Das Seminar „Digitalisierung Chemiedidaktik“ wurde im Sommersemester 2023 erstmalig durchgeführt und entstand im Rahmen des BiLinked Projekts, in dem Studierende und Lehrende gemeinsam digitale Lehr-/Lernformate entwickeln und erproben. Bei der Umsetzung stehen die studentische Partizipation und Kollaboration im Fokus. Hier sollte die Förderung professionsrelevanter, digitaler Kompetenzen von Lehramtsstudierenden entwickelt werden. Als Teilnehmende des Seminars war es unsere Aufgabe, im Rahmen des projektbasierten Lernens (Krajcik & Blumenfeld), einer didaktischen Problemstellung kollaborativ durch einen digitalen Unterrichtsauschnitt zu begegnen.

Was haben wir gemacht?

Oben dargestellt ist das dynamische Bohr´sche Wasserstoffatom, wobei der Atomkern pink und das Elektron grün darge-stellt wird. Unten dargestellt ist das orange s-Orbital von Wasserstoff. Foto: Marvin Niederlüke

Hybridvorstellungen beschreiben eine Mischform aus bereits vorhandenen Vorstellungen und neu erworbenen „wissenschaftlichen“ Vorstellungen (Vosniadou & Brewer, 1992). Am Ende der Schulzeit lassen sich Hybridvorstellungen, bei denen nicht kompatible Eigenschaften zwi-schen dem Bohr´schen Atommodell und dem Orbitalmodell verbunden werden, bei Schü-ler*innen nachweisen (Petri & Niederrer, 1998). Jenes kann zu fachlich unangemessenen Vor-stellungen führen, welche am Ende der Schulzeit bestehen bleiben. Unser Ziel war es, Hybrid-vorstellungen zwischen diesen Atommodellen zu vermindern, indem wir mit Augmented Reali-ty, kurz AR, eine Marker-abhängige Umgebung entwickeln, in der Nutzer*innen ein Wasser-stoffatom als Orbitalmodell und als dynamisches Bohr´sches Atommodell betrachten können. Dabei kann jeweils eines der beiden Modelle ausgewählt werden. AR stellt dabei eine geeignete Methode dar, um kognitive Hürden des Modellwechsels zu minimieren, da durch den wieder-holbaren Modellwechsel Modelle eigenaktiv und mehrfach reflektiert bearbeitet werden können (Seibert et al., 2021).

Im Folgenden wollen wir euch unseren Prozess und unser Ergebnis genauer vorstellen.

Wie funktioniert das?

In Blender (Grafiksoftware) lassen sich 3D-Modelle mit Animationen erstellen. So konnten wir zum Beispiel für das Bohr´sche Atommodell eines Wasserstoffatoms eine kleine grüne Kugel (Elektron) erstellen, welche sich auf einer Kurve um eine größere pinke Kugel (Atomkern) dreht. Indem wir in einer anderen Achse eine weitere Kurve als Bewegung für das Elektron festgelegt haben, konnten wir eine dreidimensionale Rotation mit gleichbleibendem Abstand zum Atomkern simulieren. Für das s-Orbital des Orbitalmodells haben wir in einer neuen Datei eine größere orange Kugel in Blender erstellt.

Dargestellt ist der Marker unseres Produktes mit den beiden roten Textfeldern. Foto: Marvin Niederlüke

In einem zweiten Schritt haben wir mit Vuforia (AR-Plattform) in Unity (Entwicklungsumge-bung) unsere Modelle inklusive der Animationen ins Programm geladen. Zusätzlich mussten wir einen Marker erstellen, also ein Bild, welches ähnlich wie ein QR-Code funktioniert. Auf diesem Marker haben wir Bereiche ausgewählt. Die Kamera erkennt nun die einzelnen Berei-che. Wir haben dabei die Umgebung so programmiert, dass kein Modell sichtbar ist, wenn alle Bereiche von der Kamera erkannt werden. Wird eines der Marker durch eine Hand verdeckt, wird eines der beiden Modelle angezeigt. Damit die Bereiche von unseren Nutzer*innen er-kannt werden, haben wir in einem letzten Schritt noch rote Textfelder über den Markern einge-fügt, in dem jeweils das Modell benannt wird, welches beim Verdecken mit der Hand angezeigt wird.

Welchen Hindernissen sind wir begegnet?

