H.-D.Barke G. Harsch Chemiedidaktik Heute

Transkript

1 H.-D.Barke G. Harsch Chemiedidaktik Heute

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 H.-D. Barke G. Harsch Chemiedidaktik Heute Lernprozesse in Theorie und Praxis Mit 236 Abbildungen und 19 Farbtafeln, davon 12 3D, Springer

4 Prof. Dr. Hans-Dieter Barke Westfalisehe Wilhelms-Universität Münster FB ll, Institut für Didaktik der Chemie Fliednerstraße Münster Prof. Dr. Günther Harsch WestfaJjsche WilheJms-Universität Münster FB 12, Institut für Didaktik der Chemie Fliednerstraße Münster Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitnufnahme Barke, Hans-Dieter: Chemiedidaktik heute : LernprousSt in Theorie und Praxis/ Hans-Diettr Barke; Günther Harsch. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer, Wal ISBN ISBN (ebook) DOI / Dieses Werk isi urheberr«htlich geschüt~t. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der übersetzung,des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von "'bbildungen und Tabellen,der Funksendung, der M i kroverfilfmung oder der VervielDltigung auf ande~n Wegen und du Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine VervielDhigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im EinzelfaU nur in den Grenzen du gesetzlichen Bestimmungen des Ur heberrechtsgesetus der Bundesrepublik )}f,utschland vom 9. September 1965 in der jeweils gehenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimungen des Urheberrechtsgeseaes. hllp:/lwww.springer.de CI Springer-Verlag Berlin HeideJberg 2001 Originally published by Springer_Verlag Ekrlin Heiddberg New York in 2001 Softcover reprint ofthe hardcover 1st edi tion 2001 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnameo, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere K e nn~eichnung nicht zu der "'nnahme,dass sokhe Namen im Sinne duwaren~ e khen und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betuchten wären und daher von jeder man n benuul werden durften.sollte in diesem Werk direkt oder indirekt aufgesetzt, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. Oll<, VDI, VD~) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein,so kann der Verlag keine Gtwähr für Richtigkeit. Voll ständigkeit oder "'ktualität übernehmen. Es empfiehlt sich,gegebenenfalls für die eigenen "'rbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gühigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestahung: design & production, Heidelberg Salz: D... S.-Buro, Zülpich Gedruckt auf siurefreiem Papier SPIN: /3111 M

5 Vorwort Fachsprache, Symbole Schulervorstellungen " Endlich mal eine Vorlesung, fur die sich das Aufstehen lohnt!" -.Anschauliche Darstellungen gespickt mit einer grollen Menge praxisnaher Anwendungsbeispiele fiir die Schulchemic!" - " Die Didaktik wird hier didakt isch gut aufbereitet" - " Endlich mal ein Didaktik-Seminar, wo man was gelernt hat" -.Es war gut, dass gleich in der ersten Sitzung ein klares Konzept iiber den weite ren Verlauf geboten wurde (Tortens chema)". Solche und ahnliche AuBerungen von Lehramtsstudierenden sind dem studentischen AStA-Heft zur Evaluation der Lehre im Fachbereich Chemie und Phannazie der Universitat Munster zu entnehmen - sie haben uns ennutigt, das vorliegende Buch zu schreiben. Es baut auf langjahrigen Erfahrungen im Chemieunterricht und in der universitaren Vermittlung chemiedidaktischer Inhalte auf und bietet Leh ramtsstudierenden und Studienreferendaren der Chemie ein breites Oberblickswissen in wichtigen Bereichen der Schulchemie an. Wir hoffen, dass auch viele Chemielehrerinnen und Lehrer an Schulen, sowie Kolleginnen und Kollegen anderer Universitaten und Hochschulen diesen Uberblick akzeptieren und verwenden konn en.

