H.-D.Barke· G. Harsch

Chemiedidaktik Heute

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

H.-D. Barke • G. Harsch

Chemiedidaktik Heute Lernprozesse in Theorie und Praxis

Mit 236 Abbildungen und 19 Farbtafeln, davon 12 3D

, Springer

Prof. Dr. Hans-Dieter Barke Westfalisehe Wilhelms-Universität Münster FB ll, Institut für Didaktik der Chemie Fliednerstraße 21 48149 Münster e-mail: barke@uni-muensler.de

Prof. Dr. Günther Harsch WestfaJjsche WilheJms-Universität Münster FB 12, Institut für Didaktik der Chemie Fliednerstraße 21 48149 Münster e-mail: harsch@uni-muenster_de

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 978-3-642-62596-1 ISBN 978-3-642-56621-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-56621-9

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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

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Vorwort

Schuler­vorstellungen

Fachsprache,Symbole

"Endlich mal eine Vorlesung, fur die sich das Aufstehen lohnt!" - .Anschauliche Darstel­lungen gespickt mit einer grollen Menge praxisnaher Anwendungsbeispiele fiir die Schul­chemic!" - "Die Didakt ik 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 einklares 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 Phannazieder Universitat Munster zu entnehmen - sie haben uns ennutigt, das vorliegendeBuch zu schreiben. Es baut auf langjahrigen Erfahrungen im Chemieunterrichtund in der universitaren Vermittlung chemiedidaktischer Inhalte auf und bietetLeh ramtsstudierenden und Studienreferendaren der Chemie ein breites Ober­blickswissen in wichtigen Bereichen der Schulchemie an. Wir hoffen, dass auchviele Chemielehrerinnen und Lehrer an Schulen, sowie Kolleginnen und Kollegenanderer Universitaten und Hochschulen diesen Uberblick akzeptieren und ver­wenden konnen.

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 vielfaltigmiteinander 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 Fragen und Probl eme auf bestimmtcnReflexionsebenen diskutiert: Lernende,fachli che Schwerpunkte, Vermittlungs­prozesse, gesellschaftliche BezugsJelder. Die gemaf dem Tortenschema zu deneinzelnen Themen ausgeftihrtcn fachdidakti schen Analysen , Reflexionen undEmpfehlungen weisen immer auch viele Beispiele aus der Unterrichtspraxis auf.

Mit dieser Art der Gl iederung 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 denhier vorgcschlagenen Inhalten verkniipfen konnen.

Der erste Tei! des Buches (Kap. 1-8) stellt mit den acht grundlegenden Themenzur Chemiedidaktik (vgl. .T ortenstucke'' im Bild) die Oberblicksvorlesung dar.Am Ende einer jeden Thematik werden Ubungsaufga ben angcboten : Lehrendekonn en mit ihnen das Seminar beginnen oder abschli e13en , Studi erende konnenpriifen, inwieweit sie Inhalte erfolgreich verarbeitet haben .

Des Weiteren sind Vorschriften zu den Experimenten enthalten, die wahrendder Vorlesung demonstriert werden, urn ang esprochene Beispiele aus dem Che­mieunterricht zu konkretisieren . Fiir erfahrene Exp erimentatoren sind die Vor­sc hrifte n ausreichcnd und es kann direkt auf die ser Grundlage experimentiertwerden. Leser mit ger ingen Vorkenntnissen so llten die Speziall iteratur zur experi­mente 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 dieMoglichkeit an, einen gro13en Teil der vorges chlage ncn Experim cnte auch se lbstdurchzuftihren. Da sie die Versuchc in der Vorl esung kenn en gcl emt haben, sindsie erfahrungsgemii13 in der Lage, sic selbststandig umzusetzen und Variationenauszuprobieren.

1m zweiten Tei! des Buches (Kap . 9-18) sollen zehn Seminarthemen die Inhalteder Vorlesung vertiefen und erganzen: Die Zuordnung der Seminarthemen zu denacht 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 Fahigkeitmit Hilfe von Kugelpackungen und Stereobildern ("Rot-Griin-Brille" liegt bei ),Simulationssp iele zur Veranschauli chung stati stischerModelle , sowie ausgewahlteBeispi ele aus der Geschichte der Chemie. Diese Themen konnen je nach Schwer­punkten der Dozentinnen und Dozenten oder nach Wiinsch en der Studierenden inbeli ebi ger Reihenfolge bearbeitet werden. Es ist auch moglich und wiinschens­wert , diese Themen durch Referate der Studierenden und begleitende Diskussio­nen erarbe iten zu lassen.