Für uns war das Erstellen von 3D-Modellen und Animationen in Blender vollkommen neuartig. Durch das Making-Media Space hatten wir aber gute technische Möglichkeiten und eine gute Beratungsstelle. Im Internet finden sich viele Erklärvideos zur Nutzung von Blender, welche uns Möglichkeiten für unsere Umsetzung aufgezeigt haben. Viel schwieriger war hingegen das Erstellen der AR-Umgebung in Unity/Vuforia. Während wir in Blender direkt sehen konnten, welche Auswirkung jeder Entwicklungsschritt hatte, konnten wir in Unity/Vuforia immer nur das Endprodukt sehen, nachdem wir bereits mehrere Schritte durchlaufen hatten. Die meiste Zeit haben wir am Ende damit verbracht, einen geeigneten Marker zu finden, der zuverlässig die Bereiche erkennt. Zusätzlich mussten wir uns Gedanken über die Veröffentlichung machen. Die AR-Umgebung ließ sich nicht einfach auf einer Plattform hochladen. Stattdessen mussten wir für die Präsentation unserer Ergebnisse im Seminar unsere eigenen Smartphones zur Verfü-gung stellen. Während der Präsentation hatte die AR-Umgebung leider Schwierigkeiten die Marker zu erkennen.

Welche Vor- und Nachteile haben AR-Umgebungen für den Unterricht?

Tabelle 1: Gibt eine Übersicht über Vor- und Nachteile von AR-Umgebungen.

Wir sehen ein großes Potential für AR-Umgebungen im Unterricht, da sie ermöglichen, theoreti-sche Modelle in die Realität zu bringen. Im Vergleich zu analogen Modellen haben sie zudem die Möglichkeit dynamisch zu sein. Sie können beliebig vervielfältigt und damit für alle Ler-nenden gleichzeitig verfügbar gemacht werden, ermöglichen neue Darstellungsmöglichkeiten, sind interaktiv und haben eine höhere Anpassungsfähigkeit. Dieses Potential kann zum aktuel-len Zeitpunkt jedoch nicht ausgeschöpft werden, da die Marker noch nicht so funktionieren, wie wir uns das gewünscht haben. Die Erstellung ist zudem zeitaufwendig, sodass wir uns fragen, inwiefern die Erstellung von AR-Umgebungen für Lehrkräfte in deren Alltag realistisch ist. Zu-dem steht die Frage der Veröffentlichung im Raum. Im Gegensatz zu Erklärvideos lassen sich diese nicht einfach als MP4 Datei oder auf einer Website hochladen. Dass von AR-Umgebungen eine höhere Kognitive Belastung ausgehen kann, sollte zudem auch beachtet werden. Zum aktuellen Zeitpunkt sind analoge Methoden zudem besser erforscht. (Schweiger, et al., 2022).

Wie kann man sich als Studierender in einem hochschulweiten Projekt einbringen? Nachdem uns Sophie Spliethoff und Yasmin Kaspersetz aus der CoP Data Literacy ihre studentische Perspektive aufgezeigt haben, folgt Josia Hoppmann, der in der CoP MINTconnect daran arbeitet Digitalkompetenzen anschlussfähig zu vermitteln. Im Projekt BiLinked entwickeln und erproben Studierende und Lehrende gemeinsam digitale Lehr-/Lernformate. Bei der Umsetzung steht die studentische Partizipation und Kollaboration im Fokus.

Josia Hoppmann, Lehramtsstudent. Foto: Josia Hoppmann

Ich heiße Josia Hoppmann und studiere Chemie & Sport auf Lehramt. Über ein Jahr lang habe ich das Projekt „ChemieDidaktikDigital“ (CD₂) als Teil von BiLinked und der Didaktik der Chemie mitgestaltet. Ziel des Projektes ist es, die Digitalkompetenzen von Lehramtsstudierenden zu fördern. Dies soll durch digitale Lerneinheiten zu den Themen „Präsentation“ und „Simulation & Modellierung“ umgesetzt werden. Ich habe an der Entwicklung dieser Lerneinheiten von theoretischer Konzeption bis zu konkreter technischer Umsetzung umfassend mitgewirkt und mitgestaltet. Dabei konnte ich viel Verantwortung übernehmen und habe deshalb die Gestaltung der Lerneinheiten zum Thema Präsentation als zu fördernde Digitalkompetenz in die Hand genommen.

