Basiswissen Mathematischnaturwissenschaftliche

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1 Jennifer Dalhaus Basiswissen Mathematischnaturwissenschaftliche Erziehung für die sozialpädagogische Erstausbildung 1. Auflage Bestellnummer 04165

2 Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Produkt? Dann senden Sie eine an Autorin und Verlag freuen sich auf Ihre Rückmeldung. Bildungsverlag EINS GmbH Hansestraße 115, Köln ISBN Copyright 2011: Bildungsverlag EINS GmbH, Köln Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen.

3 3 Inhaltsverzeichnis 1 Mathematisch-naturwissenschaftliche Bildung in der frühen Kindheit Worum es in Mathematik und Naturwissenschaften geht Bedeutung mathematisch-naturwissenschaftlicher Bildung in der frühen Kindheit Aktuelle Situation Begründungen für naturwissenschaftliche und mathematische Früherziehung Entwicklungspsychologische Grundlagen: Wie denken Kinder? Ziele mathematischer und naturwissenschaftlicher Bildung im Elementarbereich Fachliche und methodische Ziele Ziele innerhalb eines ganzheitlichen Bildungskonzepts Mathe, Naturwissenschaften und Sprache Die Methoden der Naturwissenschaftler Umsetzung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Bildungsbereichs in der Kita Konzepte Begleitete Angebote Freispiel Projekte Organisation Räumlichkeiten Material Sicherheit Integration in den Kita-Alltag Formen, Körper und Muster Geometrische Grundformen Die dritte Dimension: Körper Muster und Reihenfolgen Mengen und Zahlen Mit Mengen umgehen Mengenlehre Mengen im Elementarbereich erfahrbar machen

4 Verknüpfung von Mengen und Zahlen Entwicklung der Zählkompetenz Bei großen Mengen hilft das Multiplizieren Mit Geld umgehen Zuordnungen Rechnen mit dem Dreisatz Prozentrechnung Kontoführung und Kalkulationen Die Welt der Stoffe Vom Aufbau der Stoffe Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen Teilchenmodell und Aggregatzustand Stoffe anhand ihrer Eigenschaften identifizieren Stoffe mit unseren Sinnen erkennen Magnetisch oder nicht magnetisch? Was schwimmt im Wasser, was geht unter? Löslichkeit in Wasser Stoffeigenschaften mithilfe des Aufbaus kleinster Teilchen erklären Stoffgemische trennen Luft und Gase Luft charakterisieren Atmung und Verbrennung Kohlenstoffdioxid herstellen Luft transportiert Töne Unter Spannung oder alles im Fluss? Die Elektrizität Was ist Strom? Exkurs: Was ist Energie? Strom erzeugen und speichern Anlagen Literaturverzeichnis Bildquellenverzeichnis Sachwortverzeichnis

