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Medienbausteine für den Chemieunterricht Dokumentation von Unterrichtbeispielen für das Fach Chemie der gymnasialen Oberstufe mit systematischem Medieneinsatz und unter Einbeziehung fächerübergreifender Aspekte (Informatik)

Projektübersichten Unterrichtsbausteine: • Modellbildung,

Simulation und Animation • Informationen aus dem Netz • Messwerterfassung und

Messwertverarbeitung

SEMIK-Projekt MedienBausteine Sachsen-Anhalt

Kooperative Gesamtschule „Wilhelm von Humboldt“ Halle

H. Janot

Inhalt: M

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IX

H. Janot, MedienBausteine zum Chemieunterricht der gymnasialen Oberstufe 2

/1

„Der großen Euphorie um neue Trends und neue Medien folgt allzu oft die große Ernüchterung.“/2

Das Hauptargument gegen Computer in der Schule lautet: „Es gibt keine didaktischen Konzepte.“ Wir sind gerade dabei, dies zu entkräften.

Unabhängig davon, ob der Umgang mit Medien zum Kanon der schulischen Allgemeinbildung gerechnet wird, verändert er bei vielen Menschen Arbeitsstil, Gewohnheiten und Lebensart in erheblichem Maße. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, diesen Prozess der Veränderung auch in der Schule pädagogisch zu begleiten.

Im Rahmen des SEMIK-Projekts wurde der Versuch unternommen, Schülern im naturwissenschaftlichen Fachunterricht Möglichkeiten zum Erwerb von Medienkompetenz unter der besonderen Berücksichtigung der ‚Neuen Medien‘ anzubieten. Dies geschah unter der doppelter Zielsetzung, dass die neuen Medien

1. selbst Unterrichtsgegenstand und 2. Hilfsmittel zum Erreichen der Ziele des Fachunterrichts sind.

Die Ergebnisse dieses Versuchs werden am Beispiel einiger Chemiestunden, die in den Schuljahren 1999/2000 und 2000/2001 in zwei 11. Klassen erteilt wurden, dokumentiert.


Inhalt:

1 PROJEKTÜBERSICHT.................................................................................................................4

1.1 PROJEKTTEIL 1: UNTERRICHTSBEISPIEL ZUM SCHWERPUNKT „MODELLBILDUNG, SIMULATION UND ANIMATION“ ......................................................................................................................................4

1.2 PROJEKTTEIL 2: UNTERRICHTSBEISPIEL ZUM SCHWERPUNKT „INFORMATIONEN AUS DEM NETZ“....7 1.3 PROJEKTTEIL 3: UNTERRICHTSBEISPIEL ZUM SCHWERPUNKT „MESSWERTERFASSUNG UND

MESSWERTVERARBEITUNG“...............................................................................................................9

2 MEDIENERZIEHUNG IM CHEMIEUNTERRICHT..............................................................11

2.1 MEDIENKOMPETENZ IM KONTEXT DER ALLGEMEINBILDUNG ..........................................................11 2.2 HANDLUNGSFELDER DER SCHULISCHEN MEDIENERZIEHUNG...........................................................12 2.3 AUSSAGEN ZUR MEDIENKOMPETENZ IN DEN RAHMENRICHTLINIEN CHEMIE ...................................12

3 FACH- UND MEDIENKOMPETENZ ALS UNTERRICHTSZIEL .......................................13

3.1 FUNKTIONEN VON LEHR- UND LERNMITTELN ..................................................................................13 3.2 HERKÖMMLICHE UND NEUE MEDIEN ALS LEHR- UND LERNMITTEL .................................................13 3.3 MÖGLICHKEITEN ZUM ERWERB VON MEDIENKOMPETENZ...............................................................16

4 ALLGEMEINE RAHMENBEDINGUNGEN FÜR DIE PROJEKTARBEIT ........................20

4.1 INHALTLICHE UND ORGANISATORISCHE VORAUSSETZUNGEN ..........................................................20 4.2 TECHNISCHE VORAUSSETZUNGEN ....................................................................................................21

5 UNTERRICHTSBEISPIEL ZUM SCHWERPUNKT „MODELLBILDUNG, SIMULATION UND ANIMATION“ ..................................................27

5.1 INFORMATIONSTECHNOLOGISCHE UND FACHLICHE ZIELSTELLUNGEN .............................................27 5.2 ARBEIT MIT SOFTWARE ZUR ILLUSTRATION DES BAUS VON MOLEKÜLEN .......................................28

6 UNTERRICHTSBEISPIEL ZUM SCHWERPUNKT: „INFORMATIONEN AUS DEM NETZ“ ............................................................................................................................................38

6.1 INFORMATIONSTECHNOLOGISCHE UND FACHLICHE ZIELSTELLUNGEN .............................................38 6.2 GESTALTUNG EINER KURZPRÄSENTATION .......................................................................................40

7 UNTERRICHTSBEISPIELE ZUM SCHWERPUNKT „MESSWERTERFASSUNG UND MESSWERTVERARBEITUNG“................................................................................................45