Vorwort VII

Das Tortenschema haben wir der ..Denkschrift zur Lehrerbildungfiir den Chemie­unterricht in den Alterstufen der Zehn- bis Fiinfzehnjdhrigen " entnommen, dievon Hans-Dieter Barke, Dietmar Bitterling, Altfried Gramm, Hans Otto Hammer,Renate Hermanns, Raimund Leibold, Helmut Lindemann und Heinz WambachAnfang der achtziger Jahre erarbeitet wurde. Auf die Vorarbeiten dieser Kolleginund der genannten Kollegen bauen wir gem auf - und sagen vie len Dank. Ebensoherzlich danken wir der Gesell schaft Deutscher Chemiker (GDCh), die dieseDenkschrift im Jahre 1983 herausgegeben und allen lnteressierten kostenlos zurVerfiigung gestellt hat: Auf diesem Wege sind vielen Lesern der GDCh­Denkschrift 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 sowiePrivatdozentin Dr. Rebekka Heimann und Lehrerin Hilde Wirbs fiir die Durch­sicht der Manuskripte und fur zahlreiche wertvolle Hinweise. Falls Sie als Leseruns Ihre Verbesserungsvorschlage, Kritik oder Erganzung zusenden, wiirden wirsie sehr gem bei der Neubearbeitung des Buche s beriick sichtigen. Des Weiterenrnochten wir anregen , dass rnoglichst viele Kolleginnen und Kollegen eigene.Tortenstucke" oder vertiefende Kap itel 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 Lernprozessewerden allerdings weitere Fragen an die Chemiedidaktik in Theorie und Praxisaufwerfen - das Geb aude der Chemi edidaktik wird niemals vollstandig und end­gultig sein!

Munster im Jahre 200 I Hans-Dieter Barke , Gunther Harsch

Korrespondenzadresse : Prof. Dr. Hans-Dieter Barke, Prof. Dr. Gunther HarschWestfalische Wilhclms-Universitat Munster,FB 12, Institut fiir Didakt ik der ChemieFliedn erstr. 21, 48149 Munster

Inhaltsverzeichnis

Einfuhrung in das "Tortenschema" zur Chemiedidaktik .. 1

1 Schulervorstellungen 9

1.1 Fachliche Schwerpunkte - Theorien aus der Geschichte derNaturwissenschaften 11

1.2 Lernende - Emp irische Hinweise auf Schiilervorstellungen 151.3 Vermittlungsprozesse - Berucksichtigung der

Schillervorstellungen 221.4 Gesellschaftliche Bezugsfelder - Schtilervorstellungen und

Umgangssprache 24Literatur 24Ubungsaufgaben zu ,,1 Schulervorstellungen" 25Experimente zu ,,1 Schulervorstellungen" 26

2 Motivation 352.1 Lernende - Entwicklungsstand, Einstellungen und ursprimgliche

Vorstellungen 362.2 Vermittlungsprozesse - Mogl ichkeiten zum Autbau

sachbezogener Motivation 382.3 Fachliche Schwerpunkte - experimentelle Fertigkeiten .442.4 Gesellschaftliche Bezugsfelder - Motivation durch Alltagssprache

und Medien 45Literatur 47Ubungsautgaben zu ,,2 Motivation" .47Experimente zu ,,2 Motivation" 48

X Inhallsverzeichnis

3 Unterrichtsziele 55

Allgemeindidaktische Einfiihrung 563. 1 Gesellsc ha ftliche Bezugsfeld er - Richtlinien und Lehrpliine 6 13.2 Lcmcnde _. kogni tive Entwicklung , Prakonzepte , Einste llungcn,

Interessen 653.3 Fachlic he Schwerpunkte - Chemieunterricht als Spiralcurriculum 683.4 Ve rmi tt lungsprozcsse Met ho denvie lfalt zu r Real isicrun g von

Untcrrichtszielen 72Literatur 77Ubungsaufga ben zu ,,3 Unterrichtszicle" 78

Sche ma fiir e incn Unterr ichtse ntwurf (Vo rsc hlag) 78

4 Medien 79

4.1 Vermittlungsprozesse - Vielfalt der Medien fiir denChemieunterr icht 8 1

4 .2 Fac hliche Schwerpunkte - sachliche Angemessenheit vonMedi en 90

4.3 Lernende Medicn und Abs traktions fahigkeit 924.4 Gese llschaft liche Bczugsfe ldc r Masscnmcdi cn 95Literatur 96Ubungsautgabe n zu ,,4 Medien" 97Experimente zu ,,4 Medie n" 97

