Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 24.09.19, Seiten E1-E8


Exkurs: Wissenschaftstheorie

"Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen" werden gerne zitiert. Leider zeigt die Beobachtung, dass diese kaum in universitären naturwissenschaftlichen Veranstaltungen explizit thematisiert wird.

  • Wie arbeiten Wissenschaftler?

  • Was tun Naturwissenschaftler anders als Geisteswissenschaftler?

  • Unterscheiden sich die Arbeitsweisen von Physikern und Chemikern?

Möchte man Lernenden das "wissenschaftliche Arbeiten" beibringen, sollte man es nicht nur aus der persönlichen Erfahrung einer Bachelor-Arbeit oder eines Fortgeschrittenen-Praktikums kennen, sondern auch fachsprachlich abstrahiert und reflektiert haben - finde ich.

Einen kleinen Ersatz für mangelnde Vorkenntnisse aus fachwissenschaftlichen Vorlesungen soll dieses Kapitel liefern.

Wissenschaftstheorie liefert aus der Rekonstruktion des Zustandekommens von Erkenntnissen Methoden zum richtigen wissenschaftlichen Arbeiten.


E1 Erkenntnisweg der Naturwissenschaften

Naturwissenschaften beschäftigen sich mit beobachtbaren Phänomenen der belebten und unbelebten Natur, sofern sie nicht durch das menschliche Denken bedingt sind.

Bsp. für Naturwissenschaften: Physik, Chemie, Astronomie, Geowissenschaften, Biologie, Paläontologie, Medizin und Veterinärmedizin (Mathematik ist Voraussetzung und Hilfsmittel).

Die Naturwissenschaften sind von drei Fragen (nicht notwendiger Weise gleichzeitig) geprägt:

  • Wie geschieht etwas? (Beobachtung; Empirie)
    Bsp. 1: Wie verhält sich ein Eisen-Draht, wenn zunehmend mehr Strom durchgeschickt wird? Physik.
  • Warum geschieht es? (Frage nach der Ursache; Kausalität)
    Bsp. 2: Warum reagiert Kupfer mit verdünnter und konzentrierter Salpetersäure zu unterschiedlichen Produkten? Chemie.
  • Wieso geschieht es? (Frage nach dem Zweck; Teleologie).
    Bsp. 3: Was bezweckt der Mandrill, wenn er sein Hinterteil einem Artgenossen präsentiert? Biologie.

Naturwissenschaftliches Denken muss (u.a.) im Chemieunterricht geschult werden. Lassen wir den Fall im Moment unbetrachtet, ob dieses Vorgehen nicht eine Einengung eines sich ansonsten freier entfaltenden Geistes bedeute, eine Theorie, die von manchen Philosophen vertreten wird, obwohl sie Erkenntnissen der Verhaltensbiologie und Neurophysiologie widerspricht. Gehen wir davon aus, dass die angestrebte Schulung sinnvoll ist.

E1.1 Beobachtung


Abb. 1: Naturwissenschaftliche Arbeitsweise

Grundlage für jede Gewinnung von Erkenntnis ist die genaue Beobachtung von Phänomenen aus der Natur. Man muss aber klar unterscheiden zwischen sehen und beobachten.

Alle vier sehen Dasselbe, aber noch lange nicht das Gleiche. Möglicherweise beschäftigt sich nur der Naturwissenschaftler eingehender mit der Erklärung des Problems.

Zitat: nach Popper:

Aufforderung: "Beobachten Sie"!
Nach 30 Sekunden Frage: "Was haben Sie gesehen?"
Antwort: "Dies und das..."
Bemerkung: "Wenn Sie nicht wissenschaftlich gezielt beobachten, gucken Sie nur blöd in der Welt herum!"

Schule leistet das Hinführen zu den Fragen, das Aufzeigen von Methoden, wie man an die Natur, außer rein emotional oder beschreibend, noch herangehen kann.

Hinweis: Die Praxis ernüchtert etwas. Manche Lernenden sind offenbar von Haus aus (im Alter von 9-11) schon neugierig, stellen Fragen und arbeiten an einer Antwort. Anderen kann man es in 12 Schuljahren nicht beibringen, obwohl sie im Prinzip die gleiche Behandlung erfahren haben.

