Die Bedeutung des Denkens in Modellen bei der Entwicklung von … · 2009-10-27 · 1.3 Kontextprobleme Es fällt schwer, auf Grund der Berichte über Erprobungen der Unterrichtskonzeptionen

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1. Probleme beim Lehren und Lernen der Teilchenstruktur

1.1 Lernprobleme der Schüler

Untersuchungen haben immer wieder bestä-tigt, dass Schüler erhebliche Schwierigkeiten mit dem Aufbau eines angemessenen Ver-ständnisses der Teilchenstruktur der Materie haben (Novick & Nussbaum, 1981; Brook et

SILKE MIKELSKIS-SEIFERT, HELMUT FISCHLER

Die Bedeutung des Denkens in Modellen bei der Entwicklung von Teilchenvorstellungen – Stand der Forschung und Entwurf einer Unterrichtskonzeption

al., 1984, Andersson, 1990; Duit, 1992; Lee et al., 1 993). Bis zum Ende der Sekundarstufe I herrschen Fehlvorstellungen vor, die früh-zeitig entwickelt und oftmals im Unter richt durch problematische Unterrichtssequenzen oder missverständliche Abbildungen in Schul-büchern und anderen Medien noch verfestigt werden. Die wichtigsten Merkmale dieser Fehl-vorstellungen lassen sich in wenigen Punkten zusammenfassen:

Zusammenfassung:Die Fähigkeit des Denkens in und mit Modellen und das damit verbundene Verständnis für den Modellcharakter der naturwissenschaftlichen Theorien wird als grundlegend für ein adäquates Ver stehen von Physik angesehen. Seit vielen Jahren hat jedoch die empirische Lehr-Lernforschung gerade im Bereich des Modelldenkens bei deutschen Schülern erhebliche Defi zite konstatiert.Die Ergebnisse eigener Untersuchungen weisen darauf hin, dass durch die Förderung eines Modellbewusstseins zu einem angemessenen Verständnis für die Teilchenstruktur der Materie bei getragen werden kann. Dazu sind im Unterricht gründliche Diskussionen über die Erkennbarkeit und Realität der submikroskopischen Welt und über deren Modellierung in Form von Teilchen modellen notwendig. Dementsprechend wurde ein Unterrichtskonzept erarbeitet, das die Modell haftigkeit des zu untersuchen-den Mikrokosmos durch eine bewusste und stringente Unterscheidung zwischen einer erfahrbaren und einer modellierten Welt thematisiert. Ein Ebenensystem multipler Repräsentationen soll dabei die explizite Auseinandersetzung mit der Erfahrungswelt und der Modellwelt gewährleisten, um das intendierte Denken in Modellen zu erreichen sowie ein metakonzeptuelles Bewusstsein bezüglich beider Welten aufzubauen.

SummaryThe thinking in and with models is considered as an essential component of an appropriate knowledge about natural science. It is hypothesized accordingly, that a proper comprehension of physics is not possible without a deeper understanding of theories as models of science. However, empirical research in education has identifi ed that thinking in models is not suffi ciently developed by students even after many years of teaching.The results of our own empirical research indicate that an appropriate understanding of the micro-world can be realized by improving the awareness of models and modelling. In order to achieve this, however, a discussion regarding epistemology, models, and reality is needed. We have developed a conception, which focuses on developing an awareness for the parallel existence of the world of experiences and the world of models.A “level system” of multiple representations entities is meant to ensure an explicit dealing with the world of experiences and the world of models during the entire teaching process in order to achieve the intended thinking in models as well as create a metaconceptual awareness with regard to both worlds. That is, the students should be assisted in developing metaconcepts with regard to concep tions of particles.

Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften; Jg. 9, 2003, S. 75-88

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Mikelskis-Seifert, Fischler: Die Bedeutung des Denkens in Modellen

– Ein zentraler Gedanke, der viele andere As-pekte der Schülervorstellungen über Teil-chen beeinfl usst, ist die von Schülern vor-genommene Übertragung makroskopischer Eigen schaften von Körpern der alltäglichen Umwelt auf die Mikrowelt: Atome und Mo-leküle haben eine Farbe, sie besitzen eine bestimmte Temperatur und dehnen sich bei Erwärmung aus.

– Die Orientierung an der erfahrbaren Um-welt hat zur Folge, dass die Schüler den Raum zwischen den Teilchen als mit Luft ausgefüllt denken. Dass als Konsequenz des Teilchen modells materiefreie Raumtei-le angenommen werden müssen, ist dann schwer verständlich.

– Ebenfalls der täglichen Erfahrung entnom-men ist der Gedanke, dass die Bewegung der Teil chen, für die es einige Hinweise gibt (z.B. brownsche Molekularbewegung), nach einer gewissen Zeit zur Ruhe kommen muss, denn Reibungsverluste lassen sich grundsätzlich nicht vermeiden.

– Schüler greifen nicht auf das Teilchenmodell der Materie zurück, wenn sie physikalische Vorgänge beschreiben und interpretieren sollen. Hingegen ist die Kontinuumvorstel-lung bei ihnen fest verwurzelt (vgl. Selley 2000).

Die Aufzählung ist keineswegs erschöp-fend. Griffi th & Preston (1992) haben mit 52 „misconcep tions“, die sich auf die Eigenschaf-ten von Atomen und Molekülen beziehen, den Aspektreichtum in den Fehlvorstellungen der Schüler verdeutlicht. Die meisten dieser Schü-lerideen können allerdings auf das Grundpro-blem der Übertragung makroskopischer Ei-genschaften auf Mikroobjekte zurück geführt werden.Die aufgelisteten Merkmale der Schülervor-stellungen werden im Unterricht oft unter-stützt, gelegentlich sogar verstärkt, indem auf das sonst so hilfreiche didaktische Prinzip der Veranschau lichung zurückgegriffen wird. Far-bige dreidimensionale Abbildungen vermitteln zwar ein sehr konkretes Bild davon, wie die Mikrowelt aussehen könnte, transportieren je-doch unvermeidlich Bilder aus der Erfahrungs-welt in den Bereich mentaler Modelle. Ein be-

sonders drastisches Beispiel für diesen Vorgang ist das Planetenmodell des Atoms, das von Schülern der unteren Sekundarstufe weltweit als das am besten passende Modell angege-ben wird (Harrison & Treagust, 1996; Fischler & Peuckert, 1999). Auch in Grund- und Leistungs-kursen der Oberstufe ist es selbst nach einem Kurs „Quantenphysik“ jenes von der Mehrheit der Schüler angegebene Bild, wenn sie nach der besten Veranschaulichung für die atomare Struktur gefragt werden (Fischler, 1999).