5 Experimente 103

5.1 Fachliche Sc hwerpunkte - Experi ment, Experime ntie rta higkei ten ,Sicherheit.. 104

5.2 Vcrmitt1ungsprozcssc ·· Funktionen, Auswahlkritericn undFormen des Experiments III

5.3 Lcm cndc · · Spicl tricb und Nc ugicrvcrhalten, cxpcrimc ntcllcFcrtigkc itcn 118

5.4 Ges ellschafr liche Bezu gsfelder - Urnwelt- und Alltagsbeziige,historisch e Entwicklunge n I 19

Litcratur 121Ubungs au fgabe n zu ,,5 Experimente" 121Praktikum zu ,,5 Experimente" 122Expcrimentc zu Alk alimctall cn 123

6 Modelle, Modellvorstellungen 135

6.1 Fachliche Schwe rpunkte - Modelle und deren Funktio nen 1376. 1. I Mo dellbeg riff und Erkcnn tnis in dcn

Naturwisscnschaftcn 1376.1.2 Denkmode lle in der Chem ic 1416. 1.3 Ansc ha uungs modellc in dcr Chemic 142

Inha llsverzeichnis XI

6.2 Vermittlungsprozesse - Modelle und deren fachdidakti scheFunktionen 1456.2.1 Verm ittlung chemischcr Sachverhaltc durch

Modellvorstellungen 1466.2.2 Anpassung lind Erwciterung von Modellen im

Chemieunterricht 1486.2.3 Weitere Funktionen von Modellen lind

Modellvorstellungen 1506.3 Lemcndc Erfahrungen mit Modellen 1526.4 Gesellschaftlichc Bezugsfelder - interdisziplinare

Modellvorstellungen 154Literatur 155Obungsaufgaben zu ,,6 Modelle lind Modellvorstel lungen" 155Praktikum: Strukturcn der Metalle und Salzc 157Losungen lind Zcichnungcn zu dcn Aufgaben 161

7 Fachsprache und Symbole 1637.1 Fachl iche Schwcrpunktc ..... Begriffe, Symbole, GroBcn, Einhcitcn .. 164

7.1.1 Systeme Internationale und abgeleitetc Einheiten 1647.1.2 Schulrelevante Grollen und Einh eiten 1657.1.3 Schulrclcvantc Fachbegriffe 167

7.2 Vcrmittlungsprozcssc -

Alltagssprache ~ Fachsprache ~ Syrnbolsprache 1747.2.1 Verkniipfung von Alltagssprachc und Fachsprache 1747.2.2 Die chemisc he Syrnbolsprache 1777.2 .3 Ableitung crster chemischer Symbole irn Unterricht. 182

7.3 Lernende - Schiilervorstellungen zu Strukturen und Symbolen ]847.4 Gcsellschafilichc Bezugsfelder Wie weit versteht der Laie die

Fachsprache? 187Literatur 188Ubungsaufgaben zlI,,7 Fachsprache lind Syrnbole" 188

8 Alltag und Chemie 1918.] Lernende Neugicr und Interesse 1928.2 Fachliche Schwerpunkte ..... Fachsystematik versus Alltagschemie 1988.3 Vermittlungsprozesse - Fachsystematik plus Alltagschemic 2058.4 Gesellschaftliche Bczugsfeldcr ·· Rollenspiclc und

Umweltbildung 211Literatur 215Ubungsaufgaben zu ,,8 Alltag lind Chemic" 2 16Expcrimente zu ,,8 Alltag und Chernie " 216

XII Inhaltsverzeichnis

9 Der "Horror vacui" in den Vorstellungen zumTeilchenkonzept. 2239.1 1st das Vakuum wirklich leer'? 2249.2 Vorstellungen aus vergangenen Jahrhunderten 2259.3 Horror-va cui-ahnliche Vorstellungen bei Schiilem 2329.4 Foigerungen fiir den Unterricht ., 240Literatur 245Experimcnte zu,,9 Horror vacui' 246