E1.2 Bewertung von Beobachtung

Eigentlich ist dieser Punkt untrennbar mit der Beobachtung selber verbunden. Aus folgendem Grund sollten die Begriffe dennoch unterschieden werden.

Beobachtung an sich ist weitgehend ein objektiver Prozess. Philosophische Betrachtungen, wonach keine zwei Lebewesen das Gleiche wahrnehmen seien ignoriert, physiologische Unterschiede, die zu geringfügigen Qualitätsunterschieden in der Wahrnehmung führen, als für unsere Betrachtungen weitgehend unerheblich eingestuft.

 
Abb. 2
: Verlauf der Schmelz- und Siedepunkte bei n-Alkanolen im Vergleich zu Wasser

Die Bewertung besitzt allerdings einen wechselnd hohen subjektiven und einen unterschiedlich spekulativen Anteil. Sie bringt den wesentlichen Anteil an Unschärfe in das Ergebnis der Beobachtung hinein.

Ziel des Chemieunterrichts sollte auch sein, dass Lernende überhaupt dazu gebracht werden, zu bewerten. Erst durch das "sich beschäftigen" mit der Beobachtung gelangt diese fester in unser Gedächtnis und steht für spätere mögliche Verknüpfungen zur Verfügung.

E1.3 Hypothesen

Aus Beobachtung und Bewertung kann man Hypothesen ableiten.

Hypothesen sind formulierte Annahmen, wie eine Beobachtung erklärt werden könnte.

Bsp. 8: schwache Hypothese: In jeden Baum schlägt der Blitz ein.

Bsp. 9: starke Hypothese: Immer wenn der Blitz einschlägt, geht der Baum kaputt.

E1.4 Übersichtlichkeit herstellen

Ist das Phänomen zu kompliziert, wird es in überschaubare Teile aufgegliedert (Partikularisierung):

  • Brennen die Blätter und/oder das Holz?
  • Bleibt die Baumgestalt erhalten oder splittert er stets, wenn der Blitz einschlägt?
  • Brennt der Baum ganz ab?

E1.5 Experiment

Um eine Hypothese zu überprüfen, müssen gezielte Experimente durchgeführt werden.

Experimente sind planmäßig ausgelöste, reproduzierbare Vorgänge zum Zweck der Beobachtung.

Bsp. 10: Grundschüler testen, welche Materialien brennen: Eisennagel, Kunststoffstäbchen (PE), Papier, Holzstäbchen, Holzstab, Kieselstein...

E1.6 Theorie

Schließlich entsteht eine Theorie aus einer Hypothese, falls die Ergebnisse von Experimenten sie bestätigen.

Eine Theorie umfasst das formulierte Gesetz ("Organische Stoffe brennen"), seine Deutung ("weil sie energiereich sind") und Aussagen über den Gültigkeits- oder Anwendungsbereich ("sofern ausreichend Aktivierungsenergie und Sauerstoff zur Verfügung stehen").

Bsp. 11: widerlegte Hypothese, in der Folge keine Theorie. Bäume können auch angezündet werden, sie brennen nicht nur, wenn der Blitz einschlägt.

Bsp. 12: bestätigte Hypothese, in der Folge Theorie. Bäume werden durch Blitzeinschlag immer geschädigt, auch wenn sie nicht brennen.

Bsp. 13: 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz): Ein Stoff brennt dann von selbst weiter, wenn er dadurch einen ungeordneteren, d.h. energieärmeren Zustand einnehmen kann.

Wie man zur Theorie gelangt, kann unterschiedlich sein:

Induktives Vorgehen versucht, die neue Beobachtung auf Bekanntes zurückzuführen, vom Einzelnen auf das Ganze zu schließen. Das führt zu guten ("in jeder Steckdose sitzt der heiße Hui") oder schlechten Hypothesen ("Hunde beißen nicht").

Deduktives Vorgehen versucht, vom Ganzen, von einer bekannten Regel den Einzelfall zu erklären ("Wenn alle Gegenstände nach unten fallen, dann tut es der Kanarienvogel auch").