1.2 Unterrichtsvorschläge

Die offensichtlichen Lernprobleme der Schüler waren wiederholt Anlass für die Entwicklung von Unterrichtsvorschlägen. Nur wenige die-ser Konzeptionen wurden evaluiert oder gar einer umfas senden empirischen Untersuchung im Unterricht unterzogen. Aber nur solche Be-lege können die Diskussion um angemessene Instruktionsmodelle voranbringen. Die folgen-de Darstellung einiger Ergebnisse beschränkt sich daher auf die wichtigsten empirisch kon-trollierten Beispiele.Beispielgebend für die Fragestellungen, die verwendeten Untersuchungsmethoden und den didak tischen Rahmen ist immer noch das Children Learning in Science Project (CLIS, 1987; Scott, 1992) einer Forschergruppe in Leeds. Das Unterrichtskonzept über „particles“ folgt der generellen didak tischen Position, den Schülern möglichst viele Gelegenheiten zur Äußerung ihrer eigenen Vorstel lungen zu ge-ben. In der Unterrichtssequenz über „particles“ bedeutet dies, dass die Schüler zunächst Eigen-schaften verschiedener Materialien zusammen-tragen, charakteristische Merkmale von festen, fl üssigen und gasförmigen Stoffen identifi zie-ren und versuchen, erste Ideen über Natur und Struktur von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen zu entwickeln. Vom Lehrer geleitet, er-fahren die Lernenden „kognitive Konfl ikte“, in-dem ihnen Phänomene gezeigt werden, die sie mit ihren Vorstellungen nicht erklären können. Wenn notwendig, erhalten sie Hilfen vom Leh-rer, der ihnen mit dem Teilchenmodell den Weg zu befriedigenden Beschreibungen weist.Die Ergebnisse lassen einen breiten Interpre-

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tationsspielraum zu. Das zeigt, dass eindeutige Unter richtserfolge nicht erzielt werden. „Pas-sing from one model to another: Which stra-tegy?“, diese Frage im Titel eines Vorschlages von Séré (1990) lässt sich immer noch nicht for-schungsbasiert beantworten. Séré wählt einen ähnlichen Weg wie bei CLIS: Die Schüler beob-achten die Wirkung des Luftdrucks am Beispiel eines Saugkissens, können das Phänomen mit dem vorhandenen Wissen jedoch nicht erklä-ren. In dieser Ratlosigkeit bietet der Lehrer den Schülern das Teilchen modell in einer Form an, mit der nun angemessene Interpretationen möglich sind. Séré berichtet von Lernerfolgen, ohne sie allerdings genauer zu spezifi zieren.Für Vollebregt (1997, 1998) ist die Unterrichts-phase, in der Schüler die ihnen präsentierten Phä nomene mit vorhandenen Vorstellungen oder erst zu entwickelnden Ideen erklären sol-len, ein über fl üssiger Umweg. Aus ihrer Sicht überfordere ein solcher Gang in der Regel die Schüler. Er ent hielte den Lernenden auch vor, verstehen zu können, warum das Teilchenmo-dell die Eigenschaften besitzt, die vom Lehrer bei der Darstellung des Modells genannt wer-den. Vollebregt führt früh zeitig ein einfaches Teilchenmodell an, dessen Verfeinerung im Mittelpunkt des Unterrichts steht. Dieser Er-weiterungsprozess umfasst Phasen, in denen die Schüler bei der Präsentation von Phäno-menen Ideen z.B. über mögliche Zusammen-hänge zwischen der Temperatur eines Gases und Eigenschaften der als Kügelchen model-lierten Atome oder Moleküle entwickeln sol-len. Vollebregt betrachtet als besonderen Er-folg dieser Konzeption, dass die Schüler ein gutes Verständnis von Art und Funktion eines Modells (nature of the model) erwerben, auch sei am Ende der Unterrichts einheit die Übertra-gung makroskopischer Eigenschaften auf die Mikroobjekte weitaus geringer ausgeprägt als das offensichtlich mit den anderen Konzeptio-nen erreicht wurde (Vollebregt, 1998, S. 152).

1.3 Kontextprobleme

Es fällt schwer, auf Grund der Berichte über Erprobungen der Unterrichtskonzeptionen zu beur teilen, welche Gründe für die nicht be-

friedigenden Lernergebnisse maßgeblich sind. Zwei Problembereiche in den Lernergebnissen der Schüler wurden immer wieder genannt:Die Schüler greifen nicht von selbst zum Teil-chenmodell, wenn sie aufgefordert werden, Phäno mene wie den Gasdruck oder das Auf-lösen eines Stoffes in Wasser zu erklären, son-dern entwickeln Ideen, die ihren Vorstellungen eher entsprechen und keineswegs von vorn-herein als abseitig bezeichnet werden können. „Many of the non-molecular responses were ingenious and rational, and not necessarily inferior to the molecular ones“, resümiert Selley (2000, S. 398) im Falle der Schüleräußerungen zum Aufl ösen eines Stoffes. Lehrer und For-scher müssen sich daher fragen, ob die Schlüs-sigkeit ihrer Argumentation im Einzelfall nur vor dem Hintergrund ihres gesamten Wissens über die Erklärungskraft des Teilchenmodells nachvollziehbar ist.Ein anderes Lernproblem berührt ontologische und epistemologische Aspekte. Die Neigung der Schüler, den Mikroobjekten makroskopi-sche Eigenschaften zuzuordnen, wird nicht nur durch ver anschaulichende Abbildungen unterstützt, sondern auch durch Formulierun-gen, die den epistemo logischen Status eines Modells nicht deutlich genug berücksichtigen. Mit dem folgenden Text wird den Schülern ein Verständnis von Modellen angeboten, das Modelle eher als beweisbare Tatsachen denn als hypothetische Konstrukte betrachtet: „Any quantity of air is composed of small (invari-ant) particles which are spherical ..... . These small spheres are always in movement“ (Séré, 1990, S. 65). Bei Vollebregt (1998) liest sich die entsprechende Information an den Lehrer, mit der er das Modell den Schülern präsentieren soll, wesentlich anders: „The teacher suggests that in specifi c situations, namely those of pressure phenomena, the behaviour of gases seems to be similar to the behaviour of a collection of ‚little balls‘ that move and collide, and that, therefore, gases are perhaps ‚something like‘ such a collection“ (S. 55).Untersuchungen von Peuckert (Fischler & Peu-ckert, 1999) zeigen, dass am Ende der Sekun-darstufe I etwa 70% der befragten Schüler eine epistemologische Position einnehmen, in der

