Denk-
und Arbeitsweisen der Chemie im Überblick
Denk- und Arbeitsweisen der Chemie sind all jene für die Chemie und
die Tätigkeit des Chemikers charakteristischen Herangehensweisen, die
das Wesen dieser Naturwissenschaft ausmachen.
In der Wissenschaft Chemie und im Chemieunterricht gibt es eine Reihe von
Tätigkeiten, die immer wieder durchgeführt werden und die für
die Chemie charakteristisch sind. Dazu gehören:
- Erkenntnistätigkeiten wie das Beobachten, das Beschreiben, das Vergleichen und das Klassifizieren,
- mit Experimenten verbundene Tätigkeiten wie das Experimentieren, das Messen, das Protokollieren und das Interpretieren,
- mit Gesetzen und Modellen verbundene Tätigkeiten wie das Erklären, das Vorraussagen und das Aufstellen von Hypothesen
- mit Begriffen und speziell mit Größen verbundene Tätigkeiten wie das Definieren,
- sprachlich-kommunikativ orientierte Tätigkeiten wie das Erläutern oder das Begründen.
Chemische Begriffe und Größen
als spezielle Begriffe sind erforderlich, um Sachverhalte fachsprachlich
angemessen beschreiben und quantitativ charakterisieren zu können.
Wenn man z. B. die Temperatur eines Körpers beschreiben will,
so reicht es nicht aus anzugeben, ob er warm, lauwarm, kalt oder sehr
kalt ist. Man muss die Temperatur schon exakt quantitativ angeben können,
um den Zustand des Körpers zu beschreiben.
Das Erkennen von Gesetzen in der Natur ist eines der wichtigsten Ziele chemischer Forschung. Es
ist ein äußerst komplexer und in der Regel langwieriger Prozess,
der häufig von Irrtümern begleitet war und ist. Trotzdem lassen
sich charakteristische Schritte nennen, die dabei gegangen werden.
Das Anwenden von Gesetzen
zum Lösen von Aufgaben, zum Erklären von Naturerscheinungen
und zum Voraussagen von Ereignissen sowie zum Konstruieren technischer
Geräte und Anlagen ist ebenfalls durch bestimmte Schritte charakterisiert,
die durchlaufen werden müssen.
Vor allem im Zusammenhang mit dem Erkennen und Anwenden von Gesetzen,
mit dem Festlegen von Begriffen, dem Arbeiten mit Größen und
dem Lösen von Aufgaben und Problemen treten eine Reihe von Tätigkeiten
auf, die immer wieder durchzuführen sind. Zu diesen für die
Chemie charakteristische Tätigkeiten
gehören das Beobachten, Beschreiben, Vergleichen, Klassifizieren,
Experimentieren, Messen, Erklären, Voraussagen, Erläutern, Begründen
und Interpretieren.
Diese Tätigkeiten bedingen sich meist gegenseitig.
Beobachten
Das Beobachten ist eine Erkenntnistätigkeit
und wird systematisch unter Berücksichtigung des Forschungsvorhabens
geplant. Dabei werden sinnliche Wahrnehmungen erfasst, gedeutet und festgehalten,
die zu einem bestimmten Zeitpunkt ablaufen. So können Erkenntnisse
über unsere Umwelt gewonnen werden. Die während der Beobachtung
aufgezeichneten Ergebnisse werden hinterher ausgewertet.
Beschreiben:
Auch das Beschreiben ist eine
Erkenntnistätigkeit. Beim Beschreiben wird mit sprachlichen Mitteln
zusammenhängend, umfassend und logisch geordnet möglichst klar
dargestellt, wie ein Objekt, ein Phänomen oder ein Prozess in der
Natur beschaffen ist oder abläuft. Z. B. welche Merkmale ein chemisches
Element aufweist, wie ein chemischer Vorgang verläuft. Dabei werden
in der Regel äußerlich wahrnehmbare Merkmale dargestellt. Man
beschränkt sich meist nur auf Aussagen über die wesentlichen
Eigenschaften eines Objekts oder einer Erscheinung. In der Homologieforschung
wird hauptsächlich Beschreibend gearbeitet. Eine reine Beschreibung
darf keine Vermutungen, Erklärungen oder emotionale Begriffe enthalten.
Die Beschreibung kann durch grafische Darstellungen anschaulich gemacht
werden. Beim wissenschaftlichen Zeichnen müssen die Dinge in einfachen
Strukturen so gezeichnet werden wie sie wirklich gesehen wurden, d. h.
die Form, die Lage- und die Größenverhältnisse müssen
richtig darstellt werden. Ausschmückungen sind nicht erlaubt.