Beide Vorgehensweise lassen sich bei einer Theorienfindung nicht trennen: ein Erkenntnisweg wird immer abwechselnd induktiven oder deduktiven Anteilen folgen.

E1.7 Naturgesetze

Der naturwissenschaftliche Erkenntnisweg ist erst dann endgültig abgeschlossen, wenn er zu einem Naturgesetz führt, das keine Ausnahmen zulässt. Alle anderen Erkenntnisse bleiben auf der Ebene von Theorien und sind hinfällig, sobald wesentliche neue Erkenntnisse dies erfordern.

Bsp. 14: Das Gravitationsgesetz: Ein Gegenstand fällt immer nach unten.


E2 Der Erkenntnisweg des geisteswissenschaftlichen Anteils der Didaktik

Geisteswissenschaften beschäftigen sich mit den Schöpfungen des menschlichen Geistes.

Bsp. für Geisteswissenschaften: Philosophie, Theologie, Philologie, Geschichte und Kunstgeschichte, Jura, Soziologie, Wirtschaftswissenschaften, Psychologie.

Ihre wesentlichste Methode ist die Empirie, d.h. aus Erfahrung gewonnene Erkenntnis. Auch der Empirie geht eine Hypothese voraus. Zur Theorienbildung kann das Experiment eingesetzt werden, sein Verlauf und die Ergebnisse sind allerdings nicht reproduzierbar.

Bsp. 15: Pädagoge Sigurd Lämpel untersucht den Einfluss

  • eines Experimentes
  • zum Thema Spannungsreihe
  • auf den Lernerfolg
  • von fünf 11. Klassen
  • aus Bayreuther Gymnasien,
  • gemessen mit einem der Stunde folgenden Post-Test.
  • Es gab eine Kontrollklassen, in denen statt Experiment ein Video gezeigt wurde.

Er kommt zum Ergebnis, dass der Lernerfolg beim Experiment höher ist.

Aufgabe: Lehrender Jonas Jungspund liest die Publikation. Was kann er daraus lernen?

Anregungen dazu:

  • Hätte ein anderes Experiment bei gleichen sonstigen Parametern genauso gewirkt?
  • Wirken Experimente bei allen Themen so?
  • War die untersuchte Unterrichtseinheit etwas Besonderes im Tagesablauf der Klassen oder wich sie (Lehrperson!) erheblich vom sonstigen Chemieunterricht ab?
  • Lässt sich das Ergebnis auf die Jahrgangsstufe 11 generell übertragen?
  • Ist das Ergebnis auf alle Orte übertragbar, gilt es auch in Selb und in München?
  • Kommt man zum gleichen Ergebnis, wenn man die Lernenden einem mündlichen Test unterzieht?
  • Käme man zum gleichen Ergebnis, wenn man selber die Untersuchung geleitet hätte?

Viele der Parameter sind einzigartig, nicht wiederholbar.

Somit ist das geisteswissenschaftliche Experiment

  • nicht reproduzierbar,
  • die Ergebnisse nicht verifizierbar.
  • Die Übertragbarkeit ist stark eingeschränkt.

Auf der anderen Seite sind bessere Ergebnisse mit sozialen Gruppen voller unkontrollierbarer Parameter wohl nicht zu erhalten. Trotzdem sollte man sich über das Ausmaß der Aussagekraft im Klaren sein.


Zur eigenen Kontrolle:

  1. I: Notieren Sie, welchen Weg Sie als Lernender in Ihrem Unterricht öfter erlebt haben: den deduktiven oder den induktiven?
  2. I: Grenzen Sie "Hypothese" gegen "Theorie" ab.
  3. III: Im Alltag hört man gelegentlich die Formulierung: "Du mit deinen Theorien". Diskutieren Sie, ob damit der Begriff "Theorie" im naturwissenschaftlichen Sinn gemeint sein kann.
  4. III: Beschreiben Sie anhand eines selbst gewählten Beispieles, wie Sie vorgehen um herauszufinden, ob 3 Beobachtungen einer Gesetzmäßigkeit folgen.

Hinweise zur Lösung


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E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de