7.1 INFORMATIONSTECHNOLOGISCHE UND FACHLICHE ZIELSTELLUNGEN .............................................45 7.2 MESSWERTERFASSUNG UND MESSWERTVERARBEITUNG MIT GRAPHISCHER AUSWERTUNG ............45 7.3 MESSWERTERFASSUNG UND MESSWERTVERARBEITUNG MIT NUMMERISCHER AUSWERTUNG.........49

8 LITERATUR .................................................................................................................................53


1 Projektübersicht

1.1 Projektteil 1: Unterrichtsbeispiel zum Schwerpunkt „Modellbildung, Simulation und Animation“

Fach Chemie Unterrichtseinheiten Merkmale chemischer Reaktion Schulform Gymnasium Jahrgangsstufe 11 (Einführungsphase) Schule Kooperative Gesamtschule „Wilhelm von Humboldt“ Lehrer Horst Janot Schülerzahl eine Klasse (18 Schüler, 22 Schüler) zeitlicher Umfang 2 Unterrichtsstunden Lernort Chemieraum und Computerraum der Schule

technische Mindest-anforderungen

Für je 2 Schüler einen Computerarbeitsplatz mit Win 9x. Software: „Winfunktion Chemie/ Biologie“ , oder andere Molekülbetrachter (z.B. ‚rasmol‘, ‚ChemieMaster‘)

Ziele Die Schüler sollen

Fach

kom

pete

nz

Che

mie

die chemische Reaktion als Einheit von Stoffumwandlung, Teilchenumordnung, Verändern der chemischen Bindung und Energieumwandlung begreifen, Beziehungen zwischen Bindungsverhältnissen, Struktur und Eigenschaften von Stoffen herstellen, ihre Fertigkeiten in der Anwendung der chemischen Fachsprache und Symbolik festigen,

Ver

arbe

itung

Wirkungsmöglichkeiten von Medien am Beispiel von Simulations-programmen erkennen und in gesellschaftliche Zusammenhänge einordnen, Zusammenhänge von Realität und Fiktion an Simulationsbeispielen verstehen und beurteilen, Möglichkeiten und Grenzen für die Arbeit mit Modellen erkennen,

Aus

wah

l Medienangebote (Software) zur Erfüllung fachlicher Aufgaben nutzen, ihre Kenntnisse über die Vielfalt der Medien erweitern, Medien zielgerichtet auswählen und nutzen,

Feld

er d

er M

edie

nkom

pete

nz

Urt

eil Funktionen und Bedeutung von Medien für die naturwissenschaftliche

Arbeit an Beispielen kennen und in diesem Kontext reflektieren, neue Möglichkeiten elektronischer Nachschlagwerke erleben und beurteilen.


Ergebnisse und Empfehlungen Der Chemieunterricht des Gymnasiums zielt letztendlich, wie der Unterricht der anderen Fächer auch, auf das Erreichen der allgemeinen Studierfähigkeit. Der Weg zum Verständnis des Phänomens ‚chemische Reaktion‘ ist ein beispielhafter Weg, der die Schüler näher an das Ziel ‚Studierfähigkeit‘ heranführt. Die Schüler können ihn nur erfolgreich gehen, wenn sie über das dafür nötige Rüstzeug verfügen. In diesem Projekt habe ich nun den Versuch unternommen, den Schülern neben Altbewährtem noch zusätzliches Rüstzeug in Form der ‚neuen Medien‘ anzubieten. Mehr und Neues in einem Wanderrucksack - ob das gut war, kann man erst am Ende des Weges sagen. In den auswertenden Gesprächen äußerten Schüler und Lehrer die Ansicht, dass es ein gelungener Versuch war. Das Verständnis des Phänomens ‚chemische Reaktion‘ erfordert eine intensive geistige Tätigkeit mit der Zielstellung, von den Erscheinungen zum Wesen vorzudringen. Wie bei einem Mosaik soll eine Vielzahl von Fakten und Gesetzmäßigkeiten zu einem überschaubaren, aussagestarken Bild zusammengesetzt werden. Bei Schülern des 11. Schuljahrgangs wird erwartet, dass dieses Bild übersichtlich und klar strukturiert ist und gleichzeitig viele Einzelheiten erkennen lässt. Dieses Bild soll die Erscheinungen widerspiegeln und auch einleuchtende, möglichst widerspruchsfreie Erklärungen liefern. Der Einsatz der ‚neuen Medien‘ zielte darauf, dass Menge und Qualität solcher Mosaiksteinchen vergrößert und gut handhabbare Bauelemente für den Zusammenbau des Gesamtbildes zur Verfügung gestellt werden. Konkret bedeutet dies, dass den Schülern im Vergleich zu Lehrbuch und Tafelwerk zum einen mehr und genauere Informationen über die Eigenschaften der Stoffe und zum anderen vielfältiges und qualitativ gutes Material zum Bau der Stoffe zur Verfügung gestellt werden. Bei der Sichtung des recht umfangreichen Angebots entschied ich mich im wesentlichen für die auf CD erhältliche Software „Win-Funktion - Chemie/Biologie“. Sie erwies sich als recht gutes Hilfsmittel bei der Erfüllung eines Teils der gesteckten Ziele. Dem Einsatz der Software lag folgende didaktische Konzeption zu Grunde: 1. Beobachtung realer Stoffe und realer Vorgänge (Experiment), 2. Erklärung der beobachteten Eigenschaften und Erscheinungen unter Benutzung

