Chemiedidaktik kompakt

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1 Chemiedidaktik kompakt

2 Hans-Dieter Barke Günther Harsch Annette Marohn Simone Krees Chemiedidaktik kompakt Lernprozesse in Theorie und Praxis 2. Auflage

3 Hans-Dieter Barke Günther Harsch Annette Marohn Simone Krees Westfälische Wilhelms-Universität Münster Institut für Didaktik der Chemie Fliednerstraße 21 D Münster Ergänzendes Material zu diesem Buch finden Sie auf ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011, 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Planung und Lektorat: Rainer Münz, Sabine Bartels Redaktion: Karin Beifuss Satz: TypoStudio Tobias Schaedla, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.

4 Vorwort Schülervorstellungen Unterrichtsziele Motivation Medien prozesse Lernende Fachsprache, Symbole Modelle, Modellvorstellungen Alltag und Chemie Experimente Es ist nicht einfach, Inhalte der Chemiedidaktik übersichtlich anzuordnen: Themen wie Unterrichtsziele, Schülervorstellungen, Motivation, Medien, Experimente, Modelle, Fachsprache und Symbole oder Alltag und Chemie sind vielfältig miteinander verflochten und bauen nicht linear aufeinander auf. Ein Tortenschema hat sich in unseren Vorlesungen und Seminaren als Organisationsstruktur für die acht Grundthemen bewährt (vgl. Bild). Zu jeder Thematik werden Fragen und Probleme auf bestimmten Reflexionsebenen diskutiert: Lernende, Fachliche Schwerpunkte, Vermittlungsprozesse, Gesellschaftliche Bezugsfelder. Die gemäß dem Tortenschema zu den einzelnen Themen ausgeführten fachdidaktischen Analysen, Reflexionen und Empfehlungen weisen immer auch viele Beispiele aus der Unterrichtspraxis auf. Mit dieser Art der Gliederung soll deutlich werden, dass keine bestimmte Reihenfolge der Themen festliegt und weitere Themen in das Tortenschema aufgenommen werden können. So ist gewährleistet, dass Kollegen und Kolleginnen, die

5 VI Vorwort ihre Studierenden ebenfalls auf dieser Grundlage ausbilden wollen, ihre eigenen Vorstellungen mit den hier vorgeschlagenen Inhalten verknüpfen können. Dieses Konzept hat mit unserem 2001 erschienenen, jedoch derzeit vergriffenen Lehrbuch Chemiedidaktik Heute sehr viel Anklang gefunden. In vielen Gesprächen mit Studierenden des Chemielehramts, mit Chemielehrerinnen und -lehrern, mit Fachleiterinnen und -leitern der Studienseminare und Dozentinnen und Dozenten der Universitäten kam zum Ausdruck, dass diese Kapitel der Chemiedidaktik gern zur Grundlage von Seminaren gemacht werden. Wir hoffen, dass auch die vorliegende, in vielen Kapiteln veränderte Fassung Chemiedidaktik kompakt bei den Lesern gut ankommt. Diese neue Auflage wurde durch die Emeritierung der beiden Autoren und die Übernahme der Institutsaufgaben durch zwei neue Professorinnen nahe gelegt. Mit ihnen ist der Wunsch entstanden, alle acht Kapitel der Chemiedidaktik zu überarbeiten und neuere Forschungsergebnisse zu integrieren. Es sind wiederum didaktische Übungsaufgaben zu den Themen enthalten, in den meisten Fällen auch Hinweise und Vorschriften zu den in Vorlesung und Seminar gezeigten Experimenten und Modellen. Für erfahrene Experimentatoren sind die Kurzvorschriften ausreichend; Leser mit geringen Vorkenntnissen sollten die Spezialliteratur zur experimentellen Schulchemie konsultieren und auch die erforderlichen Sicherheitsbestimmungen und Entsorgungshinweise studieren. Da es für die Autoren und Autorinnen wichtig erscheint, dass die Lehramtsstudierenden auch die Entwicklung vieler Begriffe und Theorien aus der Geschichte der Chemie kennenlernen, ist dem Buch ein elektronischer Anhang angefügt worden, der bedeutungsvolle Stationen der Chemiegeschichte in kurzer Form dokumentiert. Es werden 15 Kapitel ausgeführt, die jeweils auch das Unterkapitel Chemiedidaktische Relevanz ausweisen und für die Lehramtsstudierenden den Bezug zur Chemiedidaktik und zum Chemieunterricht herstellen. Diese 15 Kapitel referieren und reflektieren jeweils neue Erkenntnisse der folgenden bekannten Forscher aus der Chemiegeschichte: Boyle, Cavendish, Scheele, Priestley, Lavoisier, Richter, Dalton, Gay-Lussac, Avogadro, Galvani, Volta, Davy, Faraday, Berzelius, Liebig, Wöhler, Kekulé, van t Hoff, Meyer, Mendelejew, Arrhenius, Brönsted, Werner, Röntgen, von Laue, Bragg, Watson und Crick. Im Kapitel 9 des vorliegenden Buchs werden die Kapitel mit Fotos und Zeichnungen skizziert, sodass die Leser abschätzen können, welche Inhalte im elektronischen Anhang zu erwarten sind. Die Autorinnen und Autoren hoffen, dass die Studierenden, Referendarinnen und Referendare, Chemielehrerinnen und -lehrer die Stationen zur Geschichte der Chemie im Selbststudium reflektieren, dass alle interessierten Leser viel Freude daran haben, die spannende Entwicklung unseres jungen Fachs mit vielen Bildern, Experimenten und Modellen zu studieren. Münster, im Herbst 2014 Hans-Dieter Barke Günther Harsch Annette Marohn Simone Krees