6 VI Vorwort Es ist nicht einfach, Inhalte der Chemiedidaktik iibersichtlich anzuordnen: Themen wie Unterrichtsziele, Schiilervorstellungen, Motivation. Medien, Experimente, Modelle, Fachsprach e und Symbole oder Chemie im Alltag sind vielfaltig miteinander verflochten und bauen nicht linear aufeinander auf. In unseren Vorlesungen und Scminaren hat sich als Organisationsstruktur ein Tortenschema (vgl. Bild) bewahrt. Zu jeder Thematik werden Frag en und Probl eme auf bestimmtcn Reflexionsebenen diskutiert: Lernende,fachli che Schwe rpunkte, Vermittlungsprozesse, gesellschaftliche BezugsJelder. Die gemaf dem Tortenschema zu den einzelnen Themen ausgeftihrtcn fachdidaktischen Analysen, Reflexionen und Empfehlungen weisen immer auch viele Beispiele aus der Unterrichtspraxis auf. Mit dieser Art der Gliederung soli deutlich werden, dass keine bestimmte Reihenfolge der Themen festliegt und weitere Themen in das Tortenschema passen. So ist gewahrleistet, dass Kollegen und Kolleginnen, die ihre Studierenden ebenfalls auf dieser Grundlage ausbilden wollen, ihre eigenen Vorstellungen mit den hier vorgcschlagenen Inhalten verkniipfen konnen. Der erste Tei! des Buches (Kap. 1-8) stellt mit den acht grundlegenden Themen zur Chemiedidaktik (vgl..t ortenstucke'' im Bild) die Oberblicksvorlesung dar. Am Ende einer jeden Thematik werden Ubungsaufga ben angcboten : Lehrende konn en mit ihnen das Seminar beginnen oder abschlie13en, Studi erende konnen priifen, inwieweit sie Inhalte erfolgr eich verarbeitet haben. Des Weiteren sind Vorschriften zu den Experimenten enthalten, die wahrend der Vorlesung demonstriert werden, urn ang esprochene Beispiele aus dem Chemieunterricht zu konkretisieren. Fiir erfahrene Exp erimentatoren sind die Vorsc hrifte n au sreichcnd und es kann direkt auf die ser Grundlage experimentiert werden. Leser mit geringen Vorkenntnissen so llten die Spezialliteratur zur exp erimente lien Schulchemie konsultieren und auch die Sic herhe itsbes timmungen studieren - vorlicgende Vorschriften enthalten nur kurze Sicherheits- und Entsorgungshinweise fur problemati sche Substanzen (vgl. Ausfiihrungen in Kap. 5). In einem Begleitpraktikum zur Vorle sung bieten wir unseren Studi erenden die Moglichkeit an, einen gro13en Teil der vorges chlage ncn Experim cnte auch se lbst durchzuftihren. Da sie die Versuchc in der Vorl esung kenn en gcl emt haben, sind sie erfahrungsgemii13 in der Lage, sic selbststandig um zusetzen und Variationen auszuprobieren. 1m zweiten Tei! des Buches (Kap. 9-18) sollen zehn Seminarthemen die Inhalte der Vorlesung vertiefen und erganzen: Die Zuordnung der Seminarthemen zu den acht Grundfragen ist der tabellarischen Obersicht am Ende des Kapitels 8 zu entnehm en. Es werden sehr unterschiedliche Themen vorgeschl agen: Schiilervorstellungen zum Teilchenkonzept, Raumvorstellung und Training dieser Fahigkeit mit Hilfe von Kugelpackungen und Stereobildern ("Rot-Griin-Brille" liegt bei ), Simulationssp iele zur Veranschauli chung stati stischermodelle, sowie ausgewahlte Beispi ele aus der Geschichte der Chemie. Diese Themen konnen je nach Schwerpunkten der Dozentinnen und Dozenten oder nach Wiinsch en der Studierenden in beli ebi ger Re ihenfolge bearbeitet werden. Es ist auch moglich und wiinschenswert, diese Th emen durch Referate der Studierenden und begleitend e Diskussionen erarbe iten zu lassen.