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Modelle eher beweisbare Tatsachen darstellen als hypothetische Konstrukte. Diese Ergebnis-se, die kürzlich in einer größeren Studie mit 228 Schülern von Treagust et al. (2002) bestä-tigt wurden, relativieren etwas die bei Gross-light et al. (1991) noch erkennbare Hoffnung, dass die von ihnen diagnostizierte Position der Schüler der Beginn einer Entwicklung ist, die wegführt von einer naiv-realistischen Haltung und allmählich den Konstruktcharakter von Modellen stärker in Erwägung zieht. Eine be-sonders enge Verknüpfung zwischen der on-tologischen Position bezüglich der Atome und der Zuschreibung makroskopischer Eigen-schaften fand Peuckert: „Von fast allen Schü-lern wird die Existenz submikroskopischer Objekte von einem naiv-realistischen Stand-punkt aus beurteilt“ (Fischler & Peuckert, 1999, S. 18). Atome seien real existierend, und ihre Sichtbarkeit sei nur eine Frage der technischen Entwicklung entsprechender Mikroskope.Es ist offensichtlich, dass Unterrichtskonzep-tionen, die ein angemessenes Verständnis des Teil chenmodells erreichen wollen, den onto-logischen und epistemologischen Hintergrund stärker beleuchten müssen. Das gilt nicht nur für den Physikunterricht, sondern in gleichem Maße für den Chemieunterricht. Empirische Untersuchungen und entsprechende Unter-richtsvorschläge in diesem Inhaltsbereich zei-gen eine große Übereinstimmung mit den eher aus der Perspektive des Physik unterrichts ge-fundenen Daten und erarbeiteten Materialien (Johnson, 1998; Harrison & Treagust, 1996).Konzeptionelle Konsequenzen: Um den beschriebenen Lernproblemen beim Aufbau eines angemessenen Verständnisses für die Teilchenstruktur der Materie entgegen-wirken zu können, erscheint ein Unterricht über Modelle, der sich ausführlich mit dem Modellcharakter bei der Analyse submikros-kopischer Phänomene auseinandersetzt, eine notwendige Voraussetzung zu sein. Es ist daher erforderlich, dass explizite meta-konzeptuelle Betrachtungen auf der Grundla-ge erkenntnistheoretischer Refl exionen beim Lehren und Lernen der Teilchenstruktur als durch gängiges didaktisches Konzept realisiert werden.

2. Ausgewählte Aspekte der konzeptuel-len Fundierung des Ansatzes

2.1 Erkenntnistheoretische Gründe für ei-nen Unterricht über Modelle

Mit dem Erfolg quantentheoretischer Beschrei-bungen von Materie und Strahlung unterliegt der Realitätsbegriff einem weiteren Bedeu-tungswandel. So stehen z.B. in der modernen Physik nun mehr die „nicht einfach empirisch gegebenen“ Entitäten (vgl. Falkenburg, 1995), die auch den Bezugsbereich der heutigen The-orien bilden, im Mittelpunkt der Betrachtun-gen. Das bedeutet, dass die moderne Physik durch ein komplexes Wechselspiel von Ex-perimentiertätigkeit und Theorie bildung ge-kennzeichnet ist. Je nach Theorie werden Phä-nomene unter Laborbedingungen erzeugt, so dass sie in ihrer Mehrheit den modernen Appa-raturen der Physiker entstammen.Eine derartige Verschiebung des Bezugsbe-reichs hatte eine Erweiterung der empirischen Realität um die „nicht einfach empirisch gege-benen“ Entitäten zur Folge: „Realität ist hier nicht einfach mehr das direkt durch die Sinne Erfassbare, evident Gegebene, so wie ein Re-genbogen, der bei bestimmten geophysika-lischen Bedingungen einfach da ist. Realität muss, wie bei der heutigen Elementarteilchen-physik am deutlichsten sichtbar, erst durch komplizierte ‚theoriegeleitete’ Appa raturen dazu gebracht werden, sich zu zeigen. Im Falle vieler Elementarteilchen kann man sagen, dass Realität durch die Apparaturen erst geschaffen wurde“ (Kircher, 1995, S. 43). Analog zum Realitätsbegriff lässt sich beim Übergang von der klassischen zur modernen Physik auch ein Bedeutungswandel des Ter-minus „Teilchen“ feststellen. Aufgrund der Ergebnisse der Quantenphysik wird die klas-sische Physik für den atomaren und subato-maren Bereich aufgegeben und der Teilchen-begriff von der klassischen Punktmechanik entkoppelt. Es wird jedoch die infor melle Teil-chensprechweise beibehalten, so dass noch heute Physiker die Referenzobjekte der Atom-, Kern- und Teilchenphysik als „Teilchen“ be-zeichnen. Demzufolge verwenden Wissen-

