, O 2 ANTWORT: 780 ml N 2 210 ml O 2 < 10 ml CH 4 Wer wusste das? [%] DE SP TW RU WWU ∅ N 2 26 25 88 65 82 57 O 2 35 27 85 67 91 61 CO 2 26 22 85 67 80 56 CH 4 50 34 90 86 87 69 ∅ 34 27 87 71 85 Kategorien: N 2 / O 2 CO 2 / CH 4 weiß nicht • 20 % der Schüler • 42 % der Schüler • 38 % der Schüler Fehlvorstellung: „Treibhausgase sind Hauptbestandteile der Luft. “

FRAGE 2: Sind die folgenden Gase Treibhausgase? Auswahl: N 2, O 2, H 2 O, CO 2, CH 4, SO 2, NOx ANTWORT: nein N 2 nein O 2 ja H 2 O ja CO 2 ja CH 4 nein SO 2 nein NOx Wer wusste das? Fachwissen Teil 1: LUFT [%] DE SP TW RU WWU ∅ N 2 31 39 93 69 58 58 O 2 57 53 85 56 81 66 H 2 O 22 35 90 23 26 39 CO 2 81 86 98 74 93 86 CH 4 64 56 100 22 84 65 SO 2 25 20 53 79 28 41 NOx 24 26 45 19 17 26 ∅ 43 45 81 49 55 Kategorien: CO 2 / CH 4 H 2 O SO 2 / NOx N 2 / O 2 72 % 28 % • 76 % der Schüler • 55 % der Schüler Fehlvorstellungen: - „Alle Luftschadstoffe sind Treibhausgase. “ - „Der Treibhauseffekt ist rein anthropogen. “

Fachwissen Teil 2: TREIBHAUSEFFEKT FRAGE 1. 4 / 1. 5: Besteht ein Zusammenhang des Treibhauseffekts mit Strahlung und Temperatur? Wer wusste das? ANTWORT: Ja, sowohl / als auch. FRAGE 4: Wie läge die mittlere Globaltemperatur, wenn wir allen Wasserdampf aus der Atmosphäre entfernen würden? FRAGE 1. 1 / 1. 2: Wer beeinflusst den Treibhauseffekt? Mensch? Natur? ANTWORT: Mensch und Natur. [%] DE SP TW RU WWU ∅ Strahlung 68 60 83 74 86 74 Temperatur 67 86 100 74 89 83 ∅ 68 73 92 74 88 ANTWORT: Niedriger. Mit Wasserdampf: Tglob∅: +15 °C Ohne Wasserdampf: Tglob∅: – 18 °C Wer wusste das? [%] DE SP TW RU WWU 29 24 50 42 38 ∅ 37 Wer wusste das? [%] DE SP TW RU WWU ∅ Mensch 70 49 58 37 78 58 Natur 34 40 58 53 42 45 ∅ 52 45 58 45 60

Fachwissen Teil 2: TREIBHAUSEFFEKT FRAGE 5. 1 / 5. 2: Wie funktioniert der Treibhauseffekt? ANTWORT: Abbildung B. „Die Treibhausgase lassen die Solarstrahlung durch, halten aber die vom Boden reflektierte Strahlung auf. “ „Die kurzwellige Solarstrahlung wird vom Boden absorbiert und danach als langwellige Wärmestrahlung emittiert. Die Treibhausgase absorbieren diese. “ „Durch das Ozonloch ist die Erde der Sonne schutzlos ausgesetzt und erwärmt sich immer mehr. “ „Die Sonnenstrahlung gelangt durch das Ozonloch auf die Erde. Dort wird sie am Boden und an der Ozonschicht reflektiert und bleibt so in der Atmosphäre. “ Schüler: 17 % WWU: 27 % ∅: 22 % DE: 18 % SP: 51 % TW: 39 % RU: 13 % WWU: 25 % ∅: 28 % 30 % Schüler: 6 % WWU: 0 % ∅: 3 % Schüler: 39 % WWU: 31 % ∅: 35 %

Fachwissen Teil 2: TREIBHAUSEFFEKT FRAGE: ANTWORT: Besteht zwischen Treibhauseffekt und Ozonloch ein Zusammenhang? Nein. Wer glaubt das fälschlicherweise? FRAGE 5: FRAGEN 1. 3 und 7. 7: [%] DE SP TW RU WWU ∅ 5. 1: Abb. C/D 5. 2: Begründung Ozon 24 30 20 30 23 5 26 ? 34 27 25 23 ∅ 27 25 14 26 31 [%] DE SP TW RU WWU ∅ 1. 3: THE beeinflusst Ozonloch 7. 7. : Ozonloch beeinflusst THE 71 72 78 61 40 5 49 63 77 44 63 49 ∅ 72 70 23 56 61