herkömmlicher Hilfsmittel (Lehrbuch, Tafelwerk, persönliche Aufzeichnungen), 3. Überprüfung und Erweiterung der Erklärungen unter Benutzung der Software. Neben den rein technischen Neuheiten des ‚neuen Mediums‘ (Bildschirmarbeit, Menüführung) ergaben sich bei den Schülern auch neue inhaltliche Gesichtspunkte. Bei der Arbeit mit der elektronischen Datenbank waren zunächst die Analogien zu den herkömmlichen Nachschlagwerken von Bedeutung. So fanden die Schüler wie auch im Tafelwerk physikalische Daten und die Formeln der betrachteten Stoffe. Bei der Beurteilung der chemischen Bindung erlebten die Schüler dann aber ein neues Arbeitsprinzip, das mit den herkömmlichen Mitteln nicht realisierbar ist - die interaktive Datenbank. Die Infos über die Bindung erscheinen erst, wenn die Komponenten der Bindung durch den Schüler bestimmt werden. Damit war aber noch ein weiteres Erlebnis verbunden - eine unüberlegte Eingabe von Daten führt zum Teil zu unsinnigen Ergebnissen. In der Diskussion über diesen ‚Fehler’ in der Software kam recht bald die persönliche Verantwortung des Nutzers zur Sprache. Die Ausrede, „Ich kann nichts dafür. Das hat der Computer falsch berechnet“ wurde bald belächelt.


Im einzelnen beschäftigten sich die Schüler schwerpunktmäßig mit folgenden Tätigkeiten:

medienpädagogisch fachlich Die Software als Datenbank nutzen (Menü ‚Bibliothek chemischer Verbindungen‘ ).

Überprüfen der eingetragenen Formeln.

Die Software als Datenbank nutzen (Menü ‚Eigenschaften der Verbindungen‘ ).

Zuordnen der Stoffe zu Substanzklassen auf der Grundlage eigener Beobachtungen und Informationen aus der Datenbank.

Umgang mit Simulationssoftware: (Molekülbetrachter aus Win-Funktion – Chemie) Erkennen des begrenzten Inhalts der Datenbank.

Beschreiben der Strukturgruppen auf der Grundlage von Arbeitsmaterial Lehrbuch Molekülbetrachter

Nutzen der Software als interaktive Datenbank. Es müssen zwei Stoffe als Paar aus den Angeboten gewählt werden. Die Software berechnet die Bindungsart. Kritische Betrachtung der von der Software gelieferten Ergebnisse.

Bestimmen der Bindungsart. Diese Methode liefert nur inhaltlich richtige Ergebnisse bei Molekül- und Ionensubstanzen. Wird sie für Metalle eingesetzt, erscheint keine Fehlermeldung, sondern die Falsche Angabe einer kovalenten Bindung.

Umgang mit Simulationssoftware: (Molekülbetrachter RASMOL) Erkennen unterschiedlicher Strategien in der Menüführung.

überprüfen der eingetragenen Werte und Beurteilungen Ermitteln von Kristallstrukturen.

Nutzen der Software als Simulationsprogramm (Molekülbetrachter)

Zuordnen der Stoffe zu den Strukturgruppen. Erkennen der Reaktionsfähigen Struktureinheiten.

Nutzen der Software als interaktive Datenbank

Beurteilen der Bindungsart zwischen den reaktionsfähigen Struktureinheiten.

Nutzen der Software als Datenbank

Ermitteln der Energiebilanz aus: Beobachtung Temperaturmessung Auswertung der Standardenthalpiewerte.

Zusammenfassen der Merkmale dieser konkreten Reaktion.


1.2 Projektteil 2: Unterrichtsbeispiel zum Schwerpunkt „Informationen aus dem Netz“

Fach Chemie

Unterrichtseinheiten Herstellung von Stoffen durch chemische Reaktionen, Gewinnung nutzbarer Energie durch chemische Reaktionen

Schulform Gymnasium Jahrgangsstufe 11 (Einführungsphase) Schule Kooperative Gesamtschule „Wilhelm von Humboldt“ Lehrer Horst Janot Schülerzahl eine Klasse (18 Schüler, 22 Schüler) zeitlicher Umfang 5 Unterrichtsstunden Lernort Computerraum der Schule

technische Mindest-anforderungen

Für je 2 Schüler einen Computerarbeitsplatz mit Win 9x und Internetanschluss; Software: „Ms - Word“, MS Internetexplorer, Ms PowerPoint


Fach

kom

pete

nz

Che

mie

energetische und stoffliche Gesichtspunkte der chemischen Reaktion als theoretische Grundlage für die Herstellung von Stoffen und für die Gewinnung nutzbarer Energie berücksichtigen können, mit dem vorhandenen Wissen, Kenntnisse über weitere chemische Reaktionen erschließen können, den ökonomischen und ökologischen Zusammenhang von Stoff und Energieumsatz erkennen