6 Inhaltsverzeichnis 1 Schülervorstellungen Fachliche Schwerpunkte: Theorien aus der Geschichte der Naturwissenschaften Urstofftheorien Umwandlungskonzepte der Alchemisten Die Phlogistontheorie Horror vacui und der Luftdruck Theorien zur Atomistik und zur Struktur der Materie Lernende: Empirische Hinweise auf Schülervorstellungen Stoffe als Eigenschaftsträger Mischen und Entmischen Erhaltungskonzept Energie Vorstellungen vom Verbrennungsprozess Luft und andere Gase Aufbau der Materie Horror vacui Raumvorstellungsvermögen Hausgemachte Fehlvorstellungen Vermittlungsprozesse: Berücksichtigung der Schülervorstellungen Gesellschaftliche Bezugsfelder: Schülervorstellungen und Umgangssprache Übungsaufgaben Experimente Literatur Motivation Lernende: Entwicklungsstand, Einstellungen und ursprüngliche Vorstellungen Entwicklungsstand Einstellungen Ursprüngliche Schülervorstellungen Vermittlungsprozesse: Möglichkeiten zum Aufbau sachbezogener Motivation

7 VIII Inhaltsverzeichnis Nachvollziehbarer Unterricht Einstieg nach Wagenschein Bezüge zu Alltag und Lebenswelt Erzeugung kognitiver Konflikte Auffallende experimentelle Effekte Handelnder Umgang mit Experimentier- oder Modellbaumaterial Fachliche Schwerpunkte: Experimentelle Fertigkeiten für Schauversuche Gesellschaftliche Bezugsfelder: Motivation durch Alltagssprache und Medien Übungsaufgaben Experimente Literatur Unterrichtsziele Allgemeindidaktische Einführung Unterrichtsziele und ihre Dimensionen Didaktische Modelle Unterrichtsplanung und -analyse Gesellschaftliche Bezugsfelder: Bildungsstandards und Lehrpläne Lernende: Kognitive Entwicklung, Schülervorstellungen, Einstellungen, Interessen Lernziele und Entwicklungspsychologie Schülervorstellungen Einstellungen und Interessen Fachliche Schwerpunkte: Chemieunterricht als Spiralcurriculum Vermittlungsprozesse: Unterrichtsverfahren zur Realisierung von Unterrichtszielen Der forschend-entwickelnde Unterricht Der historisch-problemorientierte Unterricht ChiK: Chemie im Kontext Choice2learn Weitere Unterrichtsverfahren Übungsaufgaben Literatur Medien Vermittlungsprozesse: Medien und ihre Funktionen im Unterricht Schulbuch Schultafel Präsentationsfolien (per Overheadprojektor bzw. Computer und Beamer) Zeitungsmeldung Videos, Filme, Onlineauftritte

8 Inhaltsverzeichnis IX Computer, Tablet Multimedia Interaktives Whiteboard Experimente Hintergründe und Leuchtwand Kameraeinsatz Projektionen Magnetische Weißwandtafeln Computereinsatz Messwerterfassungssysteme, Handgeräte Modelle Experimentierkoffer Fachliche Schwerpunkte: Sachliche Angemessenheit von Medien Lernende: Medienkompetenz und Medienproduktion Gesellschaftliche Bezugsfelder: Massenmedien Webquest Spielfilmszenen Übungsaufgaben Experimente Literatur Experimente Fachliche Schwerpunkte: Experiment, Experimentierfähigkeiten, Sicherheit Experiment und Prozess der Erkenntnisgewinnung Gewinnung von Daten Synthese neuer Substanzen Experimentelle Fähigkeiten und Fertigkeiten Sicherheit und Entsorgung Entsorgung Vermittlungsprozesse: Funktionen, Auswahlkriterien und Formen des Experiments Funktionen des Experiments Auswahlkriterien für Experimente Ausführungsformen des Experiments Organisatorischer Ablauf des Experimentalunterrichts Lernende: Spieltrieb und Neugierverhalten, experimentelle Fertigkeiten Gesellschaftliche Bezugsfelder: Experimente zu Alltag und Umwelt Übungsaufgaben Praktikum Experimente zu Alkalimetallen Literatur

