Allgemeine Chemie für Studierende der Biologie / Molekularbiologie / Geologie / Ingenieurswissenschaften / Chemie-Unterrichtsfach

Ziele/Motive/Ausgangslage/Problemstellung

Laut B. Alberts, Autor eines der wichtigsten Lehrbücher für Molekularbiologie und Zellbiologie "fällt es auf den ersten Blick schwer, die Vorstellung hinzunehmen, dass jedes lebende Geschöpf […] nur ein chemisches System ist […]. Heute wissen wir, dass es in Lebewesen nichts gibt, was nicht den Gesetzen der Chemie und Physik gehorcht".

In diesem Sinne verstehen wir die Chemievorlesung als einen Sprachkurs, in dem Studierende das Vokabular und die Ausdrucksweise erlernen, in der biologische Systeme, also Zellen, Gewebe, Organismen oder komplette Lebewesen funktionieren und sich miteinander unterhalten. Wie bei allen "Sprachen" ist die grundlegende Hürde das Beherrschen der entsprechenden Vokabel und der Grammatik, um die Sprache verstehen und verwenden zu können. Unser "Sprachkurs" soll den Studierenden die Hemmungen und die Furcht vor Chemie ganz allgemein nehmen, die zum Großteil auf das Nicht-Verstehen dieser Sprache und die damit einhergehende Mystifizierung der Chemie zurückzuführen sind.

Das wichtigste Lernziel der Lehrveranstaltung ist es daher, den Studierenden die wichtigsten Konzepte näherzubringen, welche im Zusammenhang mit den (bio)chemischen Reaktionen innerhalb eines biologischen Systems von Bedeutung sind. Gleichzeitig werden auch wichtige Grundlagen des Aufbaus der Materie und der daraus resultierenden physikalischen und chemischen Eigenschaften erarbeitet. Didaktisch wird dabei der Bogen vom Aufbau der Atome über die Organisation zu Molekülen durch chemische Bindungen bis zum Aufbau komplexerer Strukturen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern gespannt.

Um sowohl Studierenden als auch Lehrenden eine Möglichkeit zu interaktiven Kontrolle des Verständnisses des vorgetragenen Stoffes zu ermöglichen, haben wir uns entschieden ein an der Universität Paderborn entwickeltes, Web-basiertes "Live-Feedback System für die Aktivierung von Studierenden" (PINGO „Peer Instruction for very large groups“) einzusetzen.

Kurzzusammenfassung des Projekts

Da in der Vorlesung Allgemeine Chemie nicht nur die Grundlagen der Chemie, sondern sehr viele in den Naturwissenschaften generell gültige Prinzipien (z. B. Was ist ein Experiment? was eine Hypothese? Wie wird eine Hypothese geprüft? Wie ist eine naturwissenschaftliche Messung durchzuführen und auszuwerten?) unterrichtet werden, ist ein nachhaltiges Verständnis der gelehrten Prinzipien für alle involvierten Studien äußerst wichtig. Im Wesentlichen bieten wir drei Maßnahmen an, um aktives Mitlernen der Studierenden bereits während des Unterrichts und in der Nachbereitung zu unterstützen:

(I) Aktives (Mit-)Lernen wird durch die Wiederholung des wichtigsten Stoffes aus der vorhergehenden Stunde zu Beginn einer neuen Lehreinheit gefördert.

(II) Des Weiteren wird aktives Mitlernen durch Anwendung eines interaktiven Fragesystems nach dem Schema "Publikumsjoker" der bekannten Millionenshow gefördert. Studierende können dabei in Echtzeit überprüfen, ob die zentralen Aussagen des vermittelten Stoffes beherrscht werden und in praktische Anwendung umgesetzt werden können.

(III) Schließlich soll durch das Bereitstellen von stoffrelevanten Übungsfragen eine Möglichkeit zur Selbstkontrolle über den zu beherrschenden Stoff angeboten werden.

Nähere Beschreibung des Projekts

(I) Aktives Lernen wird durch die Wiederholung des wichtigsten Stoffes aus der vorhergehenden Vorlesung zu Beginn einer neuen Lehreinheit gefördert. Dabei werden die zentralen Aussagen des Vorlesungsstoffes nochmals kurz wiedergegeben und das Verständnis dessen durch Abfrage mittels Pingo (siehe (II)) nachgefragt. Der Schwerpunkt der Wiederholungen liegt auf Fragestellungen und Zusammenhänge, die besonders für die erfolgreiche Bearbeitung der Abschlussklausur sowie für die Arbeiten in den praktischen Übungen Allgemeine Chemie von Bedeutung sind.