Ver

arbe

itung

Wirkungsmöglichkeiten von Medien am Beispiel von Fachveröffentlichungen kennen und in gesellschaftliche Zusammenhänge einordnen, Medienangebote differenziert bewerten und aus der Sicht fachlicher Aufgabenstellungen auswerten, Wirkungsmöglichkeiten medialer Gestaltungselemente kennen und auch selbst nutzen,

Aus

wah

l effektive Recherchemöglichkeiten erproben, Medienangebote selbständig zur Erfüllung fachlicher Aufgaben nutzen, ihre Kenntnisse über die Vielfalt der Medien erweitern, Medien zielgerichtet auswählen und nutzen,

Ges

taltu

ng mediale Gestaltungselemente entsprechend der Wirkungsabsicht

nutzen, Medienprodukte unter Berücksichtigung der fachlichen Aufgabenstellung nach eigenen Vorstellungen herstellen, Medienprodukte selbständig planen, realisieren und präsentieren,

Feld

er d

er M

edie

nkom

pete

nz

Urt

eil Funktionen und Bedeutung von Medien für die naturwissenschaftliche

Arbeit an Beispielen kennen und in diesem Kontext reflektieren, neue Möglichkeiten des Internet erleben und beurteilen.


Ergebnisse und Empfehlungen Die Schüler standen vor der Aufgabe, aus den im Internet vorhandenen Informationen eine Dokumentation zu einem chemisch-technischen Verfahren zur Stoff- oder Energiegewinnung zu erstellen. Die zu den wesentlichen Schülertätigkeiten auftretenden Fragen kann man folgenden Schwerpunkten zuordnen: 1. Informationssuche im Internet:

Welche Suchwerkzeuge gibt es, und wie werden sie verwendet? Welche Kriterien gibt es für die Bewertung der Suchwerkzeuge? Wie sind die vorhandenen Suchwerkzeuge zu bewerten?

2. Analyse und Bewertung des Informationsangebots: Welche Informationen über den Inhalt bieten die Suchwerkzeuge? Wie kann man sich zügig über den Inhalt von Web-Adressen informieren? Wie sind Online-Informationen strukturiert und gestaltet?

3. Auswahl und Speichern zutreffender Informationen: Wie können ausgewählte Informationen für die spätere Arbeit dokumentiert werden? Wie kann man die Struktur einer Web-Seite erkennen? Wie kann man Texte (auch in Tabellen) als Textdokument speichern? Wie kann man Grafiken speichern?

4. Gestaltung des Ergebnisses Wie kann der Text entsprechend der inhaltlichen Aussage formatiert werden? Welche Möglichkeiten der Einbindung von Grafiken sind sinnvoll und machbar? Welche medialen Gestaltungstechniken sind für diese Inhalte geeignet? Welche technischen Möglichkeiten gibt es, die Ergebnisse sachgerecht zu präsentieren?

Beim Umgang mit Suchwerkzeugen zeigten sich erhebliche Unterschiede bei den Vorkenntnissen der Schüler. Viele Schüler kannten die Web-Adresse ihrer Lieblingssuchmaschine auswendig. Während der Arbeit nutzten die Schüler aber zunehmend die Metasuchmaschine ‚metager‘. Durch Gruppenarbeit wurde in relativ kurzer Zeit eine recht umfassende Sammlung von Web-Adressen zusammengestellt, die Bezug zu der gestellten Aufgabe hatten. Der Austausch dieses Adressenpools hielt die Schüler auch dazu an, diese Adressen in irgend einer Form schriftlich festzuhalten. Am gebräuchlichsten war das Speichern in einer Textdatei. Zur Dokumentation der Ergebnisse wählten die Schüler unterschiedliche Verfahren:

Die fachlichen Inhalte wurden als Aufsatz zusammengefasst. Zu dieser schriftlichen Arbeit fertigten die Schüler - handschriftliche Unterlagen für einen thematischen Vortrag und - systematisierende Zusammenfassungen auf Folien an. Die fachlichen Inhalte wurde auf das Wesentliche komprimiert und in Form einer PowerPoint-Präsentation dokumentiert.


1.3 Projektteil 3: Unterrichtsbeispiel zum Schwerpunkt „Messwerterfassung und Messwertverarbeitung“

Fach Chemie

Unterrichtseinheiten Untersuchen und Erklären elektrischer Leitungsvorgänge und Galvanische Elemente /

Schulform Gymnasium Jahrgangsstufe 11 (Einführungsphase) Schule Kooperative Gesamtschule „Wilhelm von Humboldt“ Lehrer Horst Janot Schülerzahl eine Klasse (18 Schüler, 22 Schüler) zeitlicher Umfang 2 Unterrichtsstunden Lernort Chemieraum der Schule technische Mindest-anforderungen

1 Computerarbeitsplätze mit Win 3.1.und Interface Software: „chemex“ (gehört zum Interface)


Fach

kom

pet

Che

mie

die Arten der Leitfähigkeit am Beispiel beurteilen, den Lösungsvorgang eines Metalls in wässriger Lösung als chemische Reaktion begreifen,

den Begriff des Standardpotentials verstehen,

Ver

arbe

itung

am Beispiel erkennen, dass die Vorstellungen von der Realität durch den Einsatz neuer Medien verändert und erweitert werden,

den Computerarbeitsplatz mit Interface als universales Messgerät kennen lernen.

den Einsatz geeigneter Sensoren zur Messwerterfassung erleben, den Vorteil einer kontinuierlichen Messwerterfassung erkennen,

Ges

taltu

ng Tabellen und Diagramme als mediales Gestaltungsmittel kennen und

interpretieren,

Feld

er d

er M

edie

nkom

pete

nz

Urt

eil

den prinzipiellen Aufbau eines computergestützten Experimentalarbeitsplatzes kennen und dessen Leistungsfähigkeit einschätzen können,

die durch den Computer erstellten Messergebnisse auswerten, bewerten und beurteilen können.