9 X Inhaltsverzeichnis 6 Modelle und Modellvorstellungen Fachliche Schwerpunkte: Modelle und deren fachwissenschaftliche Funktionen Modellbegriff und Erkenntnis in den Naturwissenschaften Denkmodelle in der Chemie Anschauungsmodelle in der Chemie Vermittlungsprozesse: Modelle und deren fachdidaktische Funktionen Vermittlung chemischer Sachverhalte durch Modellvorstellungen Anpassung und Erweiterung von Modellen im Chemieunterricht Weitere Funktionen von Modellen und Modellvorstellungen Lernende: Erfahrungen mit Modellen Spielzeug Spaß mit Modellen Modelle aus anderen Schulfächern Gesellschaftliche Bezugsfelder: Interdisziplinäre Modellvorstellungen Übungsaufgaben Modellbau-Praktikum: Strukturen der Metalle und Salze Aufgaben Lösungen und Zeichnungen zu den Aufgaben Literatur Fachsprache und Symbole Fachliche Schwerpunkte:Begriffe, Symbole, Größen, Einheiten Système Internationale und abgeleitete Einheiten Schulrelevante Größen und Einheiten Schulrelevante Fachbegriffe Vermittlungsprozesse: Alltagssprache Fachsprache Symbolsprache Verknüpfung von Alltagssprache und Fachsprache Die chemische Symbolsprache Ableitung erster chemischer Symbole im Unterricht Lernende: Schülervorstellungen zu chemischen Strukturen und Symbolen Vorstellungen zur Verbrennung Vorstellungen zum Ionenbegriff Vorstellungen zur Stöchiometrie Gesellschaftliche Bezugsfelder: Laien und die chemische Fachsprache Übungsaufgaben Literatur

10 Inhaltsverzeichnis XI 8 Alltag und Chemie Lernende: Neugier und Interesse Schülerinteressen Haushaltschemikalien und Interesse Einstellungen zur Chemie und zum Chemieunterricht Fachliche Schwerpunkte: Fachsystematik versus Alltagschemie Alltagsphänomene und Chemie Fachliche Interpretationen, Experimente Vermittlungsprozesse: Fachsystematik plus Alltagschemie Methoden zu Vermittlungsprozessen Vollständige Curricula auf der Basis von Alltagschemie Chemie im Kontext NRW-Lehrpläne und neue Schulbücher Gesellschaftliche Bezugsfelder: Rollenspiele und Umweltbildung Übungsaufgaben Experimente Literatur Geschichte der Chemie für Lehramtsstudierende Sachwortverzeichnis Die Kapitel 10 bis 24 des elektronischen Anhangs finden Sie auf der Produktseite des Buches unter

11 0 Einführung in das Tortenschema zur Chemiedidaktik Der russische Pädagoge Itelson [1] bemerkte im Hinblick auf Pädagogen einmal sehr ironisch: Wenn die Ingenieure beim Brückenbau, die Ärzte bei der Behandlung der Menschen und die Juristen bei der Urteilsfällung eine solche Neigung zu oberflächlichen Begründungen zeigen würden, wie sie uns zuweilen in der Pädagogik begegnen, so wären längst alle Brücken eingestürzt, die Patienten gestorben und die Unschuldigen gehenkt. Über dieses Zitat wird man zunächst genüsslich schmunzeln, dann aber zugeben, dass die Gründlichkeit von Pädagogen bei der Vorbereitung und Argumentation für ihr Tätigkeitsfeld meist nicht in gleichem Maße gegeben ist wie in den Tätigkeitsfeldern anderer Berufe: Die negative Auswirkung von Fehlern im Beruf des Pädagogen tritt nicht so offensichtlich zutage wie bei Fehlern im Berufsfeld eines Ingenieurs, eines Arztes oder eines Juristen. Die Professionalität von Lehramtsstudierenden bzw. von Lehrern und Lehrerinnen zugunsten eines guten Unterrichts kann gesteigert werden, wenn in angemessenem Umfang Grundlagen in der Pädagogik, in der Didaktik und in der Fachdidaktik vermittelt werden. Diesbezügliche Definitionen sollen am Anfang stehen, ehe spezifische Aspekte der Chemiedidaktik hinzutreten. Dabei muss deutlich sein: Es kann nicht die Didaktik oder die Fachdidaktik geben! Die entsprechende Diskussion erfolgt unter jeweils spezifischer Weltanschauung, und jeder Lehrende hat sie in seiner Zeit und in seinem Umfeld immer wieder neu zu führen. Pädagogik Dieser Begriff leitet sich von Pädagoge (gr.: Kinder- oder Knabenführer) ab und ist eine Sammelbezeichnung für unterschiedliche philosophische und psychologische Disziplinen, deren gemeinsamer Gegenstand das soziale Handeln ist. Roth [2] charakterisiert die Pädagogik in seinem Handlexikon zur Erziehungswissenschaft mit folgenden Themenbereichen: Sie betreffen den Bereich der erziehungswissenschaftlichen Forschung (und konkretisieren sich in deren Methodologie und ihren Praktiken), den Bereich der Schule (in ihren historischen und aktuellen Bezügen), den Bereich des Unterrichts (in seiner vielfältigen Bedingtheit als komplexer Wirkungszusammenhang) den Bereich der Berufspädagogik (in ihrer vielfältigen Ausprägung und gesellschaftspolitischen Bedeutung). [2]

