Design Thinking im experimentellen Chemieunterricht

Abstract

In der heutigen global vernetzten Welt stehen Informationen aus verschiedensten Fachdisziplinen in fast unbegrenzter Fülle und unterschiedlichster Qualität zur Verfügung. Um Schüler*innen auf die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts vorzubereiten, wurde in dieser Arbeit ein Unterrichtskonzept zur Förderung der dafür erforderlichen Fähigkeiten Kreativität, kritisches Denken, Kommunikation und Kollaboration, der 4 Ks (z.B. Fadel, Bialik & Trilling, 2017), erarbeitet – mit dem Schwerpunkt auf der Kreativität. Dabei wurde auf ein agiles Unterrichtskonzept – das Design Thinking – zu-rückgegriffen und dieses an den Chemieunterricht angepasst. Design Thinking eignet sich insbesondere für komplexe Aufgabenstellungen, für die ein innovatives Produkt entworfen werden soll. Gerade für die chemische Industrie ist die Entwicklung neuer, umweltverträglicher Verbindungen und Nutzung nachhaltiger Rohstoffe sowie daraus resultierender Produkte eine zentrale Herausforderung. Entwickelt wurde der Design Thinking-Ansatz an der Universität Stanford unter Winograd und Leifer, um Unternehmen zu unterstützen Lösungsideen auszuarbeiten. Daraus entstand später die d.school, an der Studenten*innen den Prozess des Design Thinkings erlernen (d.school, o.D.). Ein multidisziplinäres Team folgt dabei einem systematischen Prozess. Der Prozess ist nicht linear, sondern iterativ, so dass immer wieder Änderungen integriert werden können und aus Fehlern gelernt werden kann. Design Thinking wird bislang im Unterricht beinahe ausschließlich in Projektkursen und gesellschaftswissenschaftlichen oder sprachlichen Fächern eingesetzt. Damit möglichst viele Jungen und Mädchen Förderung in den 4Ks erfahren, sollte Design Thinking auf alle Fächer – auch Chemie – ausgeweitet werden. So kann auf die Interessen aller Jungen und Mädchen zur Motivationssteigerung eingegangen werden. Wird Design Thinking an die Lehrpläne angebunden, wird den Beteiligten vermutlich die Bedeutung dieses innovativen Ansatzes bewusster. Weitere Besonderheiten dieses Konzeptes sind die Integration einer Bewertungsphase und einer Präsentationsphase. Mit der Bewertungsphase werden die Aspekte des Design Thinkings „Wirtschaftichkeit, Machbarkeit und Nutzer*innenbedürfnisse“ vollständig dargestellt. Die Präsentationsphase dient der Förderung der Kommunikationskompetenz. Die Problemstellungen wurden mithilfe von Themen aus dem Bereich der Nachhaltigkeit so formuliert, dass sie möglichst komplex sind. Um einen Ansatz für das Fach Chemie zu erproben, wurden zuerst aus anderen Forschungen vielversprechende Rahmenbedingungen abgeleitet. Es wurden drei Unterrichtsmodule in drei aufeinanderfolgenden Jahren in zwei Parallelkursen in der 11., 12. und 13. Klasse mit jeweils zehn Unterrichtsstunden durchgeführt. Mithilfe der Analyse von Lerntagebüchern der Schüler*innen konnte in einem ersten Schritt gezeigt werden, dass die Integration von Design Thinking gelingt. Im zweiten Schritt wurden – entsprechend dem Design-Based Research-Ansatz – Änderungen vorgenommen und im Unterricht getestet. Die Schwierigkeiten, die die Jungen und Mädchen mit einzelnen Phasen des Design Thinkings hatten, konnten durch den Einsatz von Methoden zur Förderung der für diese Phasen erforderlichen Kompetenzen verbessert werden. So nahmen sowohl die Kreativität als auch die Bewertungskompetenz der Schüler*innen zu. Gleichzeitig konnte die Eignung der abgeleiteten Rahmenbedingungen aufgezeigt werden. Als Folge eines solch ergebnisoffenen, kreativen Konzepts wurde vermutet, dass die Intervention einen Einfluss auf die üblichen Annahmen über die Charakteristika und Inhalte des Faches Chemie (Image) hat und die Selbstwirksamkeitserwartung der Jungen und Mädchen zunimmt. Dies konnte mithilfe der Auswertung bereits etablierter Fragebögen durch Pre-post-Befragungen mit Likertskalen weitestgehend bestätigt werden. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass insbesondere die leistungsschwachen Schüler*innen der beteiligten Kurse von diesem Konzept profitieren.

In today's globally networked world, information from the most diverse disciplines is available in almost unlimited abundance and varying quality. In order to prepare pupils for the challenges of the 21st century, this work developed a teaching concept to promote the necessary skills of creativity, critical thinking, communication and collaboration, 4 Cs (e.g. Fadel, Bialik & Trilling, 2017), – with a focus on creativity. In doing so, an agile teaching concept - design thinking - was used and adapted to chemistry lessons. Design thinking is particularly suitable for complex tasks for which an innovative product is to be designed. Especially for the chemical industry, the development of new, environmentally friendly compounds and the use of sustainable raw materials as well as the resulting products is a central challenge. The design thinking approach was developed at Stanford University under Winograd and Leifer to support companies in developing solution ideas. This later gave rise to the d.school, where students learn the process of design thinking (d.school, n.d.). A multidisciplinary team follows a systematic process. The process is not linear, but iterative, so that changes can be integrated again and again and mistakes can be learned from. Design thinking has so far been used almost exclusively in project courses and social science or language subjects. To ensure that as many boys and girls as possible receive support in the 4Cs, Design Thinking should be extended to all subjects - including chemistry. This way, the interests of all boys and girls can be addressed to increase motivation. If Design Thinking is integrated into the curricula, the participants will probably become more aware of the importance of this innovative approach. Other special features of this concept are the integration of an assessment phase and a presentation phase. With the evaluation phase, the aspects of design thinking „economic viability, feasibility and user needs“ are fully presented. The presentation phase serves to promote communication competence. The problems were formulated with the help of topics from the field of sustainability in such a way that they are as complex as possible. In order to test an approach for the subject of chemistry, promising framework conditions were first derived from other research. Three teaching modules were carried out in three consecutive years in two parallel courses in 11th, 12th and 13th grade, each with 10 teaching hours. With the help of the analysis of the pupils' learning diaries, it could be shown in a first step that the integration of Design Thinking is successful. In the second step - according to the Design-Based Research approach - changes were made and tested in class. The difficulties that the boys and girls had with individual phases of Design Thinking could be improved by using methods to promote the skills required for these phases. Thus, both the creativity and the evaluation skills of the students increased. At the same time, the suitability of the derived framework conditions could be demonstrated. As a result of such an open-ended, creative concept, it was assumed that the intervention would have an influence on the usual assumptions about the characteristics and contents of the subject chemistry (image) and that the boys' and girls' self-efficacy expectations would increase. This could be largely confirmed with the help of the evaluation of already established questionnaires through pre-post surveys with Likert scales. At the same time, it could be shown that especially the low-performing pupils of the participating courses benefit from this concept.