Ergebnisse und Empfehlungen Während die Nutzung des Computers als Büro-Arbeitsplatz und auch als Informations- und Kommunikationsgerät bei vielen Schüler bekannt ist und für solche Anwendungen zum Teil schon umfangreiche Erfahrungen vorhanden sind, sind Erfahrungen im Einsatz des Computers als Mess- oder Steuergerät doch recht selten. Die bekannten elektronischen Steuergeräte (wie z.B. die Heizungssteuerung in der Heizanlage eines Wohnhauses) werden in der Regel nicht mit dem vor allem zum Spielen verwendeten Computer in Beziehung gebracht. Deshalb betrachte ich den Einsatz des PC als Mess- und Auswertungsgerät als wichtige Bereicherung des Erfahrungsbereichs der Schüler und gleichzeitig als eine effektive Möglichkeit zur rationelleren Gestaltung des naturwissenschaftlichen Unterrichts. Da durch den Einsatz des PC-Mess- und Auswertungsplatzes die Veränderung der Eigenschaften der Lösung in überschaubar kurzer Zeit messtechnisch erfasst wird, war für die Schüler der funktionale Zusammenhang zwischen zugegebener Stoffmenge, Verlauf der Reaktion und Veränderung der Eigenschaften einleuchtend und somit leicht erfassbar. Im Gegensatz zu ähnlichen experimentellen Untersuchungen ohne PC-Unterstützung führte die Auswertung des Experiments schnell und sicher zu soliden, anwendbaren Kenntnissen zum Themenbereich, der durch die Schlagworte Ionen, Leitfähigkeit, Potential und Spannung umschrieben werden kann. Die Schüler erlebten den PC als universelles Messgerät und als Maschine, die bei chemischen Reaktionen für die Prozesskontrolle und für die Prozessdokumentation eingesetzt werden kann.


2 Medienerziehung im Chemieunterricht

2.1 Medienkompetenz im Kontext der Allgemeinbildung Schon 1984 findet man im Rahmenkonzept der Bund-Länder-Kommission für Bildungsplanung und Forschungsförderung (BLK) folgende Aussage: „Ziel aller Bemühungen muss es sein, durch die Einführung einer Informationstechnischen Bildung den Jugendlichen die Chancen der neuen Techniken und Medien zu eröffnen und sie zugleich vor den Risiken zu bewahren, die durch unangemessenen Gebrauch entstehen können.“ Die Entwicklung der Medienlandschaft führte in den vergangenen Jahren auch zu einer Veränderung der Qualität herkömmlicher Medien wie Zeitung, Telefon oder Fernsehen. Mit der Nutzung von PC und lokalen und globalen Informationsnetzen entwickelten sich „neue Medien“, die auch neue Möglichkeiten der Information und Kommunikation eröffneten. Damit ergeben sich auch für Schüler etwa folgende Nutzungsmöglichkeiten:

Versenden von Informationen an einzelne Adressaten oder „an alle“ (E-Mail), Kommunikation in anonymer Form mit anonymen Partnern (chatten), Informationsbeschaffung durch Zugang zu Datenbanken unterschiedlicher Formen (www), digitales Einkaufen (e-commerce), elektronische Verwaltung des persönlichen Zahlungsverkehrs (e-banking).

Der Zugriff der Schüler auf die Datenautobahn erfolgt häufig in Arbeitsgemeinschaften, von zu Hause aus oder unter Nutzung öffentlicher Anbieter (Internet-Café, Kaufhaus, ...). Dadurch ergeben sich für die Schüler auch Gelegenheiten, auf diesem Weg schulische Aufgaben zu lösen. Diese Vorerfahrungen lassen sich auch in den Unterricht integrieren und als Bausteine für anspruchsvolle Unterrichtsstunden nutzen. In einem solchen Unterricht können Schüler ihre Mitschüler selbst über die Online-Medien informieren. Dabei sammeln sie Erfahrungen im Vermitteln von Kenntnissen, wobei eventuelle Probleme in der Vermittlung oder didaktischen Aufbereitung wiederum im Unterricht reflektiert werden können. Andererseits können erfahrene Schüler anhand ihrer eigenen Kenntnisse auch über die Nachteile des Mediums (z.B. über eventuelle Schwierigkeiten bei der Suche oder über Sprachprobleme) Auskunft geben. /2. Voraussetzung für die Nutzung aller dieser Möglichkeiten ist die grundsätzliche Fähigkeit, an einem EDV-Arbeitsplatz (z.B. Computerarbeitsplatz inklusive Hard- und Software) zu agieren. Da von dieser Problematik jeder Einzelne betroffen ist, kann man fast von einer neuen „Kulturtechnik“, sicherlich aber von einer neuen „Zivilisationstechnik“ sprechen. Unabhängig davon, ob eine solche „neue Zivilisationstechnik“ in den Kanon der Allgemeinbildung der Schulen aufgenommen wird, beeinflusst sie bei vielen Menschen in erheblichem Maße Arbeitsstil, Gewohnheiten und Lebensart. Daraus ergibt sich zwingend die Notwendigkeit, diesen Prozess, der das Leben der Schülerinnen und Schüler spürbar mitbestimmt, pädagogisch zu begleiten. Maßnahmen, die dieses Anliegen unterstützen, können prinzipiell in jedes Unterrichtsfach integriert werden. Ansatzpunkt dieses Projektes ist der Versuch, den Schülern im Fachunterricht Möglichkeiten und Gelegenheiten zu bieten, die es ermöglichen, Medienkompetenz zu entwickeln oder auszubilden. Eine Variante dafür ist der Umgang mit dem Computerarbeitsplatz als Beispiel für ein datenverarbeitendes System zur