5 5 Vorwort Für Laura, Mup und Gregory Gedanken ohne Inhalt sind leer, Anschauungen ohne Begriffe sind blind. Immanuel Kant Liebe angehende Kinderpflegerinnen und Kinderpfleger, dieses Lehrbuch wird Sie in Ihrer Ausbildung durch das Fach mathematisch-naturwissenschaftliche Früherziehung begleiten. Für Sie klingt es vermutlich ungewöhnlich, Mathe und Naturwissenschaften in einem Fach, in einem Lernbereich vereint zu haben. Wie passt das denn zusammen?, werden Sie sich fragen! Dabei passen diese beiden Wissenschaften sehr gut zueinander. Die Naturwissenschaften sind auf die Mathematik angewiesen, wenn es um genaue Beschreibungen und die Erfassung von Naturgesetzen geht. Andersherum ist die Natur voll von mathematischen Zusammenhängen. Die Mathematik besteht nicht um ihrer selbst willen, sondern ist auf die Beschreibung der Natur und ihrer Gesetze ausgerichtet: Die Mathematik wäre ohne die Naturwissenschaften ohne Inhalt, die Naturwissenschaften ohne die Mathematik ohne Form. In diesem Buch lernen Sie grundlegende Konzepte der Mathematik und der Naturwissenschaften kennen. Es steht jedoch nicht nur Ihr eigenes Lernen und damit die Weiterentwicklung Ihrer eigenen Konzepte im Vordergrund. Sie bereiten sich auf einen Beruf vor, der im Wesentlichen durch die Betreuung, Erziehung und Bildung von Kindern geprägt ist. Aus diesem Grund hat dieses Lehrwerk ebenso die mathematisch-naturwissenschaftliche Früherziehung und Bildung von Kindern zum Gegenstand. Sie werden sich also ständig zwischen zwei Ebenen bewegen: Ihrer eigenen Bildung und der Frage, wie Sie Bildungsprozesse bei Kindern anregen können. Folgende Anregungen zur Arbeit mit diesem Buch möchte ich Ihnen mit auf den Weg geben: Arbeiten Sie wenn möglich in kleinen Gruppen oder zu zweit. Auch Naturwissenschaftler arbeiten in den seltensten Fällen allein, sondern immer im Team, in dem jeder von den Ergebnissen des anderen lernen und profitieren kann. In diesem Sinne wünsche ich mir, dass auch Sie voneinander lernen und eine Menge Spaß dabei haben, Ihre neu gewonnenen Erkenntnisse auszutauschen. Sie werden häufig Wörter (Fachwörter oder auch Fremdwörter) finden, die Sie vielleicht nicht auf Anhieb verstehen. Daher ist es sehr nützlich, sich ein Vokabelheft anzuschaffen, in dem Sie all diese Wörter und ihre Bedeutungen notieren. Hierzu können Sie Lexika, Fachliteratur und auch das Internet verwenden.

6 6 Die drei angehenden Kinderpflegerinnen 1 Noah, Maya und Sonja werden Sie durch das Buch begleiten. Wie Sie stehen die drei vor vielen neuen Herausforderungen, die Sie gemeinsam bewältigen werden. Ich wünsche Ihnen viele spannende Erkenntnisse auf dem Weg durch dieses Buch! Jennifer Dalhaus 1 Da in der erzieherischen und sozialpädagogischen Ausbildung und Praxis der Frauenanteil überwiegt, verwenden wir in diesem Buch zur formalen Vereinfachung die weibliche Form.

7 97 6 Die Welt der Stoffe Aufgabe Betrachten Sie folgende Gegenstände: Schere, Kuli, Bleistift, Jeans. Aus welchen Materialien bestehen diese Gegenstände? A Derselbe Gegenstand bestehend aus unterschiedlichen Stoffen. Der Mensch ist von vielen Gegenständen umgeben. Er trinkt aus einer Tasse morgens den Kaffee, liest die Zeitung, sitzt am Tisch, verlässt durch die Haustür das Haus und fährt mit dem Auto ins Büro, wo er auf einem Stuhl am Computer arbeitet. Dieser sehr kleine Ausschnitt macht deutlich, mit wie vielen Dingen der Mensch täglich zu tun hat. Diese Gegenstände prägen unsere Lebenswirklichkeit und wir ordnen sie in der Regel nach ihrer Funktionalität. Zum Beispiel besteht die Funktion des Stuhls darin, auf diesem sitzen zu können. In der Regel fragen wir weniger danach, woraus diese Gegenstände bestehen. Gerade das ist jedoch ein wichtiges Thema der Naturwissenschaften: Sie interessieren sich nicht in erster Linie für die Gegenstände, sondern für die Stoffe, aus denen die Gegenstände gemacht sind. Die Tasse besteht aus Porzellan, die Zeitung aus Papier, die Haustür vielleicht aus Holz, Glas und Kunststoff. Die Materialien, aus denen die Gegenstände bestehen, werden in den Naturwissenschaften als Stoffe bezeichnet. Aus einem Stoff können verschiedene Gegenstände hergestellt werden. So wird Glas beispielsweise zu Flaschen, Fensterscheiben oder Kerzenhaltern verarbeitet. Aus Eisen lassen sich Schrauben, Scharniere oder Drähte herstellen. Joghurtbecher, Kabel, CD-Hüllen und Telefongehäuse bestehen aus Kunststoffen. Dieser Zugang zur stofflichen Welt, der nicht nach den Gegenständen fragt, muss völlig neu entwickelt werden, da die Wahrnehmung des Menschen auf Gegenstände und Dinge gerichtet ist, deren Nutzen im Vordergrund steht. Verschiedene Gegenstände, die alle aus demselben Stoff bestehen.