10 Raumvorstellung zur Struktur vonTeilchenverbanden 253

10.1 .R aurnvorstellung" als Faktor del' Intelligcnz 25310.2 Eigene Untersuchungsergebni sse 25710.3 Del' Raumvorstellungstest (RVT) 25710.4 RVT-Untersuchungen im Raum Miinster . 26410.5 RVT-Leistungen von Jugendlichen aus Deutschland

und Athiopien 269Literatur 274Anhang 275

11 Runge: Bilder, die sich seiber malen,als Motivationshilfen fUr den Chemieunterricht 289

11.1 Runges Bilderb iicher 28911.2 Diskussion del' Quellcnmatcrialien im Unterricht 29611.3 Nachschaffung von Runge-Bildern mit heut igen Mitteln 304Literatur 310

12 Organische Chemie nach dem PIN-Konzept- phanomenorlentlert, integrativ und vernetzt 311

12.1 Ordnen unbekannter Stoffc mit unbekannt cn Reagenzien 31412.2 Vernetzung del' Steffe durch Synthesebeziehungcn 31512.3 Untersuchung von Haush altsstoffen 31812.4 Entdeckung weiterer Synthesebeziehungen 32012.5 Del' Sprung auf die Ebene del' Tei Ichen 32212.6 Anwendung del' Formeln ("Strllktur-Eigenschafts-Dcnken") 32412.7 Integration weiterer Steffe 326

12.7.1 Untersuchung eines Naturstoffs 32612.7.2 Erarbeitung des Begriffs del' homologen Reihe 32612.7.3 Viele Wege fiihren zur Essigsaure 328

12.8 Weitere assoziierbare Experimente und Konzepte 33112.9 Erfahrungen mit dem PIN-Konzept in del' Lchrcrausbildung 333

Inhaltsverzeichnis XIII

12.10 Erfahrungen mit dem PIN-Konzept im Chemieunterricht del'Sekundarstufe II 33312.10.1 Beurteilung durch die Lehrer 33412.10.2 Beurteilung dureh die Schiller 33612.10 .3 Vortestleistungen del' Schuler 33912.10.4 NachtestIeistungen del' SehiiIer. 340

12.11 Schluss 343Literatur 343

13 Konzeption des strukturorientiertenChemieunterrichts 349

13.1 Chemische Strukturen in del' heutigen Chemie 34913.2 Chemisehe Strukturen als Grundlage zur Interpretation von

Reaktionen 35013.3 Del' Ionenbegriff auf del' Ebene des Daltonmodells 35213.4 Atome und lonen als Grundbauste ine der Materie 35313.5 Verkniipfung von Atomen und lonen zu Gillem und Molekiilen 355

13.5.1 Verkniipfung von Metall-Atornen("Iinks und links im PSE") 356

13.5.2 Reaktionen del' Metalle ...Umgruppierung von Metall-Atomen 36 1

13.5.3 Verknupfung von lonen ("I inks und rechts im PSE") 36413.5.4 Reaktionen der Salze - Urngruppierung von lonen 36813.5.5 Verkniipfung von Nichtrnetall-Atomen

("l'echts und rechts im PSE") 37013.5.6 Reaktionen der Nichtmetalle .

Umgruppierung von Molekulen 37313.6 Strukturvorstellungen im Spiralcurriculum 375

13.6.1 Zum Teil chenmodcll in del' Prirnarstufe 37613.6.2 Zum Teilchenmodell im Anfangsunterricht Chemie

(Klassenstufe 7 oder 8) 37713.6.3 Zum Daltonschen Atommodell im Chemieunterricht

(Klassenstufe 8 oder 9) 380Literatur 384

14 Stereobilder zum Training desRaumvorstellungsvermogens 385

14.1 Einftihrung 38514.2 Kristallstrukturen von Metallen und Legierungen 388

14.2.1 Hexagonal dichteste Kugelpackung (Motiv 1) 38814.2.2 Kubisch dichteste Kugelpackung (Motiv 2) 38914.2.3 Kubisch innenzcntrierte Kugelpackung (Motiv 3) 39014.2.4 Zusarnmenhang zwischen kubisch innenzcntriertcr und

kubisch dichtester Kugelpackung (Motiv 4) 39014.2.5 Liickenverteilung in del' kubisch dichtesten Kugelpackung