Ein sehr populäres digitales Präsentationsmedium ist das Erklärvideo, auf das sich die Lerneinheiten zur Präsentation beziehen sollten. Neben einer noch nicht finalisierten Einheit zur technischen Umsetzung von Erklärvideos, lag mein Fokus auf einer Lerneinheit zu didaktisch-psychologischen Qualitätskriterien von Erklärvideos. In einer ersten Pilotierung zur usability ist diese Lerneinheit dabei gut angekommen. Insbesondere die erleichterte Orientierung durch die eingebaute Navigationsleiste und das selbstgeleitete Durchführen der Lerneinheit wurden sehr positiv aufgenommen. Hinsichtlich des Aufbaus bestand die Überlegung, der Lerneinheit eine inhaltliche Einführung voranzustellen. Diese Einführung sollte durch einen „advance organizer“, der durch den Psychologen Diethelm Wahl als „früh im Lernprozess vermittelte Expertenstruktur“ bezeichnet wird, erfolgen. Der advance organizer hat das Ziel, Lernprozesse effektiver zu gestalten, indem er den Lernenden die Inhalte der Lerneinheit vorab strukturiert und erklärend vermittelt. Um an das Vorwissen anknüpfen zu können, werden die Inhalte im advance organizer auf einem allgemeineren Niveau als in der eigentlichen Lerneinheit vermittelt. Da Lehramtsstudierende nachweislich eine geringere Affinität für das digitale Arbeiten aufweisen als andere Studierende, halten wir die advance organizer-Struktur im Hinblick auf unsere Ziele für besonders geeignet. Passend zu der Digitalität der Lerneinheiten lag es nahe, diesen advance organizer in einem Video umzusetzen. Hieraus ergab sich die Frage, der ich mich in meiner Bachelorarbeit widmete:

„Inwiefern lassen sich advance organizer und Erklärvideo vereinen und welche Qualitätskriterien könnten für ein solches advance organizer-Video gelten?“

Ich habe ein advance organizer-Video als ein kurzes Video, das vor dem Lernmaterial eingeführt wird, definiert. Es soll in Bezug auf das Lernmaterial inklusivere und abstraktere Inhalte, Konzepte und Zusammenhänge erklären, um die Lücke zwischen dem Vorwissen der Lernenden und dem zu erlernenden Wissen zu schließen und ein Verständnis bzw. effektiven Lernprozess von neuem Inhalt vorzubereiten.

Bereits während der Bearbeitung der Bachelorarbeit erstellte ich das Video für die Lerneinheit zu den Qualitätskriterien des Erklärvideos. Dafür nutzte ich das Programm Prezi, welches sich bei der Umsetzung der Bildgrundlage für das Video gut eignete.

Zusammenfassungsteil des advance organizer-Videos. Foto: Josia Hoppmann

Vor allem für die schrittweise Entwicklung des advance organizers ist Prezi vorteilhaft. Kennzeichnend für das advance organizer-Video ist ein übersichtliches und ansprechendes Design. Die Nutzung von Icons soll dazu beitragen, möglichst wenig Text in dem Videobild zu verwenden. Persönlich hatte ich besonders viel Spaß bei der technischen Erstellung der Videos, denn ich konnte dabei selbst etwas dazu lernen und meine eigene Kompetenz in diesem Bereich ausbauen. Zusätzlich hat mich motiviert, mein bereits vorhandenes Wissen im Bereich der Tonaufnahme einbringen zu können.

Tonaufnahme und Produktion eines Videos. Foto: Josia Hoppmann

Ständig Neues zu lernen, Kompetenzen aufzubauen und einzubringen sowie das aktive Mitgestalten und Verantwortung zu übernehmen sind Punkte, die ich aus meiner Zeit als Hilfskraft als sehr bereichernd mitnehme. Aufgrund meines Praxissemesters werde ich aus zeitlichen Gründen im kommenden Jahr leider nicht mehr in dem Projekt involviert sein. Zukünftig werden die Lerneinheiten in einem Seminar zur Digitalisierung im Chemieunterricht im Rahmen von blended learning eingesetzt. Zusätzlich werden die bereits bestehenden Lerneinheiten zu Erklärvideos und Simulationen laufend ergänzt und um zusammenfassende Vertiefungsbausteine erweitert.