8 98 6 Die Welt der Stoffe Für die Begriffsbildung und Entwicklung des stofflichen Denkens bei Kindern im Elementarbereich bedeutet das, sie ausgehend von bekannten Gegenständen hinzuführen zu der Frage, woraus diese Stoffe bestehen. Auf diese Weise kann ein Verständnis angebahnt werden für den Sachverhalt, dass ein und derselbe Stoff viele verschiedene Erscheinungsformen haben kann (d. h. aus einem Stoff können verschiedene Gegenstände hergestellt werden), dass aber auch derselbe Gegenstand aus unterschiedlichen Stoffen bestehen kann. Die Bildung der Kategorien Gegenstand Stoff kann hier grundgelegt werden. Die Naturwissenschaften, besonders die Chemie, fragen nach der Beschaffenheit, nach den Eigenschaften von Stoffen. Welche Eigenschaften zeichnen einen Stoff aus, sodass er sich anhand dieser Eigenschaften von anderen Stoffen unterscheiden lässt? So, wie jeder Mensch seinen eigenen Charakter, seine eigene Persönlichkeit hat, die ihn unverwechselbar macht, so hat auch jeder Stoff bestimmte Eigenschaften, die ihn zu dem Stoff machen, der er ist. A Aufgaben 1. a. Suchen Sie nach Gegenständen im Haus und überlegen Sie, aus welchen Stoffen diese Gegenstände bestehen. b. Legen Sie die Gegenstände zusammen, die aus dem gleichen Stoff bestehen. 2. Beschreiben Sie Eigenschaften verschiedener Stoffe und finden Sie Kategorien für diese Eigenschaften (z. B. Zucker schmeckt süß Eigenschaft Geschmack). 3. Stellen Sie Gegenstände und Stoffe zusammen, die sich eignen könnten, um dieses Thema im Elementar- bzw. Grundschulbereich aufzugreifen. 6.1 Vom Aufbau der Stoffe A Aufgabe Zerteilen Sie einen Zuckerwürfel so, dass er nicht mehr weiter zerteilbar ist. Sie können einen Mörser zu Hilfe nehmen. Überlegen Sie, ob es eine Möglichkeit gibt, diese feinen Zuckerkristalle in noch kleinere Teilchen zu zerlegen Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen. Diese Teilchen sind so klein, dass man sie mit dem bloßen Auge nicht mehr sehen kann. Gibt man z. B. feinste Zuckerkristalle in Wasser, so sind diese nach dem Umrühren nicht mehr zu sehen. Die feinsten Zuckerkristalle werden im Wasser noch weiter zerteilt zu kleinsten Teilchen, die weder mit bloßem Auge noch unter dem Mikroskop sichtbar sind. Auch wenn ich beobachte, dass die Lösung klar wird, der Zucker also nicht mehr sichtbar ist, weiß ich, dass der Zucker noch vorhanden ist. Die Vorstellung von den kleinsten Teilchen ist notwendig, um viele naturwissenschaftliche Phänomene zu erklären.