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schaftler den Teilchenbegriff sehr vielfältig. So wird z.B. für Photonen, Elektronen, Feld-quanten oder auch Energiequanten die gleiche Sprechweise benutzt. Diese Vieldeutigkeit des Ausdrucks ist für Physiker („Experten“) alltäg-lich und auch unumgänglich. Sie kennen den theoretischen Kon text, in dem sie den jeweili-gen Teilchenbegriff verwenden. Davon ist zu mindestens auszugehen. Lernende („Novizen“), hier Schüler, sind je-doch in einer anderen Situation. Ihnen sind die unter schiedlichen Bedeutungen des Wor-tes „Teilchen“ in der Physik unbekannt. Auch kennen sie nicht den theoretischen Kontext, in dem Physiker den vieldeutigen Teilchenbegriff verwenden. Daher ist es nicht verwunderlich, wenn die „naive“ Weise, in der die Wissen-schaftler bei alltagssprachlichen Vermittlungen ihre Theorien häufi g darstellen, zur Bildung von Fehlvorstellungen bei den Schülern bei-trägt. Denn es ist hier zu berücksichtigen, dass sich der von den Lernenden verwendete Reali-tätsbegriff an einer naiv-realistischen Sichtwei-se orientiert und somit an die direkte Wahrneh-mung gekoppelt ist. Ferner besitzen und verwenden Schüler auch unterschiedliche Bedeutungen des Teilchen-begriffs. Dementsprechend ist es kaum zu ver-meiden, dass immer wieder didaktische Pro-bleme bei der Modellierung der Mikrowelt im naturwissenschaftlichen Unterricht auftreten. Um diesen Proble men entgegenzuwirken und ein angemessenes Modelldenken der Schüler zu induzieren, bedarf es der bereits erwähn-ten metakonzeptuellen Betrachtungen auf der Grundlage erkenntnistheoretischer Refl e-xionen (wie z.B. über die Begriffe „Teilchen“ und „Realität“). Es wurde daher eine Lernum-gebung entwickelt, die es den Schülern er-möglicht, sich mit der Erkennbarkeit und der Realität der Mikrowelt sowie mit deren Model-lierung in Form der Teilchenmodelle auseinan-der zu setzen.

2.2 Realistische Positionen in einem Un-terricht über die Teilchenstruktur der Materie

Vor der Initiierung erkenntnistheoretischer Re-

fl exionen im Unterricht bedarf es der Klärung, welche Positionen sich dem Lehrenden anbie-ten und welche Sichtweise den Schülern vorge-schlagen werden sollte. Deshalb ist ein Bezug auf die in der Literatur dargestellten erkenntnis-theoretischen Strömungen notwendig, wobei auf die Einzelheiten hier nicht eingegangen werden kann. Es soll nur kurz begründet wer-den, warum der Unterricht über die Teilchen-struktur auf einer realistischen Auffassung ge-gründet wurde (siehe Mikelskis-Seifert, 2002, S. 51). Sowohl die pragmatischen, idealistischen als auch konstruktivistischen Positionen vertreten eine Auffassung, die die reale Welt für letztlich unerkennbar hält. Schüler sind jedoch in der Regel an einem eindeutigen, erkenntnisopti-mistischen Begreifen der realen Welt interes-siert. Einem derartigen Erkenntnisoptimismus (vgl. Meyling, 1990) kann mit einer eher agnos-tizistischen Auf fassung nicht entsprochen wer-den. Wenn die Welt für unerkennbar gehalten wird, ist es für den Lernenden unverständlich, warum er sich mit der Physik beschäftigen soll-te (vgl. Kircher, 1995).Diese Argumente sprechen dafür, den Unter-richt über Teilchenmodelle an einer hypo-thetisch-realistischen Position zu orientieren. Untersuchungen zeigen, dass naiv-realistische Positionen oft zu Fehlvorstellungen über die Mikrowelt führen (Peuckert, 1998; Seifert et al., 1999). Um einer solchen für das Lernen über die Teilchenstruktur unangemessenen Sichtweise entgegenzuwirken, bedarf es der Thematisierung und expliziten Auseinander-setzung mit dieser Position im Unterricht. Ein wesentliches Ziel hierbei ist es, die wissen-schaftstheoretische Einsicht bei den Lernenden zu entwickeln, dass eine hypothetisch-realisti-sche Auffassung etwa im Sinne Vollmers (Voll-mer, 1998) am ehesten der Einsicht entspricht, dass sicheres Wissen sowie absolute Wahrhei-ten nicht erreichbar sind.

2.3 Schlussfolgerungen für eine neue Unterrichtskonzeption

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass in einem Unterricht über Modelle inadä-

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quate erkenntnistheoretische Sichtweisen von Lehrenden und Lernenden in Frage gestellt und vor allem naiv-realistische Vorstellungen der Schüler abgelöst werden sollten.Dabei wird eine „Herangehensweise im Un-terrichtsprozess notwendig, die das Hypothe-tische betont und dem Zweifeln eine Chance für das Modelllernen bietet. Gerade eine Ver-unsicherung hinsichtlich des naiven Existenz–anspruchs der submikroskopischen Entitäten kann einen ‚Pendel ausschlag’ gegen die Rich-tung naiv-realistischer Sichtweisen bewirken“ (Mikelskis-Seifert, 2002, S. 65).Mit einer derartigen Betonung des Hypo-thetischen beim Umgang mit Modellen im naturwissen schaftlichen Unterricht (Peuckert, 1998) ist die Zielsetzung verbunden, Modelle als Gedanken konstrukte einzuführen, die sich weder aus der Beobachtung gewinnen noch an ihr verifi zieren lassen. Auch die Themati-sierung des Bedeutungswandels der Begriffe „Teilchen“ und „Realität“ im Unterrichtspro-zess hängt eng mit einer solchen Zielsetzung zusammen.Möglichkeiten, um die Schüler beim Ver-stehen der prinzipiellen Andersartigkeit der submikrosko pischen Welt zu unterstützen, sind gegeben, indem:– ein Bewusstsein für das Postulieren unbe-

kannter Strukturen entwickelt wird,– kühne Hypothesen formuliert werden so-

wie– diese Hypothesen einer strengen Kritik auf

logischer, sprachlicher und experimenteller Grundlage unterworfen werden.