12 XIV Einführung in das Tortenschema zur Chemiedidaktik Didaktik Die griechischen Philosophieschulen im Altertum schufen diese zentrale Idee: Sie lässt sich ableiten aus didaskein (gr.: lehren, beweisen) oder aus didaktos (gr.: lehrhaft). Diese Begriffe besaßen einen weit über Lehre und Schule hinausgehenden Wirkungsbereich. Erst im 17. Jahrhundert bezieht sich Comenius mehr und mehr auf die Unterrichtssituation und legt in seiner Didactica Magna von 1657 didaktische Prinzipien wie Lebensnähe, Aktualität und Anschaulichkeit zugrunde. Er versteht unter Didaktik die begründete Auswahl von Inhalten für die Lehrkunst (lat.: docendi artificium). Heute diskutiert man wichtige didaktische Modelle wie bildungstheoretische [3], lerntheoretische [4], informationstheoretische [5] oder kritisch-kommunikative Didaktik [6]. Eine zusammenfassende Übersicht vermitteln Blankertz [7] und Ruprecht [8]. Aschersleben [9] definiert ganz allgemein: Didaktik ist das Insgesamt an Lernhilfen, die der Schüler sich selbst oder die ihm der Lehrer gibt. Die Lernhilfen beziehen sich sowohl auf die Auswahl von Unterrichtsgegenständen als auch auf die Methoden des Lernens. Dabei ist Unterricht die didaktische Situation, in der sich Lernen vollzieht, und Schule ist die ihr entsprechende Institution. Der Unterricht als didaktische Situation schließt alles ein, was sie ausmacht: die Beteiligten, Lehrer und Schüler, Lerngegenstände, Medien, Arbeitsmaterialien und so fort. [9] Man ist geneigt, Didaktik und Methodik voneinander abzugrenzen, indem man der Didaktik die Frage nach den Inhalten, dem Was, zuordnet und der Methodik die Frage nach der Vermittlung von Inhalten, dem Wie. Die Interdependenz dieser Fragen [4] und die Aufgabe der Didaktik, auch Fragen nach dem Warum (Begründungsfrage) und dem Wozu (Zielfrage) zu beantworten, hat allerdings dazu geführt, die Gesamtheit dieser Fragen unter den Begriff Didaktik zu subsumieren. Zwei entsprechende Definitionen seien zitiert: Die Didaktik kümmert sich um Es ergeben sich folgende die Frage, Fragestellungen: wer Mit welchen Zielen sollen was welche Inhalte unter wann welchen Voraussetzungen und mit wem welchen Bedingungen wo auf welcher Stufe wie mit welchen Methoden womit in welcher Zeit warum und mit welchem Erfolg wozu von wem gelehrt bzw. lernen soll. [10] von wem gelernt werden? [11]

13 Einführung in das Tortenschema zur Chemiedidaktik XV Der Begriff der allgemeinen Didaktik wird verständlicher, wenn man spezielle Didaktiken aufzählt und Verknüpfungen herstellt: Schulformspezifische Didaktiken: Grundschul-, Hauptschul-, Realschul-, Gymnasial- oder Gesamtschuldidaktik Schulstufenspezifische Didaktiken: Didaktik der Primarstufe, der Orientierungsstufe, der Sekundarstufe I und der Sekundarstufe II, Schulfachspezifische Didaktiken oder Fachdidaktiken: alle Schulfächer oder auch Schulfächergruppen (Bereichsdidaktiken) Berufsbildende Didaktiken: Fächer der Berufsschule und Fachoberschulen, Didaktik für das Berufsschuljahr etc. Fachdidaktik Das zusammengesetzte Wort mag auf den ersten Blick vortäuschen, dass eine Fachdidaktik additiv zusammengesetzt sei aus den Elementen des entsprechenden Fachs und denen der Didaktik. Ein zweiter Blick macht klar, dass eine direkte Vereinigungsmenge keinen Sinn macht und es schwierig ist, alle entsprechenden Inhalte zu überblicken. Fachdidaktik bezieht sich allerdings auf Inhalte der Fachwissenschaft einerseits und auf Inhalte der allgemeinen Didaktik andererseits: Es sind die Bezugswissenschaften. Fachdidaktik als die eigentliche Berufswissenschaft der Lehrer und Lehrerinnen ist eine selbstständige interdisziplinäre Wissenschaft mit eigenen Zielen, Aufgaben und Methoden, die Inhalte der Bezugswissenschaften reflektiert und auf die Fragestellungen der Fachdidaktik anwendet. Abb. 1 veranschaulicht die Fach- Pädagogik allgemeine Didaktik Physikdidaktik Chemiedidaktik Physik Chemie allgemeine Pädagogik allgemeine Didaktik Biologiedidaktik Fachdidaktiken Biologie Fachwissenschaften Abb. 1 Fachdidaktiken als selbstständige Brückenfächer zwischen den Bezugswissenschaften [12] Pädagogik/Didaktik und den Fachwissenschaften [12]