9 6.1 Vom Aufbau der Stoffe 99 Beobachtungsebene Phänomenebene Makroskopischer/ mikroskopischer Bereich Ich beobachte Deutungsebene Modellebene Submiskroskopischer Bereich Ich stelle mir vor Stoffebene Teilchenebene (vgl. Habelitz-Tkotz, 2003, S. 238) Dem Teilchenmodell liegt die Annahme zugrunde, dass alle Stoffe aus kleinsten kugelförmigen Teilchen aufgebaut sind. Teilchen eines Stoffes sind untereinander gleich, Teilchen verschiedener Stoffe untereinander verschieden.! Mit dem Teilchenmodell kann man einige Eigenschaften von Stoffen erklären, z. B. die Aggregatzustände Teilchenmodell und Aggregatzustand Bei festen Stoffen sind die kleinsten Teilchen regelmäßig in geringen Abständen zueinander angeordnet. Will man Festkörper zerteilen, muss man Kraft, d. h. Energie aufwenden (vgl. S. 140), um die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen zu überwinden. Diese Energie kann z. B. in Form von Wärme zugeführt werden: Erwärmt man einen Feststoff, so geraten die kleinsten Teilchen in immer stärkere Schwingungen, bis bei einer bestimmten Temperatur der Teilchenverband getrennt wird. Der Abstand der Teilchen zueinander hat zugenommen, die Beweglichkeit der Teilchen ebenso. Der Stoff ist flüssig. gasförmig resublimieren sublimieren kondensieren schmelzen erstarren fest Aggregatzustände im Teilchenmodell verdampfen flüssig Bei weiterem Erwärmen nimmt die Geschwindigkeit der Teilchen zu. Sie werden zunächst durch den äußeren Druck, meist den Luftdruck, noch in der Flüssigkeit gehalten. Erst bei höherer Geschwindigkeit kann dieser äußere Druck überwunden werden, und die Teilchen verlassen die Flüssigkeit. Bei Gasen sind die Abstände zwischen den Teilchen wesentlich größer als bei Feststoffen und Flüssigkeiten. Es ist zu beachten, dass die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig nur einem Stoff, d. h. einer Stoffportion zukommen. Ein einzelnes Teilchen besitzt keinen Aggregatzustand.

10 100 6 Die Welt der Stoffe Aggregatzustand Kriterien Struktur der Teilchen Abstand zwischen den Teilchen Bewegung der Teilchen Anziehung zwischen den Teilchen fest regelmäßig angeordnet gering schwingen auf ihrem Platz sehr stark flüssig unregelmäßig angeordnet gering wechseln Plätze (gleiten) stark gasförmig ungeordnet groß sehr schnell, frei beweglich nicht vorhanden Experiment 1: Die Aggregatzustände von Wasser Material: Becherglas, Thermometer, Eiswürfel, Kochplatte Durchführung: Geben Sie zerstoßenes Eis/einen Eiswürfel in ein Becherglas und messen Sie die Temperatur. Beobachten Sie das Eis für einige Minuten und erhitzen Sie das geschmolzene Wasser bis zum Sieden. Bestimmen Sie den Siedepunkt des Wassers. Nehmen Sie ein Temperatur-Zeit-Diagramm auf. Erklären Sie den Übergang von Wasser in die verschiedenen Aggregatzustände mithilfe des Teilchenmodells. Erläutern Sie, welche Funktion die zugeführte Wärme hat. Stativ C Kochplatte Thermometer Eiswürfel Wasser Die Aggregatzustände von Wasser und deren Übergänge begegnen Kindern in vielen Situationen im Alltag. Eine Pfütze auf der Straße, die nach ein paar Stunden nicht mehr zu sehen ist, fordert eine Antwort auf die Frage, wo das Wasser geblieben ist. Der Verdunstungsprozess von Wasser (Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand) kann hier thematisiert werden. Mit einem kleinen Experiment kann man den Kindern verdeutlichen, was hier passiert: Man stellt ein Schälchen mit Wasser auf die Fensterbank, markiert die Füllhöhe des Wassers und beobachtet jeden Tag, ob sich im Schälchen etwas tut. Parallel dazu könnte ein Schälchen mit Wasser, das mit Frischhaltefolie abgedeckt ist, aufgestellt werden. Die Kinder können Vermutungen anstellen, was mit dem Inhalt beider Schälchen passieren wird. Die Tatsache, dass beim Schälchen mit Folie die Menge an Wasser nicht weniger wird und sich Wassertropfen an der Oberfläche der Folie sammeln, kann mit dem Kochen von Wasser in einem geschlossenen Kochtopf verglichen werden. Das Wasser verdampft, geht also in den gasförmigen Zustand über und kondensiert am Deckelrand, wird also dort wieder flüssig. Im Winter können Kinder auf beschlagene Fensterscheiben aufmerksam gemacht werden. Oder sie nehmen wahr, dass der See zufriert, und wenn sie genau schauen, dann erkennen