7 Vorwort VII Das Tortenschema haben wir der..denkschrift zur Lehrerbildungfiir den Chemieunterricht in den Alterstufen der Zehn- bis Fiinfzehnjdhrigen " entnommen, die von Hans-Dieter Barke, Dietmar Bitterling, Altfried Gramm, Hans Otto Hammer, Renate Hermanns, Raimund Leibold, Helmut Lind emann und Heinz Wambach Anfang der achtziger Jahre erarbeitet wurde. Auf die Vorarbeiten dieser Kollegin und der genannten Kollegen bauen wir gem auf- und sagen vielen Dank. Ebenso herzlich danken wir der Gesell schaft Deutscher Chemiker (GDCh), die diese Denkschrift im Jahre 1983 herausgegeben und allen lnteressierten kostenlos zur Verfiigung gestellt hat: Auf diesem Wege sind vielen Lesern der GDCh Denkschrift die Grundgedanken des Tortenschemas bereits vertraut. Wir danken auch Dr. Angelika Schulz fiir die vorziiglichc redaktionelle Betreuung und Heidi Zimmermann fiir die sorgfaltige Bearbeitung der Grafiken sowie Privatdozentin Dr. Rebekka Heimann und Lehrerin Hilde Wirbs fiir die Durchsicht der Manuskripte und fur zahlreiche wertvolle Hinweise. Falls Sie als Leser uns Ihre Verbesserungsvorschlage, Kritik oder Erganzung zusenden, wiird en wir sie sehr gem bei der Neubearbeitung des Buche s beriick sichtigen. Des Weiteren rnochten wir anregen, dass rnoglichst viele Kolleginnen und Kollegen eig ene.tortenstucke" oder vertiefende Kapitel zur Chem iedidaktik verfassen. Bei hinreichender Resonanz konnten diese in einem zweiten Band veroffentlicht werden, urn die Chemiedidaktik nach und nach in ihrer ganzen Breite und Tiefe zu reprasentieren. Wir wiinschen Mul3e und Spaf bei der Lektiire von "Chemiedidaktik hcutc " und.lcmprozessen in Theorie und Praxis". Reflexionen dieser Lernprozesse werden allerdings weitere Fragen an die Chemiedidaktik in Theorie und Praxis aufwerfen - das Geb aude der Chemi edidaktik wird niemals vollstandig und endgultig sein! Munster im Jahre 200 I Korrespondenzadre sse: Hans-Dieter Barke, Gunther Harsch Prof. Dr. Hans-Dieter Barke, Prof. Dr. Gunther Harsch Westfalische Wilhclms-Universitat Munster, FB 12, Institut fiir Didaktik der Chemie Fliedn erstr. 21, Munster

8 Inhaltsverzeichnis Einfuhrung in das "Tortenschema" zur Chemiedidaktik Schulervorstellungen Fachliche Schwerpunkte - Theorien aus der Geschichte der Naturwissenschaften Lernende - Emp irische Hinweise auf Schiilervorstellungen Vermittlungsprozesse - Berucksichtigung der Schillervorstellungen Gesellschaftliche Bezugsfelder - Schtilervorstellungen und Umgangssprache 24 Literatur 24 Ubungsaufgaben zu,,1 Schulervorstellungen" 25 Experimente zu,,1 Schulervorstellungen" 26 2 Motivation Lernende - Entwicklungsstand, Einstellungen und ursprimgliche Vorstellungen Vermittlungsprozesse - Mogl ichkeiten zum Autbau sachbezogener Motivation Fachliche Schwerpunkte - experiment elle Fertigkeiten Gesellschaftliche Bezugsfelder - Motivation durch Alltagssprache und Medien 45 Literatur 47 Ubungsautgaben zu,,2 Motivation".47 Experimente zu,,2 Motivation" 48