(Motiv 5) 391

XIV Inhaltsverzeichnis

14.2.6 Liickenverteilung in der hexagonal dichtestenKugelpackung (Motiv 6) 392

14.2.7 GrOBeder Tctraederliicken in dichtestenKugelpackungen (Motiv 7) 392

14.2.8 GroBe der Oktacderliicken in dichtestenKugelpackungen (Motiv 8) 393

14.3 Kristallstrukturen von lonenverbindungen 39414.3.1 Natriumchlorid NaC1 ····· cine kubisch dichteste Packung

mit vollstandig besetzten Oktaederliicken (Motiv 9) 39414.3.2 Nickelarsenid NiAs - eine hexagonal dichteste Packung

mit vollstandig besetztcn Oktaederliicken (Motiv 10) 39514.3.3 Cadmiumchlorid CdCl z .... cine kubisch dichteste Packung

mit zur Halfte besetzten Oktaederliicken (Motiv 11) 39514.3.4 Cadmiumiodid Cdl , ..... eine hexagonal dichteste Packung

mit zur Halfte besetzten Oktaederliicken (Motiv 12) 39614.3.5 Zinkblende ZnS - eine kubisch dichteste Packung mit

zur Halfte besetzten Tetraedcrliicken (Motiv 13) 39714.3.6 Wurtzit ZnS ..... cine hexagonal dichtcste Packung mit zur

Halite besetzten Tetraederlucken (Motiv 14) 39814.3 .7 Perowskit CaTi03 .... cine kubisch dichteste Mischpackung

mit ZlI cincm Viertel bcsetzten Oktacderliicken(Motiv 15) 398

14.3.8 Spinell MgAIz04 cine kubisch dichtcste Packung mitzur Halfte besetzten Oktaederliicken und zu ein Achtelbesetzten Tetraederlucken (Motiv 16) 399

14.4 Kristallstrukturen mit kovalentcn Bindungen .40114.4.1 Selcn ..... eine hexagonale Packung eindimensional

infiniter Molekiile (Motiv 17) 40 I14.4.2 Quarz cine hexagonale Raumnetzstruktur (Motiv 18) .40214.4.3 Graphit - eine hexagonale Packung zweidimensional

infiniter Molekiile (Motiv 19) .40414.4.4 Diamant ein dreidimensional infinites Riesenmo1ckii1

mit kubischer Symmetric (Motiv 20) .40514.5 Von den Bravais-Gittem ZlI den Raumgruppen .407

14.5.1 Die neun rcchtwinkligen Bravais-Gitter (Motiv 21) .40714.5.2 Symmetriegeriiste einiger rechtwinkliger Bravais-Gitter

(Motiv 22) 40814.5.3 Ausfall potenzieller rechtwinkliger Bravais-Gitter

(Motiv 23) 408Literatur 410

15 Simulationsspiele fur den Chemieunterricht.. 411

15.1 Adsorptionschromatographie .4 1215.2 Verteilungsg1eichgewichte 41815.3 Kristallisation 42215.4 Entmischung 42515.5 Lichtabsorption 426

Inhaltsverzeichnis

15.6 Sedimentationsgleichgewichte und Energieverteilung .43215.7 Radioaktiver Zerfall 43515.8 Monomolekulare Reaktion 43715.9 Bimo lekulare Reaktion 43915.10 Folgereaktion 44115.11 Parallelreaktion 44415.12 Gle ichgewichtsreaktion 44715.13 Katalyse und Autokatalyse .45215.14 Oszillierende Reaktionen 45615.15 Schluss 462Literatur 463

16 Max von Laue:Ein Experiment verifiziert zwei groBe Theorien 465

16.1 Kristallgitterhypothesen von Kepler, Haiiy, Bravais undSohncke 466

16.2 Rontgen's Entdeckung einer "neuen Art von Strahlen" 46816.3 Laue's geniale Idee 47016.4 Zur Prufung von Hypothesen im Chem ieunterricht .47416.5 Das Prinzip der Ronrgen strukturanalyse im Chernieunterricht 477

16.5.1 Experimente zur Interferenz von Laserstrahlen .47716.5.2 Experimente mit einem Schulrontgengerat .; .479

Literatur 484

17 Watson und Crick:Nobelpreistrager spielen mit Modellen 485

Literatur 496

18 Kekule:Benzol und die Geschichte der Struktursymbole 497

18.1 Vorstellungen und Symbole vor dem Karlsruher Kongress 1860 50018.2 Der Weg Kekules von der Typentheorie zur Strukturtheorie 50918.3 Chronologische Zusarnrnenfassung 52318.4 Chemiedidaktische Foigerungen fiir den Unterricht.. 525Literatur 529

Sachwortverzeichnis 531