Für den Unterricht über Teilchenmodelle be-deutet es, bestimmte Tätigkeiten besonders zu betonen. So scheint es notwendig zu sein, mit den Schülern ausführlich über den Charakter der Modelle sowie über den wissenschaftli-chen Modellierungsprozess zu diskutieren. Es soll dabei das bewusste Konstruieren der Teilchenmodelle für die Beschreibung und Erklärung submikrosko pischer Phänomene verdeutlicht werden. Hierbei spielt die Suche nach alternativen Modellierungen eine wich-tige Rolle. Denn damit wird angestrebt, den Schülern ein Gefühl dafür zu geben, was ein entsprechendes Modell aussagt bzw. nicht

aussagt. Gleichzeitig können die Lernenden erfahren, wo ein empirischer Test für eine je-weilige Modellannahme möglich bzw. sinnvoll ist, was nach Vollmer (1990) zur Erhöhung ei-nes kritischen Potenzials beiträgt. Auch sind im Unterrichtsprozess die aufgestellten Modell-annahmen über das Teilchenverhalten auf die Tragfähigkeit zu prüfen. Gegebenenfalls heißt es, ungeeignete Modellannahmen zu verwer-fen bzw. sich der jeweiligen Modellgrenzen bewusst zu werden. Bei der Untersuchung der Mikrowelt soll als zentrale Leitidee, die den gesamten Unter-richtsverlauf durchzieht, eine systematische Trennung zwischen realen (in der Erlebniswelt betrachteten) und modellierten (in der Modell-welt angenommenen) Vorgängen erfolgen. Der Begriff der Erlebnis welt, in den weiteren Betrachtungen als „Erfahrungswelt“ bezeich-net, orientiert sich an dem von Vollmer (1998) geprägten Terminus „Mesokosmos“. Das heißt, dass die Erfahrungswelt für die Schüler direkt zugänglich ist. Sie verschließt sich nicht der Wahrnehmung. Die rekonstruierte Welt, in der Konzeption „Modellwelt“ genannt, ist dann die Welt der physikalischen Theorien bzw. der physikalischen Weltbilder (die Welt der Deu-tungen der Phänomene, vgl. Mikelskis-Seifert, 2002, S. 81). Auf der Grundlage der erkennt-nistheoretischen Einsicht über den prinzipiell hypothetischen Charakter von Erkenntnis und darüber, dass die Physik nur einen bestimmten Aspekt der Realität charakterisieren kann, wird beim Unterrichten der Teilchenstruktur allge-mein nur von Modellen gesprochen.

3. Ein Unterricht über Modelle

3.1 Einführung

Ein adäquates Verstehen der Teilchenstruktur ist ein bedeutendes, wenn auch schwierig zu errei chendes Bildungsziel. Dementsprechend sollte ein wesentliches Ziel des Unterrichts über Teil chenmodelle sein, dass die Schüler ei-nen Einblick in Aufbau und Struktur des Mikro-kosmos sowie in dessen Modellierung erhal-ten. Dahinter verbirgt sich, dass im Unterricht ein angemessenes und umfassendes Verständ-

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nis für die sehr spezifi sche Natur der submik-roskopischen Welt zu ent wickeln ist. Aber ge-rade diese prinzipielle Andersartigkeit und die damit einher gehenden quantentheoretischen Beschreibungen können in der Sekundarstufe I nicht ohne weiteres themati siert werden. Dementsprechend ist aus unserer Sicht wichtig, die Schüler auf die Reise aus der Alltagswelt in die Mikro- und Nanowelt – „aus der wir als Makrowesen hervorgehen“ (Euler 2001, S. 22) – „mitzu nehmen“ und ihnen die Unterschie-de beider Welten zu verdeutlichen. Da „im Kleinen“ einiges nicht so funktioniert wie im „Großen“ und die Mikrowelt kein verkleinertes Abbild unserer Erfah rungswelt ist, bedeutet es, den Lernenden die Werkzeuge – die wissen-schaftlichen Methoden – näher zu bringen, da-mit eine derartige Reise erfolgreich wird.Als Konsequenz für den Unterricht über die Teilchenmodelle ergibt sich, dass zum einen die expe rimentellen Primärerfahrungen im Mittelpunkt stehen. Diese fi nden ihre Ergän-zungen in der mehr dimensionalen Modellie-rung auf der Grundlage eines Ebenensystems multipler Modellentitäten. Zum anderen entwi-ckeln die Schüler selbstständig Ideen zu phy-sikalischen Sachverhalten (Mikelskis-Seifert, 2002). Das heißt, sie sollen Vorhersagen über ein entsprechendes Teilchen verhalten treffen, Vorgänge beschreiben und deuten sowie die gewonnenen Ergebnisse unter dem Gesichts-punkt dieser Vorhersagen interpretieren.Um jedoch ein adäquates Verständnis für die Mikrowelt aufzubauen, sind neben einem kontext gebundenen Wissen vor allem Meta-konzepte zur Teilchenvorstellung notwendig. Deshalb bedarf es gerade in einem Unterricht über Teilchenmodelle einer konsequenten An-regung und Unterstützung der Lernenden hin-sichtlich der Entwicklung metakonzeptueller Denkweisen.

3.2 Die Grundidee eines Unterrichts über Teilchenmodelle

Die Grundidee der Konzeption liegt in der För-derung eines Denkens in und mit Modellen, indem ausführliche metakonzeptuelle Refl e-xionen über die Kennzeichen von Erfahrungs-

und Modellwelt betont werden (siehe Seifert & Fischler, 2000). Unter einer metakonzeptuellen Refl exion wird dabei die aktive Auseinander-setzung mit den doch sehr unterschiedlichen Welten (Erfahrungs- und Modellwelt) verstan-den (siehe Abbildung 1). Das heißt, die Ler-nenden sollen den Übergang von der makro-skopischen zur submikroskopischen Welt er-fahren und dabei sowohl das Charak teristische als auch die Unterschiede der beiden Welten erkennen. Damit soll das metakonzep tuelles Bewusstsein aufgebaut und gefördert werden.

Abbildung 1: Ein metakonzeptuelles Bewusstsein für Erfahrungs- und Modellwelt

Ein solches metakonzeptuelles Bewusstsein ist vorhanden, wenn:1) Wissen über physikalische Konzepte (hier

über Teilchenvorstellungen) sowie über deren Charakter, aber auch Wissen über Alltagskonzepte zu beobachten ist und

2) eine Nutzung bzw. Regulierung eines der-artigen Wissens erfolgen kann, um z.B. bestehende Verbindungen aufzeigen oder Transferleistungen erbringen zu können.