9 X Inhallsverzeichnis 3 Unterrichtsziele 55 Allgemeindidaktische Einfiihrung Gesellsc ha ftlic he Bezugsfeld er - Richtlinien und Lehrpliine Lcmcnde _. kogni tive Entwicklung, Prakonzepte, Einste llungcn, Interessen Fachlic he Schwerpunkte - Chemieunterricht als Spiralcurriculum Ve rmi ttlungsprozcsse Met ho denvielfalt zu r Realisicrun g von Untcrrichtszielen 72 Literatur 77 Ubungsaufga ben zu,,3 Unterrichtszicle" 78 Sche ma fiir eincn Unterrichtse ntwurf (Vo rsc hlag) 78 4 Medien Vermittlungsprozesse - Vielfalt der Medien fiir den Chemieunterr icht Fac hliche Schwerpunkte - sachliche Angemessenheit von Medi en Lernende Medi cn und Abs traktions fahigkeit Gese llschaft liche Bczugsfeldc r Masscnmcdi cn 95 Literatur 96 Ubungsautgabe n zu,,4 Medien" 97 Experimente zu,,4 Me die n" 97 5 Experimente Fachliche Sc hwerpunkte - Experi ment, Experime ntie rta higkeiten, Sicher heit Vcrmitt1ungsprozcssc Funktionen, Auswahlkritericn und Formen des Experime nts III 5.3 Lcm cndc Spicl tricb und Nc ugicrvcrhalten, cxpcrimc ntcllc Fcrtigkc itcn Ges ellschafr liche Bezu gsfelder - Urnwelt- und Alltagsbeziige, historisch e Entwicklunge n I 19 Litcratur 121 Ubungs au fgabe n zu,,5 Experimente" 121 Praktikum zu,,5 Ex perimente" 122 Expcrimentc zu Alk alimctall cn Modelle, Modellvorstellungen Fachliche Schwe rpunkte - Modelle und deren Funktio nen I Mo dellbeg riff und Erkcnn tnis in dcn Naturwisscnschaftcn De nkmode lle in der Chem ic Ansc ha uungs modellc in dcr Chemic 142

10 Inha llsverzeichnis XI 6.2 Vermittlungsprozesse - Modelle und deren fachdidakti sche Funktionen Verm ittlung chemischcr Sachverhaltc durch Modellvorstellungen Anpassung lind Erwciterung von Modellen im Chemieunterricht Weitere Funktionen von Modellen lind Modellvorstellungen Lemcndc Erfahrungen mit Modellen Gesellschaftlichc Bezugsfelder - interdisziplinare Modellvorstellungen 154 Literatur 155 Obungsaufgaben zu,,6 Modelle lind Modellvorstellungen" 155 Praktikum: Strukturcn der Metalle und Salzc 157 Losungen lind Zcichnungcn zu dcn Aufgaben Fachsprache und Symbole Fachliche Schwcrpunktc... Begriffe, Symbole, GroBcn, Einhcitcn Systeme Internationale und abgeleitetc Einheiten Schulrelevante Grollen und Einh eiten Schulrclcvantc Fachbegriffe Vcrmittlungsprozcssc - Alltagssprache ~ Fachsprache ~ Syrnbolsprache Verkniipfung von Alltagssprachc und Fachsprache Die chemisc he Syrnbolsprache Ableitung crster chemischer Symbole irn Unterricht Lernende - Schiilervorstellungen zu Strukturen und Symbolen ] Gcsellschafilichc Bezugsfelder Wie weit versteht der Laie die Fachsprache? 187 Literatur 188 Ubungsaufgaben zli,,7 Fachsprache lind Syrnbole" Alltag und Chemie ] Lernende Neugicr und Interesse Fachliche Schwerpunkte... Fachsystematik versus Alltagschemie Vermittlungsprozesse - Fachsystematik plus Alltagschemic Gesellschaftliche Bczugsfeldcr Rollenspiclc und Umweltbildung 211 Literatur 215 Ubungsaufgaben zu,,8 Alltag lind Chemic" 2 16 Expcrimente zu,,8 Alltag und Chernie " 216