14 XVI Einführung in das Tortenschema zur Chemiedidaktik Wachsende Lehrkompetenz Ausbildungsziele 3. Phase Schule 2. Phase Seminar Ständige Reflexion des Unterrichts Reflektierte Unterrichtspraxis Fachwissenschaftliche und fachdidaktische Fortbildung Fachdidaktische Kompetenz 1. Phase Universität Allgemeine Handlungskompetenz Fachwissenschaftliche Kompetenz Studienbereiche Erziehungswissenschaftlicher Studienanteil Anwendungsbezogene allgemeine theoretische Grundlagen von Lehr- und Lernprozessen Fachdidaktischer Studienanteil Anwendungsbezogene Grundlegung der Theorie der Lehrund Lernprozesse des Fachgebietes Fachinhaltlicher Studienanteil Allgemeine theoretische und laborpraktische Grundlegung des Fachgebietes Abb. 2 Verknüpfung von erziehungswissenschaftlichen, fachwissenschaftlichen und fachdidaktischen Anteilen auf dem beruflichen Werdegang von Lehramtsstudierenden [13] didaktiken als selbstständige Brückenfächer zwischen Pädagogik und allgemeiner Didaktik auf der einen Seite und den Fachwissenschaften auf der anderen Seite [12]. Abb. 2 zeigt die Verknüpfung erziehungswissenschaftlicher, fachwissenschaftlicher und fachdidaktischer Anteile in der Ausbildung von Lehramtsstudierenden in der 1. Phase der Ausbildung und die selbstständige Reflexion in der 2. Phase bzw. im eigenen Unterricht [13]. Chemiedidaktik Um die Verflechtung erziehungswissenschaftlicher, didaktischer und fachwissenschaftlicher Aspekte an einem Beispiel deutlich zu machen und die Argumentation in der Chemiedidaktik exemplarisch zu veranschaulichen, wird ein interessantes Experiment zugrunde gelegt, auf verschiedenen fachdidaktischen Wegen durchgeführt und mit alternativen Vorstellungen ausgewertet.

15 Einführung in das Tortenschema zur Chemiedidaktik XVII Beispiel Eisenwolle am Waagbalken Entzündet man einen Bausch grauglänzender Eisenwolle, der auf einer Seite des Waagebalkens befestigt und austariert wurde, so beobachtet man eine rote Glutfront, die sich langsam durch die Wolle bewegt. Während der Reaktion senkt sich diese Seite des Waagbalkens, und ein schwarzfarbenes Produkt bleibt zurück. Der Chemiker wird dieses Produkt als Eisenoxid der Zusammensetzung Fe 3 O 4 beschreiben, also die Zusammensetzung aus Fe 2+, Fe 3+ und O 2 -Ionen: (Fe 2+ ) 1 ( Fe 3+ ) 2 (O 2 ) 4. Es hat also beim Glühen des Eisens eine Redoxreaktion stattgefunden: Fe- Atome geben jeweils 2 oder 3 Elektronen ab und werden zu Kationen, O-Atome nehmen jeweils 2 Elektronen auf und werden zu Anionen; die Ionenarten verknüpfen sich im Ionengitter. Dieses sachgerechte Vorgehen ist mit Schülerinnen und Schülern machbar, die in der Klassenstufe 10 oder 11 die Redoxreaktion als Elektronenübertragung schon kennen im Anfangsunterricht der Klassenstufe 7 oder 8 ist diese Interpretation natürlich nicht möglich. Man ist sich darüber bewusst, dass dann eine fachdidaktische Reduktion erforderlich ist, um im Anfangsunterricht mit dem Eisenwolle- Experiment auf die Beteiligung des Sauerstoffs zu kommen und zu erkennen, dass der reagierende Sauerstoff aus der Luft die beobachtete Massenzunahme bewirkt und Eisenoxid gebildet wird. In einem nächsten Experiment ist dann allerdings zu zeigen, dass ein abgeschlossenes Reagenzglas, in dem Eisenwolle und Sauerstoff zusammen gewogen und zur Reaktion gebracht werden, dieselbe Masse vor und nach der Reaktion zeigt, dass bei chemischen Reaktionen das Gesetz von der Erhaltung der Masse gilt. Dementsprechend ist dieses Schulexperiment sowohl in Form verschiedener Alternativen durchführbar als auch ganz verschieden auswertbar je nach pädagogischer Zielsetzung durch die Lehrperson, je nach Fähigkeiten und Fertigkeiten aufseiten der Schüler und Schülerinnen. Einige Wege sind in Abb. 3 skizziert. Auf dem Weg 1 wird der Versuch wie beschrieben durchgeführt und von den Lernenden beobachtet: Wahrscheinlich wird mit Erstaunen festgestellt, dass das schwarze Verbrennungsprodukt schwerer ist als die Eisenwolle zuvor. Im Hinblick auf die Auswertung dieser Massenzunahme muss der Lehrer oder die Lehrerin bereits entscheiden: Sollen die Lernenden selbst die Rolle des zutretenden Sauerstoffs finden, oder nennt die Lehrperson den Sauerstoff als Reaktionspartner? Sollen sie das Reaktionssymbol in Worten erarbeiten, oder werden vereinfachte Element- und Verbindungssymbole eingeführt? Wird für die Angabe des Energieumsatzes im Reaktionsschema + Wärme geschrieben oder abgetrennt durch ein Semikolon exotherm oder H < 0 verwendet? Zeigt oder zeichnet man Strukturmodelle für die Umgruppierung von Fe- und O-Atomen? Oder lässt man sie gar von den Schülern selbst bauen? Formuliert man auf der Grundlage solcher Strukturvorstellungen ein Reaktionssymbol als verkürztes Modell, oder belässt man es bei der Strukturdarstellung?