11 6.1 Vom Aufbau der Stoffe 101 sie, was beim Schlittschuhlaufen geschieht: Das gefrorene Wasser wird durch Druck und Reibung der Schlittschuhe flüssig; dies ermöglicht erst das Gleiten auf dem zugefrorenen See. Das Wasser bietet vielfältige Phänomene, denen man mit Kindern nachgehen kann. Weitere Eigenschaften von Wasser wie z. B. die Oberflächenspannung können erkundet werden. Man kann mit den Kindern Wasserberge bauen oder Heftzwecke auf dem Wasser schwimmen lassen. Die Kinder stellen fest, dass Wasser so etwas wie eine Haut hat. Es kann untersucht werden, was in Wasser schwimmt und was untergeht (vgl. Kapitel 6.2.3) und inwiefern Wasser ein Lösungsmittel für viele Stoffe ist (vgl. Kapitel 6.2.4). Aufgaben 1. Entwickeln Sie selbstständig mithilfe geeigneter Literatur Experimente zur Oberflächenspannung von Wasser. A 2. Erläutern Sie die Oberflächenspannung anhand des Teilchenmodells. Als Begleiter der Kinder haben wir die Aufgabe, Kinder auf die vielfältigen Phänomene aufmerksam zu machen bzw. die von den Kindern entdeckten Phänomene aufzugreifen und erfolgreich in einen Lernprozess einzubringen. Kinder haben viele Fragen an die Welt. Das Schlimmste, was ein Erwachsener tun kann, ist über diese Fragen hinwegzugehen und sie unbeantwortet im Raum stehen zu lassen, sei es, weil er selbst keine Antwort hat oder weil er meint, das Kind sei noch zu jung dafür. Projekt Nehmen Sie sich für das kommende Praktikum Folgendes vor: Konzentrieren Sie sich auf zwei bis drei Kinder und beobachten Sie diese im Hinblick auf das Wahrnehmen von naturwissenschaftlichen Phänomenen. Notieren Sie diese Situationen und eventuell Erklärungen, die das Kind selbst gibt. Überlegen Sie für mindestens drei Phänomene, welche naturwissenschaftlichen Angebote sich an dieses Phänomen anschließen könnten. Beobachten Sie auch sich selbst: Wie gehen Sie mit der Situation um? Welche Gefühle kommen in Ihnen auf, wenn ein Kind von Ihnen eine Antwort auf seine Frage erwartet, Sie aber die Antwort nicht wissen? Welche Möglichkeiten gibt es, mit solchen Situationen umzugehen? Bringen Sie Ihre Erfahrungen in den Unterricht ein und tauschen Sie sich aus. P