11 XII Inhaltsverzeichnis 9 Der "Horror vacui" in den Vorstellungen zum Teilchenkonzept st das Vakuum wirklich leer'? Vorstellungen aus vergangenen Jahrhunderten Horror-va cui-ahnliche Vorstellungen bei Schiilem Foigerungen fiir den Unterricht., 240 Literatur 245 Experimcnte zu,,9 Horror vacui' Raumvorstellung zur Struktur von Teilchenverbanden R aurnvorstellung" als Faktor del' Intelligcnz Eigene Untersuchungsergebni sse Del' Raumvorstellungstest (RVT) RVT-Untersuchungen im Raum Miinster RVT-Leistungen von Jugendlichen aus Deutschland und Athiopien 269 Literatur 274 Anhang Runge: Bilder, die sich seiber malen, als Motivationshilfen fur den Chemieunterricht Runges Bilderb iicher Diskussion del' Quellcnmatcrialien im Unterricht Nachschaffung von Runge-Bildern mit heut igen Mitteln 304 Literatur Organische Chemie nach dem PIN-Konzept - phanomenorlentlert, integrativ und vernetzt Ordnen unbekannter Stoffc mit unbekannt cn Reagenzien Vernetzung del' Steffe durch Synthesebeziehungcn Untersuchung von Haush altsstoffen Entdeckung weiterer Synthesebeziehungen Del' Sprung aufdie Ebene del' Tei Ichen Anwendung del' Formeln ("Strllktur-Eigenschafts-Dcnken") Integration weiterer Steffe Untersuchung eines Naturstoffs Erarbeitung des Begriffs del' homologen Reihe Viele Wege fiihren zur Essigsaure Weitere assoziierbare Experimente und Konzepte Erfahrungen mit dem PIN-Konzept in del' Lchrcrausbildung 333

12 Inhaltsverzeichnis XIII Erfahrungen mit dem PIN-Konzept im Chemieunterricht del' Sekundarstufe II Beurteilung durch die Lehrer Beurteilung dureh die Schiller Vortestleistungen del' Schuler NachtestIeistungen del' SehiiIer Schluss 343 Literatur Konzeption des strukturorientierten Chemieunterrichts Chemische Strukturen in del' heutigen Chemie Chemisehe Strukturen als Grundlage zur Interpretation von Reaktionen Del' Ionenbegriffaufdel' Ebene des Daltonmodells Atome und lonen als Grundbauste ine der Materie Verkniipfung von Atomen und lonen zu Gillem und Molekiilen Verkniipfung von Metall-Atornen ("Iinks und links im PSE") Reaktionen del' Metalle.. Umgruppierung von Metall-Atomen Verknupfung von lonen ("Iinks und rechts im PSE") Reaktionen der Salze - Urngruppierung von lonen Verkniipfung von Nichtrnetall-Atomen ("l'echts und rechts im PSE") Reaktionen der Nichtmetalle. Umgruppierung von Molekulen Strukturvorstellungen im Spiralcurriculum Zum Teil chenmodcll in del' Prirnarstufe Zum Teilchenmodell im Anfangsunterricht Chemie (Klassenstufe 7 oder 8) Zum Daltonschen Atommodell im Chemieunterricht (Klassenstufe 8 oder 9) 380 Literatur Stereobilder zum Training des Raumvorstellungsvermogens Einftihrung Kristallstrukturen von Metallen und Legierungen Hexagonal dichteste Kugelpackung (Motiv 1) Kubisch dichteste Kugelpackung (Motiv 2) Kubis ch innenzcntrierte Kugelpackung (Motiv 3) Zusarnmenhang zwischen kubisch innenzcntriertcr und kubisch dichtester Kugelpackung (Motiv 4) Liickenverteilung in del' kubisch dichtesten Kugelpackung (Motiv 5) 391

