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

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

Eigene Beobachtungen: Welche Vorstellungen und Erfahrungen haben Schüler? Alltagssprache: „Hohe CO2-Konzentration“ Eigene Beobachtungen: „Die Sonne wärmt.“ Reproduktion: „Das Ozonloch liegt über der Antarktis.“

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

1.500 Schüler der Jahrgangsstufen 10 und 12 Empirische Erhebung Teilnehmer: 1.500 Schüler der Jahrgangsstufen 10 und 12 Deutschland, Spanien, Taiwan, Russland 50 Lehramtsstudierende (Bachelor und Master) Fragebogen: Einstellung und Lernbereitschaft Motivation Luft, Treibhauseffekt, Ozon, Saurer Regen Fachwissen Spezialisierung, Lernbedingungen Statistik

Auswertung

Wie ist der Test ausgefallen? Auswertung Wie ist der Test ausgefallen? Fachwissen: 43 Items 100 % richtig beantwortet: 43 Punkte => Score 1 0 % richtig beantwortet: 0 Punkte => Score 0 Test-Score: Personen-Scores Mittelwert aller Personen-Scores WWU RU TW SP DE

Background Wer war am Besten? Score-Verteilung? Motivation: Lern- Deutschland Spanien Taiwan Russland WWU Umweltschutz ist mir wichtig 80 % 97 % 93 % 98 % 90 % Lerninteresse Thema Umwelt 40 % 60 % 40% 26 % 82 % Lern- bedingungen: Deutschland 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 % Bio 95 % 87 % 79 % Konv 35 % 21 % 16 % Uni 71 % Wann hast Du im Unterricht etwas zu diesen Themen gelernt? JGS 8 JGS 9 JGS 10 21 % 26 % 27 % JGS 11 JGS 12 50 % 46 % JGS 5 > JGS 9 23 % 40 % ? 31 % 29 % Testergebnis: [0 ≤ x ≤ 1] Wer war am Besten? Score-Verteilung?

Test-Gesamtergebnis: FACHWISSEN Schüler Deutschland 0,38 0,46 0,40   Schüler JGS 10 JGS 12 gesamt Deutschland 0,38 0,46 0,40 Spanien 0,52 0,44 Taiwan – 0,71 Russland ? 0,50 Studierende Uni Münster (LA Chemie) 0,64

Fachwissen Teil 1: LUFT Wer wusste das? Kategorien: Fehlvorstellung: FRAGE 3: Wie ist die reguläre Zusammen- setzung von 1 Liter Luft? Auswahl: CO2, CH4, N2, O2 [%] DE SP TW RU WWU ∅ N2 26 25 88 65 86 58 O2 35 27 85 67 90 61 CO2 22 CH4 50 34 94 71 87 Kategorien: ANTWORT: 780 ml N2 210 ml O2 < 10 ml CO2 < 10 ml CH4 N2 / O2 20 % der Schüler CO2 / CH4 42 % der Schüler weiß nicht 38 % der Schüler Fehlvorstellung: „Treibhausgase sind Hauptbestandteile der Luft.“

Fachwissen Teil 1: LUFT Wer wusste das? Kategorien: Fehlvorstellungen: [%] DE SP TW RU WWU ∅ N2 31 39 93 69 76 62 O2 57 53 85 56 84 67 H2O 22 35 90 23 33 41 CO2 81 86 98 74 96 87 CH4 64 100 92 SO2 25 20 79 42 NOx 24 26 45 19 12 43 49 61   FRAGE 2: Sind die folgenden Gase Treibhausgase? Auswahl: N2, O2, H2O, CO2, CH4, SO2, NOx Wer wusste das? ANTWORT: N2 O2 H2O CO2 CH4 SO2 NOx nein ja Kategorien: N2 / O2 55 % der Schüler CO2 / CH4 H2O 72 % 28 % SO2 / NOx 76 % der Schüler Fehlvorstellungen: „Alle Luftschadstoffe sind Treibhausgase.“ „Der Treibhauseffekt ist rein anthropogen.“

Fachwissen Teil 2: TREIBHAUSEFFEKT FRAGE 1a: Besteht ein Zusammenhang des Treibhauseffekts mit Strahlung und Temperatur? Wer wusste das? [%] DE SP TW RU WWU ∅ Strahlung 68 60 83 74 86 Temperatur 67 100 92 84 73 89   ANTWORT: Ja, sowohl / als auch. FRAGE 4: Wie läge die mittlere Globaltemperatur, wenn wir allen Wasserdampf aus der Atmosphäre entfernen würden? ANTWORT: Niedriger. Mit Wasserdampf: Tglob∅: +15 °C Ohne Wasserdampf: Tglob∅: – 18 °C Wer wusste das? [%] DE 29 ∅ 37 SP 24 TW 50 RU 42 WWU 41 FRAGE 1b: Wer beeinflusst den Treibhauseffekt? Mensch? Natur? Wer wusste das? [%] DE SP TW RU WWU ∅ Mensch 70 49 58 37 84 60 Natur 34 40 53 39 45 52 62 ANTWORT: Mensch und Natur.