16 XVIII Einführung in das Tortenschema zur Chemiedidaktik Eisenwolle am Eisenwolle mit der Eisenwolle im Phlogiston-Theorie Waagebalken Digitalwaage Balkenwaage Vorversuch referieren, erhitzen auswiegen, von der Waage nehmen, erhitzen erhitzen Eisenwolle erhitzen beobachten Schüler voraussagen lassen, Schülervorstellungen diskutieren, auswerten ob sich die Masse geändert hat Massenvergleich durch Schüler vorschlagen lassen (1) (2) (3) (4) (5) erneut wiegen, Massenvergleich durchführen und auswerten Lavoisierbeobachten, als Entdeckung auswerten, Demonstration oder Schülerexperiment referieren, Massenvergleich durchführen Strukturmodelle der Chemische Symbole formulieren, entweder mit Hilfe oder ohne Hilfe von Strukturvorstellungen Stoffe vor und nach der Reaktion diskutieren, Eisen (s, grau) + Sauerstoff (g) Eisenoxid (s, schwarz); exotherm beispielsweise Kugelschichten in der Ebene, Kugelpackungen im Raum, räumliche Gittermodelle, Folien mit Modellzeichnungen, Fe + O FeO; H 0 Buchabbildungen, etc. 3 Fe + 2 O 2 Fe 3 O 4 ; H f = 267 kj/mol Abb. 3 Chemiedidaktische Alternativen am Beispiel der Durchführung und Auswertung des Experiments Eisenwolle am Waagbalken

17 Einführung in das Tortenschema zur Chemiedidaktik XIX Verwendet man für erste Reaktionssymbole gedanklich das Atomsymbol für O- Atome oder sachgemäß die Symbole für O 2 -Moleküle? Nimmt man zunächst das Symbol FeO für Eisenoxid? Will man das bekannte rote Eisenoxid als Fe 2 O 3 ins Spiel bringen und vom schwarzen Eisenoxid Hammerschlag abgrenzen, das dem Symbol Fe 3 O 4 entspricht? Dieselben Fragen zur Auswertung stellen sich auch bei den Wegen 2, 3, 4 und 5. Ein anderer Weg 2 sieht die Auswaage des Eisenwollebauschs vor entweder mit einer Digitalwaage oder einer Balkenwaage. Nach dem Entzünden fordert der Lehrer allerdings die Schüler zu der Vorhersage auf, ob das schwarze Produkt leichter, schwerer oder gleich schwer ist. Er lässt sie somit eigene Hypothesen aufstellen und Lösungen entwickeln, an denen sie selbst beteiligt sind. Dieses problemorientierte Vorgehen hat den großen lernpsychologischen Vorteil, dass das Experiment zur eigenen Problematik des Schülers wird und damit die Motivation viel größer ist, über Lösungen nachzudenken. Viele Schüler bringen ursprüngliche Vorstellungen vom Verbrennungsvorgang aus der Lebenswelt mit, werden wahrscheinlich ein Leichterwerden voraussagen und überrascht sein, dass das Produkt schwerer ist als der Bausch vorher. Auf einem Weg 3 wird die Problematik noch offener vorgestellt. Die Lehrperson lässt die Schüler über ihre Erfahrungen mit der Verbrennung diskutieren und stellt die Verbrennung der Eisenwolle mit einem kurzen Vorversuch in diesen Zusammenhang. Die Schüler äußern je nach Fähigkeit und Gewohnheit in ihrem Unterricht ihre Vorstellungen dazu und schlagen ggf. von sich aus die Untersuchung des Massenvergleichs vor. Die Lehrperson führt Massenvergleiche als Demonstrationsexperimente durch und wertet sie wie beschrieben aus. Sie kann allerdings auf dem Weg 4 die Schüler auffordern, selbstständig ein solches Experiment als Schülerexperiment zu planen und durchzuführen. Die Schülergruppen erhalten je nach eigenen Ideen und experimentellen Fertigkeiten verschiedenes Experimentiergerät und realisieren unterschiedliche Lösungen des Problems. Zu den Vorteilen der Problemorientierung kommen die Vorteile der Handlungsorientierung hinzu ein weiteres wichtiges fachdidaktisches Kriterium. Die Lehrperson kann auf einem ganz anderen Weg 5 das Thema aber auch historisch orientiert eröffnen. Sie befragt die Schüler nach ihren Vorstellungen vom Verbrennungsvorgang und erwartet, dass das Argument durch die Schüler und Schülerinnen kommt: Aus dem Brennstoff geht etwas in die Luft. Sie berichtet, dass dieselbe Auffassung vor einigen Jahrhunderten auch von Wissenschaftlern vertreten wurde, die dieses Etwas Phlogiston nannten. Die Lehrperson kann die Phlogistontheorie von Stahl und die Widerlegung der Theorie durch Lavoisier selbst referieren oder Schülern die Referate vorschlagen. Bei Diskussionen um Experimente zur Oxidation von Quecksilber und zur Reduktion von Quecksilberoxid, wie sie bei Lavoisier im Vordergrund standen, kann die Eisenwolle-Sauerstoff- Reaktion ins Blickfeld gerückt werden.