13 XIV Inhaltsverzeichnis Liickenverteilung in der hexagonal dichtesten Kugelpackung (Motiv 6) GrOBeder Tctraederliicken in dichtesten Kugelpackungen (Motiv 7) GroBe der Oktacderliicken in dichtesten Kugelpackungen (Motiv 8) Kristallstrukturen von lonenverbindungen Natriumchlorid NaC1 cine kubisch dichteste Packung mit vollstandig besetzten Oktaederliicken (Motiv 9) Nickelarsenid NiAs - eine hexagonal dichteste Packung mit vollstandig besetztcn Oktaederliicken (Motiv 10) Cadmiumchlorid CdCl z... cine kubisch dichteste Packung mit zur Halfte besetzten Oktaederliicken (Motiv 11) Cadmiumiodid Cdl,.... eine hexagonal dichteste Packung mit zur Halfte besetzten Oktaederliicken (Motiv 12) Zinkblende ZnS - eine kubisch dichteste Packung mit zur Halfte besetzten Tetraedcrliicken (Motiv 13) Wurtzit ZnS... cine hexagonal dichtcste Packung mit zur Halite besetzten Tetraederlucken (Motiv 14) Perowskit CaTi0 3...cine kubisch dichteste Mischpackung mit ZlI cincm Viertel bcsetzten Oktacderliicken (Motiv 15) Spinell MgAIz04 cine kubisch dichtcste Packung mit zur Halfte besetzten Oktaederliicken und zu ein Achtel besetzten Tetraederlucken (Motiv 16) Kristallstrukturen mit kovalentcn Bindungen Selcn...eine hexagonale Packung eindimensional infiniter Molekiile (Motiv 17) 40 I Quarz cine hexagonale Raumnetzstruktur (Motiv 18) Graphit - eine hexagonale Packung zweidimensional infiniter Molekiile (Motiv 19) Diamant ein dreidimensional infinites Riesenmo1ckii1 mit kubischer Symmetric (Motiv 20) Von den Bravais-Gittem ZlI den Raumgruppen Die neun rcchtwinkligen Bravais-Gitter (Motiv 21) Symmetriegeriiste einiger rechtwinkliger Bravais-Gitter (Motiv 22) Ausfall potenzieller rechtwinkliger Bravais-Gitter (Motiv 23) 408 Literatur Simulationsspiele fur den Chemieunterricht Adsorptionschromatographie Verteilungsg1eichgewichte Kristallisation Entmischung Lichtabsorption 426

14 Inhaltsverzeichnis 15.6 Sedimentationsgleichgewichte und Energieverteilung Radioaktiver Zerfall Monomolekulare Reaktion Bimo lekulare Reaktion Folgereaktion Parallelreaktion Gleichgewichtsreaktion Katalyse und Autokatalyse Oszillierende Reaktionen Schluss 462 Literatur Max von Laue: Ein Experiment verifiziert zwei grobe Theorien Kristallgitterhypothesen von Kepler, Haiiy, Bravais und Sohncke Rontgen's Entdeckung einer "neuen Art von Strahlen" Laue's geniale Idee Zur Prufung von Hypothesen im Chem ieunterricht Das Prinzip der Ronrgen strukturanalyse im Chernieunterricht Experimente zur Interferenz von Laserstrahlen Experimente mit einem Schulrontgengerat.;.479 Literatur Watson und Crick: Nobelpreistrager spielen mit Modellen 485 Literatur Kekule: Benzol und die Geschichte der Struktursymbole Vorstellungen und Symbole vor dem Karlsruher Kongress Der Weg Kekules von der Typentheorie zur Strukturtheorie Chronologische Zusarnrnenfassung Chemiedidaktische Foigerungen fiir den Unterricht Literatur 529 Sachwortverzeichnis 531