Untersuchungen zur digitalen Strukturmodellierung auf Grundlage der Orbitaltheorie
- Förderung: BMBF Teach@TUM/ TUM Eigenmittel/ Verband der Chemischen Industrie (VCI)
- Projektlaufzeit: seit April 20218
- Wiss. Mitarbeiter: Stefan Witzke
Haptische Modelle können Lernenden dabei helfen, mentale Prozesse wie Molekülrotationen zu externalisieren und damit kognitive Prozesse zu vereinfachen. Um das Verständnis von Lernenden über Molekülstrukturen, Reaktionsmechanismen und elektromagnetischen Eigenschaften zu fördern, wurde ein Orbitalbaukasten entwickelt. Dieser beruht auf der Valenzstrukturtheorie. Moleküle werden modelliert, indem im Vorhinein geklärt wird, ob ein Atom in einem hybridisierten Zustand vorliegt bzw. in welcher Stufe. Zum Modellieren stehen als Bauteile s- und p-Orbitale sowie sp-Hybridorbitale der für die Grandlagenchemie gängigsten Elemente zur Verfügung. Durch Verknüpfung dieser Orbitale können Atome und Moleküle modelliert werden und an den Strukturmodellen Eigenschaften wie räumliche Struktur, Polarität, Elektronenkonfiguration, Oxidationszahlen, Absorptionsverhalten und letztlich Reaktivität diskutiert werden. Dieser Baukasten wurde als App für iOS und Android bereits realisiert (siehe Abbildung oben rechts).
Mittels 3D-Druck werden die Bauteile in Zukunft auch haptisch zugänglich sein, worauf auch die Forschungsfrage unseres Projekts abzielt: Wie beeinflusst die Wahl des Mediums (digital vs. haptisch) das Konzept- bzw. Modellverständnis zum Orbitalmodell. Dazu werden neben dem Konzeptverständnis weitere Faktoren wie das räumliche Vorstellungsvermögen, das Vorwissen, Cognitive Load und die Nutzerfreundlichkeit erhoben. Das Studiendesign ist schematisch in der Abbildung unten rechts dargestellt.
Ergebnisse der Pilotierung des Baukastens als App finden Sie auf diesem Poster.
Publikationen zum Projekt
Witzke, S.; Weidenhiller, P.; Nerdel, C. (im Druck). 3D-Druck zur Förderung des Erkenntnisgewinnungsprozesses in den Naturwissenschaften. MNU journal. Verlag Klaus Seeberger: Neuss.
Ripsam M., Witzke S., & Nerdel C. (2021). Augmentierte Kristalle – Visualisierung von Strukturen auf Teilchenebene mithilfe von 3D-Modellen. Naturwissenschaften digital: Toolbox für den Unterricht – Band 2, 16-19. Joachim Herz Stiftung Verlag: Hamburg.
Weidenhiller, Patrizia; Witzke, Stefan; Nerdel, Claudia (2020). Laborjournal digital! Das Laborjournal als Wiki-Eintrag in Moodle am Beispiel der Enzymkinetik. In: Meier, Monique (Hrsg.) digital unterrichten. Biologie. 6/2020. Friedrich Verlag: Hannover.
Frick, D., Witzke, S., & Nerdel, C. (2018) Modellieren mit digitalen Werkzeugen–vom 3D-Druck zur mathematischen Visualisierung am Beispiel der Enzymkinetik. Digitale Basiskompetenzen, 120. Joachim Herz Stiftung Verlag: Hamburg.