Jörg Saborowski und Christiane S. Reiners

Modelle im naturwissenschaftlichen Erkenntnis- und Lernprozess

Erkenntnisgewinnung, Modell, Experiment, elektrische Leitfähigkeit
Ein Experiment kann zeigen, dass Kupfer den elektrischen Strom leitet, aber nicht erklären, warum das so ist., © fen deneyim/Shutterstock.com

Jörg Saborowski und Christiane S. Reiners

Mit der Einführung der Bildungsstandards [1] wurde die Forderung nach einer umfassenden naturwissenschaftlichen Grundbildung in den Curricula für den naturwissenschaftlichen Unterricht fest verankert. Diese lässt sich zum einen bildungspolitisch legitimieren, da der Chemieunterricht nicht nur Erkenntnisse der Chemie vermitteln soll, sondern auch eine Reflexion über die Art und Weise, wie diese Erkenntnisse gewonnen werden, anstrengen sollte. Darüber hinaus gewinnt diese Reflexion in Zeiten „alternativer Fakten eine gesellschaftliche Relevanz, da der Weg der Erkenntnisgewinnung das Urteilsvermögen der Mitglieder einer Gesellschaft fördern und sie damit befähigen sollte, zwischen Fakten und alternativen Fakten zu unterscheiden. Um aber ein Urteil über „fact und „fake treffen zu können, muss man im naturwissenschaftlichen Kontext den Prozess der Erkenntnisgewinnung verstehen können. Wie aussagekräftig Fakten sind, kann nur dann beurteilt werden, wenn der Weg zu dieser Aussage transparent und nachvollziehbar ist.
Damit kommt der unterrichtlichen Behandlung naturwissenschaftlicher Arbeits- und Denkweisen, und hier insbesondere dem Denken und Arbeiten mit Modellen, eine besondere Aufgabe zu. Dies kann schon bei einfachen unterrichtlichen Inhalten erfolgen: Die Lernenden einer achten oder neunten Klasse stellen durch ein kleines Experiment fest, dass ein Stück Kupfer den elektrischen Strom leitet. Das Experiment allein kann nur die Frage beantworten, ob Kupfer Strom leitet, nicht aber warum. Die Erklärung kann nur über ein Modell, das bewegliche Ladungsträger beschreibt, erfolgen.
Das Modell in der experimentellen Methode
Das Modell ist neben dem Experiment die zweite Säule der Erkenntnis in der Chemie. Wollen wir Beobachtungen aus Experimenten verstehen und deuten, benötigen wir dazu einen theoretischen Überbau, denn sonst bleiben unsere Naturbeobachtungen rein phänomenologisch. Die Theorien stehen dabei in einem Wechselspiel mit den Beobachtungen, den Experimenten, also der Empirie [2]. Dabei entsteht die Schwierigkeit, Erklärungen für makroskopische Phänomene auf submikroskopischer Ebene zu suchen, die jedoch unserer direkten Wahrnehmung nicht zugänglich und unanschaulich ist.
Um Anschaulichkeit zu erzeugen und Erklärungen zu ermöglichen, bedient man sich eines Ersatzobjekts, eines Modells (vgl. Kasten1): „Modelle sind immer Veranschaulichungen und haben als solche heuristischen Wert [3, S.156]. Modelle erklären Phänomene mit Theorien, sie sind ein Mittel, um die Kluft zwischen makroskopischer und submikroskopischer Ebene zu überbrücken. „Daher kann man Modelle als ein Bindeglied, einen Mittler zwischen Experiment und Theorie ansehen [4, S.616].
Eine weitere Aufgabe von Modellen im naturwissenschaftlichen Erkenntnisprozess ist ihre Funktion als Voraussageinstrument: „Das Verfahren aber, dessen wir uns zur Ableitung des Zukünftigen aus dem Vergangenen und damit der Erlangung der erstrebten Voraussicht stets bedienen, ist dieses: wir machen uns innere Scheinbilder oder Symbole der äußeren Gegenstände, und zwar machen wir sie von solcher Art, dass die denknotwendigen Folgen der Bilder stets wieder Bilder seien von den naturnotwendigen Folgen der abgebildeten Gegenstände [5, S. 18]. Ein Modell dient also auch der Prognose und damit der Überprüfung von Hypothesen: Wird ein Phänomen beobachtet, das durch ein Modell vorausgesagt wurde, erhärtet dies die Theorie. Treffen die Voraussagen allerdings nicht zu, so muss entweder das Modell oder die Theorie überarbeitet oder sogar verworfen werden (Falsifikationismus, Paradigmenwechsel).
1 | Der allgemeine Modellbegriff
1 | Der allgemeine Modellbegriff
Modelle werden in vielen wissenschaftlichen Disziplinen, nicht nur in den Naturwissenschaften, benutzt. Stachowiak [12] beschreibt allgemeingültig drei charakteristische Bestimmungsmerkmale eines Modells:
1. Abbildungsmerkmal: „Modelle sind stets Modelle...

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aus: Unterricht Chemie Nr. 171 / 2019

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