18 XX Einführung in das Tortenschema zur Chemiedidaktik Fazit Entscheidungen bezüglich dieser großen Zahl von Experimentier- und Auswertungsalternativen eines einzigen Sachverhalts können von Lehrern und Lehrerinnen leichter getroffen und begründet werden, wenn diese oder ähnliche Situationen aus der fachdidaktischen Ausbildung her bekannt sind. Gerade im Chemie-Anfangsunterricht der Sekundarstufe I sind fachdidaktische Entscheidungen in Hülle und Fülle zu treffen, um optimale Lernerfolge zu erzielen: Deshalb beziehen sich die folgenden chemiedidaktischen Reflexionen auf den grundlegenden Unterricht des Fachs Chemie. Dieser Unterricht beginnt je nach Bundesland an öffentlichen Schulen in den Klassenstufen 7 oder 8 und endet mit den Klassenstufen 9 oder 10, ehe danach Grund- oder Leistungskurse im Fach Chemie zu spezifischen Themen der Sekundarstufe II einsetzen. Für diese grundlegenden Reflexionen wird eine gründliche fachwissenschaftliche Ausbildung vorausgesetzt, die so weit erfolgt sein muss, dass vertiefte Kenntnisse und ein gutes Verständnis der wichtigsten Inhalte für den Chemieunterricht der Sekundarstufe I vorhanden sind. Eine mögliche Auflistung solcher fachwissenschaftlichen Inhalte enthält die Publikation der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh): Denkschrift zur Lehrerbildung für den Chemieunterricht in den Altersstufen der Zehn- bis Fünfzehnjährigen [15]. Dieselbe Denkschrift [15] schlägt auch einen Weg der chemiedidaktischen Ausbildung vor: Die den Zielen einer fachdidaktischen Ausbildung von Chemielehrerinnen und Chemielehrern zugeordneten Inhalte sind so mannigfaltig, dass sie auch bei einem günstigen Anteil der Fachdidaktik am Gesamtstudienvolumen nicht alle in angemessenem Umfang zu behandeln sind. Aus diesem Grunde wird eine Auswahl wichtiger Themenbereiche durchgeführt, die jeweils vornehmlich einem von vier Schwerpunktgebieten zugeordnet sind: den Lernenden, den Vermittlungsprozessen, fachlichen Schwerpunkten und gesellschaftlichen Bezugsfeldern. Die entsprechenden vier Reflexionsebenen finden sich in der Abb. 4 in Form der konzentrischen Kreise wieder. Damit bietet sich an, jeden Themenbereich in die genannten vier Abschnitte zu gliedern: Steht im Mittelpunkt jeder fachdidaktischen Überlegung der Lernende, so spannt sich der Bogen zu den gesellschaftlichen Bezugsfeldern, die auf den Lernenden als Individuum und als Glied einer Gemeinschaft einwirken. Die fachlichen Schwerpunkte der Inhalte werden durch Vermittlungsprozesse dem Lernenden nahe gebracht. Angesichts der engen Verflechtungen fachdidaktischer Fragestellungen und inhaltlicher Bezüge untereinander sind für jeden einzelnen Themenbereich Lernende, Vermittlungsformen, fachliche Schwerpunkte und gesellschaftliche Bezugsfelder nicht starr zugeordnet. Vielmehr sind die Ausschnitte innerhalb der konzentrischen Kreise weitgehend gegeneinander austauschbar, so dass durch die mögliche wechselweise Zuordnung der Inhalte die konzentrischen Ringe auch als rotierende Ringe verstanden werden können. [15]