(II) Des Weiteren wird aktives Mitlernen durch Anwendung eines interaktiven Fragesystems nach dem Schema "Publikumsjoker" der bekannten Millionenshow gefördert: dazu wird das Web-basierte Fragesystem Pingo der Universität Paderborn (www.pingo.upb.de) eingesetzt. Die Studierenden können sich mit einem mobilen Endgerät mit Internet Zugang (Mobiltelefon, Tablet, Laptop) an Umfragen zum aktuellen Stoff der Vorlesung beteiligen. Auf diese Weise gibt es pro Vorlesung 2-4 Befragungen (insgesamt ca. 40 Befragungen) mit einer aktiven Beteiligung von 30-220 Studierenden (die Studierenden, die die Fragen bearbeiteten, aber mangels Mobiltelefon usw. nicht an der Befragung teilnahmen nicht mitgezählt). Die angebotenen Antwortmöglichkeiten werden dabei nach Möglichkeit so gewählt, dass häufig gemachte Fehler (z. B. falsche Vorzeichen bei der Berechnung von thermodynamischen Größen, falsche Umrechnung von Einheiten für Gasberechnungen, falsche Verwendung von Formeln für pH Wert Berechnungen) integriert, und die Studierenden auf diese Fehlermöglichkeiten explizit hingewiesen werden. Nach 3-5 min Bearbeitungszeit werden die (richtigen bzw. falschen) Antworten angezeigt und im Anschluss mit den Studierenden interaktiv besprochen.

- Interaktiv besprechen heißt, dass im Falle von >80% richtigen Antworten davon ausgegangen werden kann, dass der vermittelte Stoff im Großen und Ganzen verstanden wurde. Wir als Dozenten berichten dann kurz, warum die anderen Antworten nicht korrekt sind.

- Bei 50-80% richtigen Antworten erfolgt die Aufarbeitung in einem so genannten Peer-Discussion Prozess, in dem Studierende gemeinsam den Weg zur richtigen Lösung diskutieren.

- Bei weniger als 50% richtiger antworten wurde der Stoff vom Dozenten nicht ausreichend erklärt und wird daher nochmals besprochen.

Für uns als Dozenten bedeutet dies, dass während der Vorlesung regelmäßig eine sehr signifikante Zahl (> 50%) an Studierenden dem Vortrag aktiv folgt. Da die Pingo-Befragungen analog zu den bei der Klausur zu erwartenden Multiple-Choice Fragen strukturiert sind, können sich die Studierenden auf die bei der Klausur Art der Fragen bereits vorab einstellen.

Literatur:

Reinhardt, W., Sievers, M., Magenheim, J., Kundisch, D., Herrmann, P., Beutner, M., Zoyke, A. 2012. PINGO: Peer Instruction for Very Large Groups, in: Proceedings of the Seventh European Conference on Technology Enhanced Learning (EC-TEL), Saarbrücken, Germany.

(III) Als dritte Maßnahme stellen wir den Studierenden nach Lehrkapiteln sortierte Übungsfragen (mehr als 150 Fragen) zur Verfügung, die sich aus den Klausurfragen der vergangenen Jahre (2008-2015) zusammensetzen. Auf diese Weise können die Studierenden ihr aktuelles Wissen parallel zu den durchgenommenen Kapiteln überprüfen. Ein guter Teil der Übungsaufgaben wird in einer eigenen Lehrveranstaltung mit Übungscharakter nach Abschluss der Vorlesung in einer eigenen Übungslehrveranstaltung (Chemisches und physikalisches Rechnen für Biologie) bearbeitet. Dort haben die Studierenden auch die Gelegenheit, Fragen zu jeder einzelnen Übungsaufgabe zu stellen bzw. sich diese vom Lehrveranstaltungsleiter erklären zu lassen.

Als Präsentationstechnik wird hauptsächlich mit Powerpoint agiert, wobei höchster Wert auf die inhaltlich klare und ästhetische Gestaltung der Folien gelegt wurde. Theoretische Konzepte sind fast ausschließlich mit veranschaulichenden Graphiken hinterlegt, und häufig aufwändig animiert. Komplexe Sachverhalte werden mit den Studierenden gemeinsam mit Smartboard oder - klassisch - an der Tafel entwickelt und sind dann zusammenfassend in der Präsentation abgebildet.

Der zu erlernende Stoff der Vorlesung wird über die Bereitstellung der Vorlesungsfolien und in den Begleitunterlagen transparent dargestellt. Die Vorlesung ist parallel zu einem didaktisch sehr wertvollen Chemie Lehrbuch strukturiert (Chemie, einfach alles von P. W. Atkins, mit identischen Kapitelüberschriften und Nummern), so dass die Studierenden jederzeit den Stoff in einem guten Lehrbuch nacharbeiten können. Andererseits sind auch die Folien bewusst mit etwas mehr Text so aufgebaut, dass sie ausreichend Informationsgehalt haben, um den Inhalt nachvollziehen zu können. Alle Folien stehen über PLUSOnline kostenlos oder als Skript über Facultas den Studierenden zur Verfügung. Durch die drei oben dargestellten Maßnahmen erhalten die Studierenden auf jeder Stufe des Befassens mit dem Lernstoff unmittelbare Rückmeldung über deren Lernfortschritt. Rückmeldung über die Übungsfragen können die Studierenden auch über die Lehrveranstaltung Chemisches und physikalisches Rechnen für Biologie erhalten.