Fachwissen Teil 3: OZON (Stratosphäre) FRAGE 7. 1: Woraus entsteht Ozon in der Stratosphäre? FRAGE 7. 8: Wodurch entsteht das Ozonloch? FRAGE 8: Wo liegt das Ozonloch? ANTWORT: Antarktis. Fehlvorstellung: ANTWORT: Schutz vor schädlicher UV-Strahlung. Wer wusste das? [%] (UV-C + Großteil UV-B) DE SP TW RU WWU ∅ 68 82 100 95 91 87 Wer wusste das? [%] ANTWORT: Aus Sauerstoff und UV-Strahlung. DE SP TW RU WWU ∅ 23 29 70 79 55 51 Wer wusste das? [%] ANTWORT: FCKWs. Kategorien: FRAGE 7. 3: Wozu dient uns die Ozonschicht? DE SP TW RU WWU ∅ 40 49 100 26 85 60 [%] DE SP TW RU WWU ∅ Antarktis, Australien (A, F) 45 65 98 41 68 63 Industrienationen (B, C, D) 20 12 0 23 7 12 Südamerika (E) 5 3 0 8 0 3 weiß nicht 30 19 3 30 25 21 „Das Ozonloch liegt über den Ländern, die es verursachen. “

Fachwissen Teil 3: OZON (Troposphäre) FRAGE 7. 6: Gibt es in der Troposphäre Ozon? FRAGE 7. 2: Woraus entsteht Ozon in der Troposphäre? FRAGE 7. 4: Ist Ozon schädlich für die Lunge? Kategorien: Wer wusste das? [%] ANTWORT: Ja. ANTWORT: Aus Stickoxiden und UV-Strahlung. ANTWORT: Ja. DE SP TW RU WWU ∅ 20 8 5 2 41 15 Wer wusste das? [%] DE SP TW RU WWU ∅ 22 20 20 9 25 19 Wer wusste das? [%] DE SP TW RU WWU ∅ 22 25 73 26 49 39 Stratosphäre aus O 2 Troposphäre aus NOx 75 % der Schüler 50 % der Schüler 21 % der Schüler 20 % der Schüler Fehlvorstellung: „Ozon gibt es nur in der Ozonschicht. “

FRAGE 10: Verursachen die folgenden Gase Sauren Regen? Auswahl: N 2, CO 2, CH 4, O 3, SO 2, NOx ANTWORT: nein N 2 ja CO 2 nein CH 4 nein O 3 ja SO 2 ja NOx Wer wusste das? Fachwissen Teil 4: SAURER REGEN [%] DE SP TW RU WWU ∅ N 2 34 35 88 78 69 61 CO 2 42 49 100 26 60 55 CH 4 44 39 73 56 73 57 O 3 47 47 98 74 66 66 SO 2 68 73 100 77 92 82 NOx 34 43 75 51 54 51 ∅ 45 48 89 60 69 Kategorien: SO 2 NOX CO 2 70 % 39 % 40 % N 2 CH 4 O 3 66 % 59 % 53 % Fehlvorstellungen: -„Saurer Regen ist rein anthropogen verursacht. “ - „Saurer Regen hat mit Ozon und Treibhauseffekt zu tun. “

Fachwissen Teil 4: SAURER REGEN ANTWORT: FRAGE 11: Reaktionsa) CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 gleichungen b) SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 Saurer Regen. c) 2 NO + O 2 2 NO 2 + H 2 O HNO 2 + HNO 3 Wer wusste das? [%] DE SP TW RU WWU ∅ CO 2 3 5 10 26 21 13 SO 2 6 19 78 0 19 24 NOx 2 13 15 56 1 17 ∅ 4 12 34 27 14 FRAGE 12: Was sind die Folgen Sauren Regens? 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 Vegetation / Gebäude / Seen weiß nicht • 35 % der Schüler • 33 % der Schüler Fehlvorstellung: „Saurer Regen ist konzentrierte Säure. “ SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 Gesundheit „Verätzungen, Todesfälle, Krebs, Hautkrankheiten, Haarausfall. “ • 15 % der Schüler

Schlussbetrachtung und Ausblick Mittelwerte - deutsche Schüler [ 0 ≤ x ≤ 1]: • Interesse am Thema: 0, 68 • Wissen aus Unterricht: 0, 56 • Test-Score: aus Medien: 0, 66 0, 50 - Zahlreiche Wissenslücken und Fehlvorstellungen. Ausblick: Unterrichtskonzept 1. Entwicklung (Datenbasis) 2. Anwendung (Sekundarstufe) 3. Auswertung (Pre- & Post-Test) 4. Optimierung