Modellbildung und Simulation, Arbeit mit digitalen Nachschlagewerken, Messwerterfassung und computergestützten Umwandlung und Auswertung der Messergebnissen, Informationsrecherchen im Internet als Beispiel für den Umgang mit Online-Medien, kreativen Nutzung medialer Gestaltungselemente bei der Produktion einer Präsentation.


2.2 Handlungsfelder der schulischen Medienerziehung Während die Notwendigkeit von Medienkompetenz unumstritten ist, ist die Diskussion über Inhalte und Bedeutung des Begriffes noch im Fluss. In dieser Diskussion werden in den Bundesländern unterschiedliche Schwerpunkte gesetzt. Sachsen-Anhalt hat seine derzeitige Position in einer Rahmenrichtlinie zur Medienerziehung /3 zusammengefasst. Aus dieser Richtlinie seien hier vier wesentliche Gedanken zitiert:

1. „Medienkompetenz ist eine Qualität, die (nur) im sinnvollen Zusammenwirken sehr verschiedener Fähigkeiten und Teilbereiche entsteht, denen sich Medienerziehung widmen muß. Wir beschreiben diese Teile mit Arbeitsbegriffen (und zugeordneten Handlungsfeldern):

Verarbeitungskompetenz (sozial verträgliche Verarbeitung von Medienerlebnissen), Auswahlkompetenz (selbstbestimmte zweck- und erlebnisorientierte Nutzung von Medienangeboten), Gestaltungskompetenz (kreatives Handeln mit Medien), Urteilskompetenz (Funktion und Bedeutung der Medien in der Gesellschaft beurteilen).

2. Medienkompetenz ist keine Zielprojektion, die „irgendwann" eingelöst wird; sie ist vielmehr (im Sinne sozialer Kompetenz) in einer dem jeweiligen Alter und Entwicklungsstand angemessenen Ausprägung erreichbar; Medienerziehung ist also im Blick auf Schule als alle Schulformen und -stufen durchlaufendes Prinzip zu begreifen.

3. Der auf jeder Altersstufe mögliche Querschnitt offenbart, daß die Teilkompetenzen stets gemeinsam entwickelt und vervollkommnet werden, also nicht etwa eine auf der anderen aufbaut. In jedem Schuljahrgang sollten also alle vier Handlungs- und Lernfelder Berücksichtigung finden.

4. Der in allen Teilkompetenzen bzw. Handlungs- und Lernfeldern mögliche Längsschnitt zeigt, dass diese sich relativ kontinuierlich durch die Schuljahrgänge ziehen, also keine Lücken oder Freiräume entstehen.“

2.3 Aussagen zur Medienkompetenz in den Rahmenrichtlinien Chemie Die Rahmenrichtlinien für den Chemieunterricht am Gymnasium /4 schreiben fest, dass der Unterricht Umwelt-, Lebens- und Anwendungsbezug hinreichend berücksichtigen soll. Dies kann auch durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationsmedien, wie die Darbietung geeigneter Videos, Filme oder Diaserien unterstützt werden. Unter Berücksichtigung regionaler Gegebenheiten soll der Unterricht dazu befähigen, die natürliche und technische Umwelt aus naturwissenschaftlicher Sicht zu erschließen, das wissenschaftliche Geschehen mit zu verfolgen und sich mit Informationen (zur Chemie) in den Medien kritisch auseinanderzusetzen. Im Chemieunterricht sollen die Schülerinnen und Schüler ... zur Arbeit mit fachwissenschaftlichen Texten ... angeregt werden. Sie sollen die Möglichkeiten des Computers zur Informationsbeschaffung kennen und Kenntnisse zur Nutzung von Netzwerken erwerben. Die Gestaltung eines problemorientierten Unterrichts kann durch den Einsatz des Computers für Messwerterfassung und Auswertung und für Modellbildung und Simulation optimiert werden. Im kognitiven Bereich sollen die Schülerinnen und Schüler unter anderem

Eigenschaften von Stoffen auf ihre Struktur zurückführen und dabei Modelle anwenden können, Versuchsergebnisse durch Hypothesenbildung und Modellvorstellung deuten und daraus gesetzmäßige Zusammenhänge herleiten, die Verflechtung der Chemie mit anderen Bereichen des Lebens erkennen, selbständig und zweckmäßig gedruckte und elektronische Informationsquellen nutzen und werten können.