19 Einführung in das Tortenschema zur Chemiedidaktik XXI Schülervorstellungen Unterrichtsziele Motivation Medien prozesse Lernende Fachsprache, Symbole Modelle, Modellvorstellungen Alltag und Chemie Experimente Abb. 4 Auswahl von Reflexionsebenen und Themen in Form eines Tortenschemas [15] Das Tortenschema in Abb. 4 stellt exemplarisch acht Themenbereiche dar, die zur besonderen chemiedidaktischen Reflexion geeignet sind: die klassischen Themen wie Experimente, Modelle und Modellvorstellungen, Fachsprache und Symbole, die durch die Schraffur in besonderem Maße der Ebene Fachliche Schwerpunkte zugeordnet sind. Moderne Felder der Fachdidaktik sind Schülervorstellungen (der Ebene Lernende zugeordnet) sowie Alltag und Chemie (der Ebene Gesellschaftliche Bezugsfelder zugeordnet). Die zu Vermittlungsprozessen passenden Reflexionsthemen sind schließlich Unterrichtsziele, Motivation und Medien. Das Schema enthält bewusst leere Segmente ohne eine Themenbezeichnung: Sie sollen deutlich machen, dass es viele weitere Themen zur chemiedidaktischen Reflexion gibt, die in das Schema aufgenommen werden können. Die Thematik Schülervorstellungen soll am Anfang stehen, weil es ursprüngliche Vorstellungen der Schüler und Schülerinnen zu Stoffen und Reaktionen gibt, die aus ihren Alltags- und Lebenserfahrungen resultieren und bereits lange vorhanden sind, ehe ihr Chemieunterricht einsetzt. Die Ausführungen dieses Lehrbuchs werden in vielfältiger Weise durch weitere, bereits vor dieser Auflage erschienene Chemiedidaktik-Lehrwerke ergänzt [16-26]: Das Studium der Chemiedidaktik erscheint für Studierende unendlich und unfassbar sie müssen selbst entscheiden, welchem Grundwissen und welcher Argumentation sie sich anschließen!

20 XXII Einführung in das Tortenschema zur Chemiedidaktik Literatur [1] Itelson, L.: Mathematische und kybernetische Methoden in der Pädagogik. Berlin 1967 [2] Roth, L.: Handlexikon zur Erziehungswissenschaft. München 1976 [3] Klafki, W.: Didaktische Analyse als Kern der Unterrichtsvorbereitung. Hannover 1969 [4] Heimann, P., Otto, G., Schulz, W.: Unterricht - Analyse und Planung. Hannover 1970 [5] Cube, F.: Kybernetische Grundlagen des Lernens und Lehrens. Stuttgart 1968 [6] Winkel, R.: Die kritisch-kommunikative Didaktik. West.Päd.Beitr. 1 (1980), 202 [7] Blankertz, B.: Theorien und Modelle der Didaktik. München 1973 [8] Ruprecht, H.: Modelle grundlegender didaktischer Theorien. Hannover 1972 [9] Aschersleben, K.: Didaktik. Stuttgart 1983 [10] Jank, W., Meyer, H.: Didaktische Modelle. Frankfurt 1991 [11] Vossen, H.: Kompendium Didaktik der Chemie. München 1979 [12] Riedel, W., Trommer, G.: Didaktik der Ökologie. Köln 1981 [13] Hammer, H.O.: Fachdidaktik der Chemie an der Hochschule. CU 12 (1981), 5 [14] Scheible, A.: Gedanken zum Einführungsunterricht in die Chemie. MNU 19 (1966), 1 [15] Barke, H.-D., Bitterling, D., Gramm, A., Hammer, H.O., Hermanns, R., Leibold, R., Lindemann, H., Wambach, H.: Denkschrift zur Lehrerbildung für den Chemieunterricht in den Altersstufen der Zehn- bis Fünfzehnjährigen. Frankfurt 1983 (GDCh) [16] Schmidt, H.J.: Fachdidaktische Grundlagen des Chemieunterrichts. Braunschweig/Wiesbaden 1981 (Vieweg) [17] Christen, H.R.: Chemieunterricht. Eine praxisorientierte Didaktik. Basel/Boston/Berlin 1990 (Birkhäuser) [18] Becker, H.J., Glöckner, W., Hoffmann, F., Jüngel, G.: Fachdidaktik Chemie. Köln 1992 (Aulis) [19] Pfeifer, P., Häusler, K., Lutz, B.: Konkrete Fachdidaktik Chemie. München 1992 (Oldenbourg) [20] Lindemann, H.: Einführung in die Didaktik der Chemie. Düsseldorf 1999 (Staccato) [21] Harsch, G., Heimann, R.: Didaktik der Organischen Chemie nach dem PIN-Konzept. Braunschweig 1998 (Vieweg) [22] Barke, H.-D., Harsch, G.: Chemiedidaktik Heute. Lernprozesse in Theorie und Praxis. Berlin, Heidelberg 2001 (Springer) [23] Heimann, R.: Das Experiment Ein Instrument zur Förderung des selbständigen Denkens. In.: Rossa, E.: Chemie Didaktik ein Praxisbuch für die Sekundarstufe I Berlin 2005 (Scriptor) [24] Rossa, E.: Chemie Didaktik ein Praxisbuch für die Sekundarstufe I Berlin 2005 (Scriptor) [25] Barke, H.-D.: Chemiedidaktik Diagnose und Korrektur von Schülervorstellungen. Berlin, Heidelberg 2006 (Springer) [26] Harsch, G., Heimann, R., Benmokhtar, S, Wagner, A.: Das START-Konzept Teilchenmodelle und Formelsprache im Chemieanfangsunterricht. Hallbergmoos 2014 (Aulis)