Die Realisierung dieser Zielsetzung wird durch einen bewussten Wechsel der Welten und ihren Repräsentationsebenen angestrebt. Dazu wer-den im Unterrichtsprozess explizit und konti-nuierlich Erfahrungs- und Modellwelt mithilfe geeigneter Instrumente, wie dem entwickelten Ebenensystem, unterschieden. Ferner wird, wie bereits erörtert, das bewusste Konstruieren von Modellen im Unterricht und somit deren artifi zieller Charakter betont. Die mittelfristige Nutzung und kritische Bewertung alternativer Modellierungen gehört ebenfalls zu den hilf-reichen Tätigkeiten bei der Entwicklung ei-nes angemessenen Modellverständnisses und

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eines damit zusammenhängenden Verständ-nisses für naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen. Dass metakonzeptuelle Fähigkeiten bezüglich der Unterscheidung zwischen Erfahrungs- und Modellwelt beim Lernen der Teilchenstruktur von Bedeutung sind, haben die Ergebnisse der Untersuchungen von Peuckert (Fischler & Peu-ckert, 1999) gezeigt: Ein metakonzeptuelles Bewusstsein geht mit einem umfassenden und kohärenten Wissen einher. So erweist sich das Wissen der über metakonzeptuelle Fähigkei-ten verfügenden Schüler vor allem im mikro-skopischen Denken (wie z.B. einem angemes-senen Argumentieren mit Kräften oder Abstän-den zwischen den Teilchen) als relativ stabil. Sie haben auch im Bereich der Mikrowelt die meisten Fehlvorstel lungen überwunden (siehe Mikelskis-Seifert & Fischler, 2002).Dementsprechend steht die Entwicklung von Metakonzepten zur Teilchenvorstellung im Zentrum der hier vorgestellten Konzeption. Ein damit verbundenes weiteres wichtiges Ziel ist, den bekann ten Risiken der Veranschauli-chungen von submikroskopischen Objekten entgegenzuwirken, indem die Schüler in die Lage versetzt werden, über den jeweiligen Modellierungsprozess zu refl ektieren. Auch hierzu bietet sich der Einsatz des Ebenensys-tems an.

3.3 Ein System multipler Repräsentations–ebenen

Um die Entwicklung eines metakonzeptuellen Bewusstseins für die Existenz von Erfahrungs- und Modellwelt zu ermöglichen, bedarf es zu-erst einer Differenzierung beider Welten bei-spielsweise in Form von typischen Repräsenta-tionsebenen. Daher wurde ein Ebenensystem (siehe Abbildung 2) entwickelt, auf dessen Grundlage die Konstruktion eines Unterrichts über Modelle erfolgt.Das Ebenensystem beinhaltet die beiden Hauptbereiche „Erfahrungswelt“ und „Modell-welt“. Die Erfahrungswelt ist durch die Ebene der Alltagserfahrung, die Ebene der fi ktiven Experimente (u.a. Gedankenexperimente) sowie die Ebene der konkreten Experimente

(Lehrer- und Schülerversuche) gegeben. Die Modellwelt wird durch vier Modellrepräsen-tationen charakterisiert: die Ebene der ikoni-schen Modelle (bildhafte Modelldarstellun-gen), die Ebene der Modelldeskription (verba-le Modellaussagen), die Ebene der simulativen Modelle (Computersimulationen und -animati-onen bzw. Modellexperimente) und die Ebene der mathematischen Modelle (mathematische Zusam menhänge aller Art). Die alles umfas-sende Ebene ist die Ebene der metakonzeptu-ellen Aussagen. Die Anordnung der Ebenen in Abbildung 2 soll keine Hierarchie darstellen.Eine ähnliche Trennung zwischen der Erfah-rungs- und der Modellwelt ist bei Le Maréchal (1998) zu fi nden. Um Problemlöseprozesse bei der Untersuchung chemischer Phänomene analysieren zu können, bediente er sich eines Systems, welches zwischen der erlebbaren und der rekonstruierten Welt unterscheidet. In der erlebbaren Welt, bei Le Maréchal als „reale Welt“ bezeichnet, gibt es Gegenstände wie z.B. Tische oder Stühle. Hierbei handelt es sich um wahrnehmbare Objekte aus dem Alltagsbereich (Makroobjekte). Mithilfe von spezifi schen Eigenschaften (beispielsweise Farbe oder Form) können diese Makroobjek-te charakterisiert und identifi ziert werden. Die Objekte der realen Welt unter liegen ferner Er-eignissen (Veränderungen, in unserem Fall Vo-lumenausdehnungen durch Erwär men oder Aggregatzustandsänderungen durch das Ver-dunsten), die durch bestimmte Gesetzmäßig-keiten, bei Le Maréchal Regeln genannt, be-

Abbildung 2: Das System multipler Repräsen-tationsebenen

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schrieben werden. Als eine Rekonstruktion der realen Welt mit einer gleichen strukturellen Organisation (re-konstruierte Objekte, spezifi sche Eigenschaf-ten, rekonstruierte Ereignisse und Regeln) versteht Le Maréchal die gesamte molekulare Welt. Auch in der hier beschriebenen Unter-richtskonzeption über die Teilchenmodelle wird in analoger Weise wie bei Le Maréchal unter Modellwelt – die rekonstruierte Welt, die Welt der physikalischen Deutungen – der ge-samte submikroskopische Bereich verstanden.Hingegen unterscheiden sich die beiden Syste-me in der durch die einzelnen Ebenen gegebe-nen Struktur. Die in unserem Ansatz verwandte Ebenenstruktur ist zum einen als ein Ergebnis der Analyse vielfältiger Unterrichtsbeobach-tungen bzw. der Refl exion eigenständigen Un-terrichts anzusehen. Zum anderen wurden für die Differenzierung von Erfahrungs- und Mo-dellwelt erkennt nistheoretische Aspekte (siehe Abschnitt 2) und die in der Literatur angebote-nen Modellkategorien (siehe Mikelskis-Seifert, 2002; Kircher, 1995) einbezogen.Zusätzlich waren für die Differenzierung so-wohl die Ergebnisse aus mehreren Untersu-chungen zum Lernen mit multiplen Repräsen-tationen (Mayer & Sims, 1994; Schnotz, 1999; Sumfl eth & Telgenbüscher, 2000) als auch die Resultate aus Studien zu metakognitiven Fä-higkeiten (Schneider, 1985; Hasselborn, 1998) von Bedeutung.