3 Fach- und Medienkompetenz als Unterrichtsziel Der Anstoß für die Arbeit im Rahmen dieses Modellversuchs war die unumstrittene Notwendigkeit der pädagogischen Begleitung der Schüler auf ihrem individuellen Weg zur Medienkompetenz. Dabei ging ich von folgenden Thesen aus:

I. Die neuen Medien finden bei jungen Leute starken Zuspruch. In der Folge verändern sich Arbeitsstil, Gewohnheiten und Lebensart. Der Umgang mit Medien ist ein gesellschaftlicher Erziehungsfaktor.

II. Der Bildungs- und Erziehungsauftrag der Schule umfaßt auch die Arbeit im naturwissenschaftlichen Unterricht. Der Umgang mit Medien im Unterricht ist eine didaktische Notwendigkeit. Entsprechend den technischen Möglichkeiten werden auch neue Medien eingesetzt.

Daraus ergab sich die Schlussfolgerung: Bei einem geeigneten didaktischen Konzept können im naturwissenschaftlichen Unterricht Bedingungen geschaffen werden, die

A) den Erwerb von Fachkompetenz und B) den Erwerb von Medienkompetenz

ermöglichen. Unabhängig von der Art eines solchen Konzepts ist es selbstverständlich, dass Medien - vor allem die neuen Medien - im Unterricht eingesetzt werden, dass die Schüler mit den Medien arbeiten und Erfahrungen sammeln können, dass sie vor die Aufgabe gestellt werden, Wirkungen des Medieneinflusses zu reflektieren.

3.1 Funktionen von Lehr- und Lernmitteln Ob ein Objekt als Lehr oder Lernmittel zu bezeichnen ist, hängt nicht von seiner Beschaffenheit ab, sondern von der Möglichkeit seines Einsatzes im Unterricht, d.h. davon, ob es geeignet ist, etwas zum Erreichen des Unterrichtszieles beizutragen. Folgt man diesem Gedanken, so kann man die vielfältigen Lehr- und Lernmittel beispielsweise nach folgenden Gesichtspunkten klassifizieren:

Original, Experiment, schriftsprachliche Darstellung, Illustration, Film, Modell.

Innerhalb dieser Klassen können sich die Lehr- und Lernmittel grundlegend nach Inhalt, Form oder technischer Gestaltung unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit sollen vor allem die letzten vier Klassen unter folgenden Gesichtspunkten betrachtet werden:

Gibt der Einsatz dieses Mediums dem Schüler Gelegenheit, seine Fachkompetenz zu erweitern? Gibt der Einsatz dieses Mediums dem Schüler Gelegenheit, seine Medienkompetenz zu erweitern?

3.2 Herkömmliche und neue Medien als Lehr- und Lernmittel

3.2.1 Schriftsprachliche Darstellung Die Arbeit mit Text ist eine grundlegende Kulturtechnik zur Übermittlung von Kenntnissen und Erfahrungen in unserer Zeit. Sie ermöglicht die individuelle Steuerung des Lernprozesses und ist zugleich Grundlage weiterer Kommunikation. Sollen schriftliche Darlegungen als Lehrmittel im Unterricht eingesetzt werden, müssen sie in einer dem Schüler verständlichen Weise geschrieben sein. Von aller im naturwissenschaftlichen Unterricht eingesetzten Literatur besitzt das Lehrbuch die größte Bedeutung. Daneben kann aber auch andere Literatur den Lernprozess unterstützen. Texte populärwissenschaftlichen Inhalts werden von Schülern gern genutzt. Die spezifische pädagogische Wirksamkeit solcher Texte besteht auch darin, dass der Schüler den Stoff in anderer, oft reizvollerer Form, oder in einem anderem, für ihn interessanteren Kontext entdeckt.


Als Informationsträger für die schriftliche Darstellung sind im wesentlichen Bücher (vor allem das Lehrbuch), Broschüren, Zeitschriften, Zeitungen, Bildschirmtexte im weitesten Sinne, also auch www, Briefe und handschriftliche Aufzeichnungen verfügbar.

Auch in den neuen Medien spielen Texte (neben Bild und Ton) eine bedeutende Rolle. Der gravierendste Unterschied zu den traditionellen Printmedien besteht jedoch in der Verfügbarkeit der Information. Schon die Kombination von EDV und Bibliothek führt an den Universitäten zu einer wesentlichen Zeitersparnis bei der Literaturrecherche. Die fortschreitende Einbindung individueller und öffentlicher Bibliotheken in elektronische Netzwerke (WWW) ermöglicht immer häufiger den direkten Zugriff auf geeignete Texte. Hier sind sowohl die technischen Gegebenheiten als auch die Arbeitstechniken der Recherche in Entwicklung.