Vergleichen:
Vergleichen ist ebenfalls
eine Erkenntnistätigkeit. Dabei werden Gemeinsamkeiten oder Unterschiede
bzw. Ähnlichkeiten von zwei oder mehreren Vergleichsobjekten, Erscheinungen,
Aussagen oder chemischen Vorgängen ermittelt und dargestellt. Das
Vergleichen erfolgt immer unter einem vorher bestimmten Aspekt mit der
Wahl geeigneter Kriterien und mit dem Ziel Folgerungen daraus zu formulieren.
Klassifizieren:
Klassifizieren ist eine
Erkenntnistätigkeit, wobei verschiedene Objekte und Vorgänge
aufgrund gemeinsamer und unterscheidender Eigenschaften geordnet, zusammengefasst
und beschrieben werden. Alle Objekte oder Vorgänge, die gemeinsame
Merkmale besitzen, werden zu einer Gruppe zusammengefasst. Dazu ist ein
Vergleich dieser hinsichtlich der betrachteten Eigenschaften erforderlich.
Die Gruppen werden benannt und mit bestimmten Begriffen gekennzeichnet.
Es entstehen Begriffssysteme.
Experimentieren
Eine der häufigsten Tätigkeiten in der Chemie ist das Experimentieren.
Experimentieren ist eine sehr komplexe Tätigkeit, die viele Einzeltätigkeiten
umfasst. Experimente werden mit dem Ziel durchgeführt, Zusammenhänge
und naturwissenschaftliche Gesetze zu erkennen bzw. theoretische Überlegungen
und Voraussagen unter ausgewählten, kontrollierten, wiederholbaren
und veränderbaren Bedingungen zu überprüfen. Das Ziel eines
Experimentes besteht somit darin, eine Frage an die Natur zu beantworten.
In der Chemie werden Experimente häufig durchgeführt, um Stoffumwandlungen
zu untersuchen und dabei bestimmte Stoffe zu gewinnen und nachzuweisen
(z. B. mit speziellen Nachweisreaktionen). Außerdem werden
häufig energetische Erscheinungen bei chemischen Reaktionen untersucht.
Mit Experimenten werden außerdem Zusammenhänge zwischen Größen
untersucht oder Natur- und Stoffkonstanten bestimmt.
Im Versuchsprotokoll werden auch exakte Beschreibungen von Geräten,
Methoden, Techniken und Vorgängen gemacht, zudem enthält es
jedoch auch noch die Formulierung von Überlegungen, Interpretationen
und Schlussfolgerungen.
Messen
Um Eigenschaften von Stoffen oder Reaktionsbedingungen quantitativ genau
beschreiben zu können, müssen Messwerte genommen werden. Dazu
werden bestimmete Größen wie Temperatur und Gewicht verwendet.
Gewonnene Ergebnisse, Messdaten und Erkenntnisse werden berechnet, dargestellt,
und interpretiert. Dabei muss man auch mögliche Fehler (Fehlerberechnung
bei Messwerten, Fehlerbetrachtung) berücksichtigen, die sich aus
der Versuchsanordnung oder den Umständen der Messung
ergeben können. Durch Extrapolieren (Fortführung einer linearen
Messreihe) können weitere Werte ermittelt werden. Beim Extrapolieren
nutzt man eine aus gewonnenen Daten erlangte Regel, um weiter Werte vorauszusagen.
Diese Regel sollte aber genau überprüft und beurteilt werden.
Ziel der Auswertung ist die Formulierung von Schlussfolgerungen in Bezug
auf die aufgestellte Hypothese .
Interpretieren:
Interpretieren ist eine
Tätigkeit, die eng mit der Auswertung von Beobachtungen und Experimenten
verbunden ist. Beim Interpretieren wird einem Ergebnis oder einer neu
gewonnenen Erkenntnis eine auf die Natur bezogene inhaltliche Bedeutung
gegeben. Dabei werden die Ergebnisse eines Sachverhaltes in einem bestimmten
Zusammenhang betrachtet, analysiert und gedeutet. In der Chemie gemessene
Werte werden häufig in Form von Diagrammen dargestellt und deren
Inhalte durch Interpretation gedeutet.
Erklären:
Erklären ist eine Tätigkeit,
die eng mit Gesetzen und Modellen verbunden ist. Beim Erklären wird
geordnet und zusammenhängend dargestellt, warum eine Erscheinung
in der Natur so und nicht anders auftritt. Die Erscheinung wird auf das
Wirken von Gesetzen zurückgeführt, indem man darstellt, dass
die Wirkungsbedingungen bestimmter Gesetze in der Erscheinung vorliegen.
Dabei werden Ursachen der zugrunde liegenden Gesetze und Zusammenhänge
aufgedeckt. Die Frage nach dem "Warum" und "Wozu"
wird beantwortet.