3.4 Ein nach dem Ebenensystem konstru-ierter Unterricht

a) Struktur und Leitideen des Unterrichts. Mit der Zielsetzung, ein adäquates Verständnis für die Mikrowelt bei den Schülern durch einen Unterricht über Teilchenmodelle aufzubauen, bedarf es eines entsprechenden Lernangebots. Leitideen eines solchen Unterrichts sind eine mehr dimensionale Modellierung sowie Meta-diskussionen über die durchgeführten Unter-suchungen. Das heißt, beim Erlernen des Teilchenmo-dells wird ein ständiger refl ektierter Wechsel zwischen den beiden Welten und ihren Re-präsentationsebenen angestrebt mit der Hoff-

nung, zu einem Ver stehen der Andersartigkeit der submikroskopischen Objekte beitragen zu können. Hierbei bietet sich das Ebenensystem multipler Modellentitäten als Orientierungs-rahmen für die Planung und Konstruktion des Unterrichts an. Kennzeichen des auf dem Ebenensystem ba-sierenden Unterrichts ist das geführte, entde-ckende Lernen mit dem Ziel, den Schülern zu helfen, selbstständig die Ideen für die Model-lierung der Mikrowelt zu entwickeln. Dazu ar-beiten sie einerseits in kleinen Gruppen, tref-fen sich aber andererseits im Klassenplenum, um ihre Ideenansätze für die Erklärungen der untersuchten sub mikroskopischen Phänome-ne zu diskutieren. Demzufolge ergeben sich vier Phasen für den Unterricht über Teilchenmodelle (komplett darge stellt in Mikelskis-Seifert, 2002):• Einführung: In dieser Phase werden Schü-

lervorstellungen im submikroskopischen Bereich gesammelt, die beiden Betrach-tungsweisen (Erfahrungs- und Modellwelt) eingeführt und ein erstes Teilchenmodell aufgestellt. [1 Unterrichtsstunde]

• Erarbeitung: Eine erste Beschreibung und Erklärung eines submikroskopischen Phä-nomens auf der Basis des entwickelten Ebenensystems unter der Verwendung des Teilchenmodells erfolgt in der Erarbei-tungsphase. In unserem Fall wurde unter-sucht, wie sich das Volumen einer Flüssig-keit durch Wärmezufuhr verändert. [6 Un-terrichtsstunden]

• Anwendung: In der Anwendungsphase sol-len dann die Schüler das neu erlernte Wis-sen übertragen, indem sie ein neues Phäno-men – hier die Untersuchung des Verduns-tens - betrachten. [4 Unterrichtsstunden]

• Refl exion: Ein Nachdenken und Refl ektie-ren über die vorgenommenen Modellierun-gen der physikalischen Phänomene bildet den Abschluss des Unterrichts über Teil-chenmodelle. In dieser Phase werden die Schüler auch mit modernen Messappara-turen und Bildern, die die submikroskopi-schen Entitäten „sichtbar“ machen (wie z.B. die Rastertunnelmikroskopie), kon frontiert. [1 Unterrichtsstunde]

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Die Einführungs- und Erarbeitungsphase wer-den im Folgenden kurz beschrieben, um einen Ein blick in die Umsetzung der Leitideen der Konzeption in die Unterrichtspraxis zu geben.b) Einführung in die Mikrowelt. Mit dem Ziel, die Schüler für die Problematik von Erfahrungs- und Modellwelt zu sensibilisieren, wurde ein sogenannter Zauberkasten (ein geschwärzter Kasten) eingesetzt, der verschiedene Gegen-stände beinhaltete: einen Stein, eine Holzku-gel, eine Styropor platte, ein Reagenzglas mit Sand, ein Reagenzglas mit einer durchsichtigen Flüssigkeit und ein geschwärztes Reagenzglas mit unbekannter Füllung (siehe Abbildung 3). Die Schüler sollten sich in dieser Unterrichts-phase in Gruppen zusammen fi nden und die Gegenstände des Zauberkastens in die Hand nehmen und diese beschreiben.Ziel dieser Gruppenarbeit war es, dass die Lernenden die Grenzen der Wahrnehmung mit den Sinnesorganen erfahren. Gegenstän-de wie der Stein oder die Kugel gehören zu unserer Erfahrungswelt und lassen sich leicht identifi zieren und beschreiben. Schwieriger wird es, wenn man das Reagenzglas, das mit der durchsichtigen Flüssigkeit (in unserem Fall mit Wasser) gefüllt ist, betrachtet. Um nun ent-scheiden zu können, welche Flüssig keit sich in

dem Glas befi ndet, bedarf es weiterer experi-menteller Untersuchungen. Noch schwieriger ist es für Schüler, Auskunft über den Inhalt des geschwärzten Reagenz glases zu geben. Direkt wahrnehmbar sind nur Geräusche, die beim Schütteln entstehen. Die Frage, was sich im Inneren des Reagenz glases befi ndet, bleibt an dieser Stelle unbe antwortet. Im Unterrichtsgespräch wird anhand der Er-fahrungen mit den Gegenständen in dem Zau-berkasten geklärt, dass eine bewusste und stringente Trennung zwischen einer Erfah-rungswelt und einer Modellwelt für Phänome-ne, die nicht direkt zugänglich sind, sinnvoll und notwendig ist. Auf dem Wege zu einem Teilchenmodell wur-de zunächst das Experiment zur brownschen Mole kularbewegung durchgeführt, das für Ernst Mach der bedeutendste Beleg für die Existenz der Atome war (Landsberg, 2000). In der sich daran anschließenden Diskussion wurde erörtert, dass sich die Bewegung der zu beobachtenden Fettpartikel mit den üblichen Erfahrungen nicht deuten lässt. Wie im Falle des geschwärzten Reagenzglases führen nur „Modelle“ und das damit verbun dene Model-lieren zur Klärung dieses Phänomens weiter. Ein geeignetes Teilchenmodell wurde dann gemeinsam mit den Schülern erarbeitet. Zusammenfassend konnte dann festgehalten werden, dass die beobachteten Phänomene Teil der Erfahrungswelt sind und die Erklärun-gen mithilfe von Modellen der Modellwelt an-gehören. Zur ständigen Erinnerung an die sys-tematische Trennung beider Welten sowie zur Refl exion über die vorzunehmenden Untersu-chungen wurde am Ende der Einführungspha-se in die Mikrowelt den Schüler ein Poster prä-sentiert (Abbildung 4).c) Volumenzunahme einer Flüssigkeit durch Wärmezufuhr. Da die Untersuchung der Ausdeh nung einer Flüssigkeit beim Erwärmen durch eine Modellierung auf den verschiede-nen Repräsen tationsebenen des Systems erfol-gen soll, sind im Planungsstadium die folgen-den Aufgaben zu bewältigen: (1) die Ebenen müssen mit den entsprechenden Lerninhalten gefüllt werden und (2) es ist der Lernprozess im Voraus zu antizipieren, um einen derart be-

