Diagnosing and Promoting the Understanding of Chemical Bonding

Abstract

Understanding the forces and chemical bonds that hold together substances is as challenging as it is fundamental for students’ comprehension of more advanced concepts in chemistry. What mainly impedes students’ learning about chemical bonding is overgeneralization: Typically, students neglect the differences between covalent, ionic, and metallic bonds and apply the model of covalent bonding to all bonding situations. This overgeneralization was confirmed by our assessment of university science undergraduates’ knowledge before attending lectures. 40 % of these students (N = 1946) wrongfully assumed the existence of molecules in sodium chloride, an ionic compound. The assessment further revealed the prevalence of uncertainties concerning the differences between chemical bonds and intermolecular forces. Thus, to foster students’ ability to keep the differences between these similar concepts in mind, we designed teaching materials containing multiple comparing and contrasting activities (23 lessons), introducing the three types of chemical bonds simultaneously. In a pre- and post-test classroom intervention study at Swiss Gymnasiums (N = 326, grade 10) the materials’ effectiveness was evaluated. Comparing and contrasting activities fostered students’ conceptual understanding more strongly (d = 1.05, CI95[0.78; 1.31]) and were better suited to promote conceptual change than the regular sequential introduction of the different bonding types. Additionally, the same teaching materials were used in a seven-lesson university preparatory course (N = 296). Science students’ conceptual understanding increased strongly (d = 2.44, CI95[2.21; 2.66]), and the frequency of misconceptions was reduced drastically from pre- to post-test (0.81 < d < 2.24). This study will help inform chemistry educators about students’ main challenges when learning about chemical bonds and provides a more effective and classroom-evaluated approach how to teach chemical bonding with increased and sustainable learning gains.

Zu verstehen, was Atome in Stoffen zusammenhält, ist für viele Schülerinnen und Schüler eine grosse Herausforderung. Ein vertieftes Verständnis der chemischen Bindung und der zwischenmolekularen Kräfte bildet jedoch die Grundlage, um im Chemieunterricht komplexere Themen behandeln zu können. Das grösste Hindernis stellt dabei die Tendenz zur Übergeneralisierung dar: Typischerweise vernachlässigen Lernende die Unterschiede zwischen kovalenten, ionischen und metallischen Bindungen und wenden das Modell der kovalenten Bindung auf alle Bindungssituationen an. Diese Tendenz zur Übergeneralisierung konnte durch die Untersuchung des Verständnisses angehender Naturwissenschaftsstudierender (N = 1946) vor dem Besuch von Universitätsvorlesungen bestätigt werden. 40 % der Studierenden nahmen beispielsweise fälschlicherweise an, dass Natriumchlorid (eigentlich eine ionische Verbindung) aus Molekülen aufgebaut ist. Die Untersuchung zeigte zudem, dass auch nach dem Unterricht zu chemischen Bindungen auf der Gymnasialstufe weiterhin Unsicherheiten beim Unterscheiden von chemischen Bindungen und zwischenmolekularen Kräften weit verbreitet sind. Um die Fähigkeit der Lernenden zu fördern, die Bindungsarten besser auseinander zu halten, haben wir deshalb eine Unterrichtseinheit von 23 Lektionen entwickelt, die viele vergleichende und kontrastierende Aufgaben enthält. Im Unterschied zu herkömmlichen Lernmaterialien werden die Bindungsarten bei diesem Ansatz bereits am Anfang gleichzeitig eingeführt. Zudem werden bei der Behandlung der einzelnen Bindungsarten stets die Unterschiede zu den anderen Bindungsarten hervorgehoben. In einer quasi-experimentellen Vergleichsstudie an Schweizer Gymnasien (N = 326, 10. Klassenstufe) wurde die Lernwirksamkeit dieser Unterrichtsmaterialien untersucht. Dabei zeigte sich, dass im Vergleich zur herkömmlichen sequentiellen Behandlung der Bindungsarten das vermehrte Vergleichen und Kontrastieren die Schülerinnen und Schüler stärker beim Aufbau von konzeptuellem Verständnis unterstützt (d = 1.05, CI95[0.78; 1.31]). Zusätzlich wurden die Lernmaterialien in einem kurzen Repetitionskurs für angehende Naturwissenschaftsstudierende eingesetzt (N = 296). Während sich das konzeptuelle Verständnis der Studierenden nach den sieben Lektionen stark verbesserte (d = 2.44, CI95[2.21; 2.66]), konnte die Häufigkeit von Fehlkonzepten im Vergleich zum Vortest deutlich reduziert werden (0.81 < d < 2.24). Mit diesen Materialien wird Lehrpersonen daher ein Ansatz zur Verfügung gestellt, mit dem sie chemische Bindungen und zwischenmolekulare Kräfte lernwirksam und nachhaltig unterrichten können.