12 102 6 Die Welt der Stoffe 6.2 Stoffe anhand ihrer Eigenschaften identifizieren Stoffe mit unseren Sinnen erkennen Wie kann man die Eigenschaften von Stoffen bestimmen? Hierfür setzt der Mensch seine Sinne ein. Wie viele Sinne der Mensch hat, wird manchmal unterschiedlich angegeben. Klassischerweise werden fünf Sinne unterschieden, die auch wesentlich sind zur Bestimmung von Stoffeigenschaften: Sehen Hören Riechen Schmecken Tasten Visuelle Wahrnehmung Auditive Wahrnehmung Olfaktorische Wahrnehmung Gustatorische Wahrnehmung Haptische Wahrnehmung Darüber hinaus werden physiologisch noch weitere Sinne des Menschen wie Gleichgewichtssinn, Temperatur-, Körper- und Schmerzempfinden unterschieden. Diese sind jedoch zum Begreifen der Welt der Stoffe nicht notwendig. Viele Eigenschaften eines Stoffes lassen sich dank unserer Sinne wahrnehmen: Eigenschaft eines Stoffes Farbe: weiß, schwarz, gelb, farblos, Glanz: glänzend, matt,... Aggregatzustand: fest, flüssig, (gasförmig) Oberflächenbeschaffenheit: glatt, rau, porös, weich, hart,... Klang: dumpf, hohl, klirrend,... Geruch: blumenduftartig, ätherisch, beißend, faul,... Geschmack: süß, sauer, salzig, bitter, umami (herzhaft) Eingesetzter Sinn Sehen Sehen Sehen, Tasten Tasten Hören Riechen Schmecken P Projekt Planen Sie eine Freispielkiste zum Thema Stoffe erkennen mithilfe verschiedener Sinne. Überlegen Sie, welche Stoffe sich eignen, um diese ausschließlich mit Augen, Ohren, Zunge, Nase oder den Händen zu erkennen. Finden Sie geeignete Behältnisse, in denen die Stoffe präsentiert werden können. Vorschlag für verschiedene Stoffe: Sehen: Zucker, Kakaopulver, Erde, Reiskörner, Maiskörner Hören: Eisen (Schraube), Plastik (Joghurtbecher), Gummi (Flummi), Wolle, Glas (Murmel) Schmecken: Zucker, Chicorée, Zitronensaft, Salz (Vorsicht: nur wenige Salzkörnchen probieren!) Riechen: Essig, Eukalyptus, Lavendel, Vanille Tasten: Kugeln aus Holz, Metall, Styropor, Glas, Plastik (hier ist es wichtig, immer die gleiche Art von Gegenstand zu verwenden (Kugel), um die Aufmerksamkeit auf den Stoff und nicht auf den Gegenstand zu lenken)

13 6.2 Stoffe anhand ihrer Eigenschaften identifizieren 103 Folgende Fragen und Impulse können helfen, den Lernprozess bei den Kindern zu begleiten: Beschreibe, was du siehst, hörst, schmeckst,... Woran hast du erkannt, welcher Stoff das ist? Warum ist es so schwierig, am Klang herauszufinden, um welchen Stoff es sich handelt? Wie kann man leichter herausfinden, was für ein Stoff das ist? Auf welche Weise (mit welchem Sinnesorgan) war es am einfachsten, Stoffe zu erkennen? P Mithilfe der fünf Sinne lassen sich viele Stoffe voneinander unterscheiden, z. B. Eisen von Glas, Zucker von Kerzenwachs, Wasser von Orangensaft. Was aber, wenn sich zwei Stoffe so ähnlich sind, dass man sie auf Anhieb kaum voneinander unterscheiden kann? Zum Beispiel sehen sich Puderzucker und Gips so ähnlich, dass sie allein durch ihr Aussehen nicht voneinander unterschieden werden können. Man könnte sie schmecken, jedoch ist Gips ungesund für den Menschen, sodass diese Möglichkeit ausscheidet. Auch das Riechen, Tasten und Hören helfen in diesem Fall nicht weiter. Puderzucker und Gips: Welcher Stoff ist welcher? Hier sind Hilfsmittel und Messgeräte nötig, um weitere Eigenschaften zu bestimmen, die mit den fünf Sinnen auf Anhieb nicht wahrgenommen werden können. Aufgabe Überlegen Sie, wie man herausfinden könnte, bei welchem Stoff es sich um Puderzucker und bei welchem es sich um Gips handelt. Führen Sie Ihre Vorschläge durch. A Eigenschaft eines Stoffes Löslichkeit in Wasser Siedetemperatur Schmelztemperatur Dichte Magnetismus Elektrische Leitfähigkeit Härte Eingesetztes Hilfsmittel bzw. Messgerät Wasser Thermometer Thermometer Waage, Volumen Magnet Leitfähigkeitsprüfer Fingernagel, Glasscherbe, Stahlnagel Ein wichtiges Bildungsziel ist, dass Kinder Eigenschaften von Stoffen kennenlernen und Stoffe anhand dieser Eigenschaften charakterisieren und kategorisieren können (vgl. S. 28).