Abbildung 3: Gegenstände des Zauberkastens (Mi-kelskis-Seifert & Leisner, 2003)

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wussten und systematischen Wechsel zwischen den einzelnen Ebenen zu realisieren. In der Strukturdarstellung der Planung (Abbildung 5) werden die einzelnen Unterrichtsphasen den Repräsentationsebenen zugeordnet. Es wird deutlich, dass die Schüler Möglichkeiten für verschiedene Beobachtungsperspektiven er-halten sollen.Das Ziel der sechsstündigen Erarbeitungspha-se war die Klärung der Begriffe Temperatur, Dichte, Masse, Volumen und Aggregatzustand in der Erfahrungswelt und in der Modellwelt. Ferner sollten die Lernenden selbstständig Grundideen über die Anordnung der kleins-ten Teilchen in Flüssig keiten, über das Wirken von Kräften zwischen den Teilchen einer Flüs-sigkeit, über die Verschieb barkeit der Teilchen einer Flüssigkeit sowie über die Teilchenbewe-gung entwickeln. Da während des Unterrichts über Modelle keine Visualisierungen submik-roskopischer Entitäten vorgeben wurden, hatten die Schüler des weiteren die Aufgabe, die entwickelten Modellvorstellungen sich zu veranschaulichen und anschließend die Trag-fähigkeit dieser Vorstellungen – z.B. mithilfe von Modellexperimenten – zu überprüfen. Um

die beschriebenen Zielsetzungen umzusetzen, erfolgte die Untersuchung der Volumenzunah-me einer Flüssigkeit durch Erwärmen, die die Schüler in einer vierstündigen, selbstständigen Arbeit in Kleingruppen vornehmen, auf den einzelnen Repräsen tationsebenen des Sys-tems.

Abbildung 4: Poster für die gewünschten Refl exionen über Erfahrungs- und Modellwelt

Abbildung 5: Einzelne Unterrichtsabschnitte für die Untersuchung eines ausgewählten Phänomens auf den Ebenen des Systems

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Natürlich werden bei einem Unterricht über die Teilchenmodelle auch die aufgrund der Veran schaulichung von Mikroobjekten, die Schüler mit in den Unterricht bringen, entste-henden Lern schwierigkeiten eine Rolle spie-len. Die Ergebnisse empirischer Untersuchun-gen der Arbeitsgruppe an der Freien Universi-tät zeigen, dass eine explizite Thematisierung der anschaulichen wie der fachlich angemes-senen Sichtweisen auf einer metakonzeptuel-len Ebene notwendig ist (siehe Seifert & Fisch-ler, 2000). Derartige Refl exionen sind in einer zweistündigen Diskussionsphase geplant, in der die Lernenden ihre entwickelten Ideen zur Volumenänderung einer Flüssigkeit beim Erwärmen dem Klassenplenum präsentieren. Ein geeignetes unterrichtsmethodisches Instru-ment, wie das ent wickelte Ebenensystem, wird für die Diskussion über die Interpretation der vorgenommenen Untersuchungen eingesetzt. Dementsprechend dient das Ebenensystem nicht nur für die Unter richtskonstruktion, son-dern auch als Werkzeug für die metakonzep-tuelle Refl exion über Erfah rungs- und Modell-welt sowie für die intendierten erkenntnisthe-oretischen Diskussionen.Am Ende der sechsstündigen Erarbeitungs-phase werden die Schüler aufgefordert, die Aggregat zustände in beiden Betrachtungswei-sen (in der Erfahrungs- und Modellwelt) zu be-schreiben und damit ihr erworbenes Wissen anzuwenden. Im Unterrichtsgespräch entwi-ckeln die Schüler Ideen für die Unterschiede im Teilchenaufbau der festen, fl üssigen und gasförmigen Körper mithilfe des erstellten Mo-dells.

4. Ausblick

Im Rahmen der Kooperation zwischen Schulen (Brandenburger Gymnasien) und der Physik-didaktik der Freien Universität Berlin wurde das Unterrichtskonzept erprobt sowie einer umfassen den empirischen Untersuchung un-terzogen, die detailliert in einem weiteren Arti-kel der ZfDN vorgestellt wird. Acht Lerngrup-pen (n=120) wurden im Wahlpfl ichtbereich „Naturwissenschaften“ Klasse 9 und 10 nach der Konzeption unterrichtet.

Erfreulicherweise zeigten sich nach einem Un-terricht über Modelle die erwünschten Verände-rungen in den Vorstellungen zur Teilchenwelt als nachhaltiger Effekt. Einen wichtigen Beitrag scheinen dazu die allgemeinen Überlegungen zur Rolle von Modellen und der damit verbun-denen Modellbildung geleistet zu haben.

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Dr. Helmut Fischler ist Professor für Didaktik der Physik an der Freien Universität Berlin. Dr. Silke Mikelskis-Seifert ist Juniorprofessorin für Didaktik der Physik am Leibniz-Institut für Pädagogik der Naturwissenschaften (IPN) und ehemalige wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe von Helmut Fischler.

Dr Silke Mikelskis-SeifertIPN-KielOlshausenstr. 6224098 [email protected]

Prof. Dr. Helmut FischlerFU BerlinFB Physik, Didaktik der PhysikArnimallee 1414195 Berlinfi [email protected]

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Die Bedeutung des Denkens in Modellen bei der Entwicklung von … · 2009-10-27 · 1.3 Kontextprobleme Es fällt schwer, auf Grund der Berichte über Erprobungen der Unterrichtskonzeptionen