Die Treibhausgase absorbieren diese.“ Fachwissen Teil 2: TREIBHAUSEFFEKT FRAGE 5: Wie funktioniert der Treibhauseffekt? ANTWORT: Abbildung B. „Die Treibhausgase lassen die Solarstrahlung durch, halten aber die vom Boden reflektierte Strahlung auf.“ Schüler: 17 % WWU: 29 % ∅: 23 % DE: 18 % SP: 51 % TW: 39 % RU: 13 % WWU: 33 % ∅: 32 % 30 % „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.“ Schüler: 6 % WWU: 9 % ∅: 8 % „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: 39 % WWU: 19 % ∅: 29 %

Fachwissen Teil 2: TREIBHAUSEFFEKT FRAGE: Besteht zwischen Treibhauseffekt und Ozonloch ein Zusammenhang? ANTWORT: Nein. Wer denkt das fälschlicherweise? FRAGE 5: [%] DE SP TW RU WWU ∅ 5.1: Abb. C/D 24 20 23 26 10 5.2: Begründung Ozon 30 5 ? 19 21 27 25 14 15 FRAGEN 1.3 und 7.7: [%] DE SP TW RU WWU ∅ 1.3: THE beeinflusst Ozonloch 71 78 40 49 77 63 7.7.: Ozonloch beeinflusst THE 72 61 5 54 70 23 56

Antarktis, Australien (A, F) Industrienationen (B, C, D) Fachwissen Teil 3: OZON (Stratosphäre) ANTWORT: Schutz vor schädlicher UV-Strahlung. (UV-C + Großteil UV-B) Wer wusste das? [%] FRAGE 7.3: Wozu dient uns die Ozonschicht? DE SP TW RU WWU ∅ 68 82 100 95 90 87 FRAGE 7.1: Woraus entsteht Ozon in der Stratosphäre? Wer wusste das? [%] ANTWORT: Aus Sauerstoff und UV-Strahlung. DE SP TW RU WWU ∅ 23 29 70 79 61 52 Wer wusste das? [%] FRAGE 7.8: Wodurch entsteht das Ozonloch? ANTWORT: FCKWs. DE SP TW RU WWU ∅ 40 49 100 26 68 57 FRAGE 8: Wo liegt das Ozonloch? [%] DE SP TW RU WWU ∅ Antarktis, Australien (A, F) 45 65 98 41 67 63 Industrienationen (B, C, D) 20 12 23 8 13 Südamerika (E) 5 3 weiß nicht 30 19 24 21 Kategorien: ANTWORT: Antarktis. Fehlvorstellung: „Das Ozonloch liegt über den Ländern, die es verursachen.“

Fachwissen Teil 3: OZON (Troposphäre) FRAGE 7.6: Gibt es in der Troposphäre Ozon? Wer wusste das? [%] ANTWORT: Ja. DE SP TW RU WWU ∅ 20 8 5 2 49 17 FRAGE 7.2: Woraus entsteht Ozon in der Troposphäre? Wer wusste das? [%] ANTWORT: Aus Stickoxiden und UV-Strahlung. DE SP TW RU WWU ∅ 22 20 9 29 Wer wusste das? [%] FRAGE 7.4: Ist Ozon schädlich für die Lunge? ANTWORT: Ja. DE SP TW RU WWU ∅ 22 25 73 26 55 40 Kategorien: Stratosphäre 75 % der Schüler aus O2 50 % der Troposphäre 21 % der aus NOx 20 % der Fehlvorstellung: „Ozon gibt es nur in der Ozonschicht.“

Fachwissen Teil 4: SAURER REGEN [%] DE SP TW RU WWU ∅ N2 34 35 88 78 71 61 CO2 42 49 100 26 86 CH4 44 39 73 56 80 58 O3 47 98 74 68 SO2 77 96 83 NOx 43 75 51 57 52 45 48 89 60   FRAGE 10: Verursachen die folgenden Gase Sauren Regen? Auswahl: N2, CO2, CH4, O3, SO2, NOx Wer wusste das? ANTWORT: N2 CO2 CH4 O3 SO2 NOx nein ja Kategorien: SO2 NOX CO2 70 % 39 % 40 % N2 CH4 O3 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: CO2 + H2O  H2CO3 SO2 + H2O  H2SO3 2 SO2 + O2  2 SO3 SO3 + H2O  H2SO4 2 NO + O2  2 NO2 2 NO2 + H2O  HNO2 + HNO3 FRAGE 11: Reaktions-gleichungen Saurer Regen. Wer wusste das? [%] DE SP TW RU WWU ∅ CO2 3 5 10 26 18 12 SO2 6 19 78 27 NOx 2 13 15 56 17 4 34   FRAGE 12: Was sind die Folgen Sauren Regens? Vegetation / Gebäude / Seen 35 % der Schüler weiß nicht 33 % der Schüler Gesundheit 15 % der Schüler „Verätzungen, Todesfälle, Krebs, Hautkrankheiten, Haarausfall.“ Fehlvorstellung: „Saurer Regen ist konzentrierte Säure.“

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