Erklären darf nicht mit dem Begründen verwechselt werden. Erklärt
werden Sachverhalte, begründet werden Aussagen. Während beim
Erklären immer auf Gesetze und Modelle zurückgegriffen wird,
können Begründungen objektiv oder subjektiv sein.
Voraussagen:
Voraussagen ist eine Tätigkeit,
die eng mit der Anwendung von Gesetzen und Modellen verbunden ist. Beim
Voraussagen wird auf der Grundlage von Gesetzen oder Modellen unter Berücksichtigung
der gegebenen Bedingungen eine Folgerung in Bezug auf eine Erscheinung
abgeleitet und zusammenhängend dargestellt.
Eine wissenschaftliche Voraussage oder Prognose stützt sich immer
auf Gesetze oder Modelle und hat nichts mit Spekulationen zu tun. Der
Wahrheitswert einer Voraussage kann trotzdem unterschiedlich sein. Wird
die Voraussage auf der Grundlage eines vielfach bestätigten Gesetzes
getroffen und sind alle Wirkungsbedingungen bekannt, so ist die Voraussage
mit hoher Wahrscheinlichkeit wahr. Sind dagegen die zugrunde liegenden
Gesetze komplex und nicht alle Wirkungsbedingungen und Einflussfaktoren
bekannt, so kann die Voraussage auch unsicher sein.
Hypothesen entwickeln:
Grundlage des chemischen Forschungsprozesses ist die Entwicklung
von Hypothesen, die durch geistige
oder praktische Tätigkeiten (Vergleichen, Experimentieren, usw.)
bewiesen oder widerlegt werden und damit zu neuen Erkenntnissen führen.
Eine Hypothese ist eine Annahme, die auf wissenschaftlichen Regeln, Gesetzen,
bestehenden Erkenntnissen oder Modellen begründet ist.
Wissenschaftliche Hypothesen sind stets so formuliert, dass Folgerungen
aus ihnen durch Beobachtungen oder Experimente sinnvoll, überprüfbar
und auch widerlegbar sind.
Definieren:
Definieren ist eine Tätigkeit,
die eng mit chemischen Fachbegriffen und naturwissenschaftlichen Größen
verbunden ist. Durch Definieren wird ein Begriff durch die Festlegung
wesentlicher, gemeinsamer Merkmale eindeutig bestimmt und von anderen
Begriffen unterschieden. Dazu werden meist ein Oberbegriff und die dazugehörigen
Merkmale angegeben. Wichtig ist dabei, dass eine Definition eindeutig
und zweckmäßig sein muss und nicht im Widerspruch zu anderen
Festlegungen stehen darf. Dies ist Grundlage für die wissenschaftliche
Kommunikation und vermeidet Missverständnisse.
Erläutern:
Beim Erläutern wird
versucht einer anderen Person einen naturwissenschaftlichen Sachverhalt,
z. B. Vorgänge, Begriffe, Gesetze oder Arbeits- und Denkweisen, meist
an Beispielen verständlich und anschaulich oder begreifbar zu machen.
Begründen:
Begründen ist eine sprachlich-kommunikativ
orientierte Tätigkeit, wobei Ursache und Wirkung eines chemischen
Phänomens zueinander in Beziehung gebracht wird. Beim Begründen
wird ein Nachweis geführt, das eine Aussage richtig oder zweckmäßig
ist. Dazu müssen Argumente, z. B. Beobachtungen, Gesetze und Eigenschaften
von Objekten angeführt werden.
Im Unterschied zum Erklären werden stets Aussagen begründet.
Während beim Erklären immer auf Gesetze oder Modelle zurückgegriffen
wird, kann Begründen objektiv (gestützt auf Gesetze, Modelle
oder wissenschaftliche Fakten) oder subjektiv (Meinung der begründenden
Person) sein.
Darstellen und Präsentieren:
Die Darstellung ist eine umfassende
und eingehende Wiedergabe eines Sachverhaltes mithilfe von Texten, Diagrammen,
Skizzen, Schemata und Tabellen. Die Art der Darstellung muss die Aufgabenstellung
wiederspiegeln und den Sachverhalt klar und anschaulich ausführen.
Daher ist die richtige Wahl der Darstellungsform sehr wichtig. Darstellungen
werden meist genutzt um Sachverhalte anderen Personen ausdrucksvoll und
gut erkennbar vorzustellen. Die Präsentation
von Sachverhalten kann in schriftlicher (z. B. Publikation) oder mündlicher
(z. B. Vortrag, Referat) Form erfolgen. Sie dient der allgemeinen Wissenserweiterung.