3.2.2 Illustration Unter Illustration soll hier jede Art von Bild, einschließlich zeichnerischer Darstellung, verstanden werden, die dem Schüler über die visuelle Wahrnehmung das Lernen erleichtert. Das visuell Wahrgenommene, unabhängig davon ob es wirklichkeitsgetreu oder wirklichkeitsfremd ist, kann mittels individueller Vorstellungskraft zu einem Kenntnisgewinn führen. Auch abstrakte Inhalte wie Gesetze, Theorien oder Eigenschaften lassen sich auf unterschiedliche Weise illustrativ darstellen. Es können Zusammenhänge veranschaulicht werden, die bei direkter Betrachtung nicht wahrzunehmen sind. Zu solchen Illustrationen gehören die tabellarische Darstellung des PSE oder die graphische Darstellung eines Atommodells oder Kristallgitters. Wesentlichen Darstellungsformen der Illustration sind

bildhafte Darstellung, schematische Darstellung, graphische Darstellung und tabellarische Darstellung.

Als Informationsträger für Illustrationen sind

Papierbild, Tafelbild, Lichtbild und Bildschirmbild und animiertes Bildschirmbild geeignet.

Je geringer der Aufwand für die Bereitstellung oder gar für die Herstellung einer Illustration ist, um so häufiger ist der Umgang der Schüler mit diesem Gestaltungsmittel denkbar. Mit der Bereitstellung von PC und Projektionsdisplay können weitere Anwendungsgebiete erschlossen werden. Der interaktive Eingriff in Tabellen oder schematische Darstellungen eröffnet Formen des Lernprozesses, die über solche hinausführen, welche bei bloßer Betrachtung möglich sind. Einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung von Medienkompetenz leistet die kreative Arbeit bei der Produktion von Illustrationen, wie sie am PC unter Einsatz von PowerPoint für alle Schüler auch im Unterricht möglich ist.

3.2.3 Film Unter dem Begriff „Film“ soll hier nicht der klassische Celluloidstreifen, sondern das inhaltliche Ergebnis dynamischer audiovisueller Darbietung verstanden werden. Durch das Medium Film können der reale Raum, die reale Zeit und die natürlichen Zusammenhänge von Dingen, Vorgängen oder Erscheinungen in ganz spezifischer Weise oder auch Übergänge von der Wirklichkeit zum Modell dargestellt werden. Der Film geht in seiner pädagogisch-methodischen Wirksamkeit vor allem in folgenden Punkten über die Illustration hinaus:

Darstellung von Eigenbewegungen und Veränderungen von Gerätschaften und Stoffen, Darstellung von Bewegungen, die in natura extrem langsam oder extrem schnell verlaufen (Zeitlupe), Darstellung von Bewegungen, die sich aus der Veränderung des Blickwinkels (Kamerastellung) ergeben,


Darstellung von Bewegungen, die sich aus der Veränderung des Beobachtungsabstands (Vergrößerungsmaßstab) ergeben, Darstellung von Vorgängen, deren direkte Beobachtung nicht möglich ist, weil sie zu gefährlich sind.

Die didaktische Funktion von Filmen betreffen vor allem

die Vermittlung exakter und dauerhafter Kenntnisse über chemische Vorgänge, Gesetzmäßigkeiten und Auswirkungen stofflicher Veränderungen auf die Umwelt, die gute Veranschaulichung und fassliche Darstellung des Wesens chemischer Prozesse und Apparaturen.

Die wesentlichen Darstellungsformen des Films sind

bildhafte Darstellung, modellhafte Darstellung, schematische Darstellung und symbolische Darstellung.

Auch das Medium Film hat sich mit der Entwicklung der neuen Medien verändert. Dies betrifft sowohl die technischen Grundlagen als auch die Einsatz- und Arbeitstechniken. Der Favorit unter den Unterrichtsfilmen ist zur Zeit der Video-Film. Bequeme Handhabung, einfache Kopierbarkeit und vor allem die Möglichkeit der eigenen Aufnahme und des eigenen Schnitts schaffen Bedingungen für die Entwicklung von Medienkompetenz. Für die medienpädagogische Arbeit im Unterricht ist eine breite Palette von kinematischen Bildern, die von einfacher GIF-Animation über animierte PowerPoint-Folien, Video-Clips auf CD bis zu Videofilmen reicht, von Interesse.

3.2.4 Modell Im mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich beschreibt der Begriff Modell eine vereinfachende bildliche oder mathematische Darstellung von Strukturen, Funktionsweisen oder Verlaufsformen. In der Wissenschaft Chemie werden zunehmend mathematische Modelle zur Beschreibung der Strukturen und deren Veränderung im atomaren Bereich eingesetzt. In schriftsprachlicher Form bestehen diese Modelle aus einem System von Differentialgleichungen. Für die Beschreibung von Vorgängen oder Zuständen unter besonderen Bedingungen werden auch mathematische Gleichungen eingesetzt, die empirisch oder durch Integration von Differentialgleichungen erhalten wurden. Für den Chemieunterricht sind hier z.B. die Schrödinger-Gleichung als Atommodell, die vant’Hoffschen Gleichungen als Zustandsmodell oder die Gleichungen zur Berechnung des pH-Werts unterschiedlicher Elektrolyttypen als Eigenschaftsmodell von Bedeutung. Modelle als bildliche Darstellung sollen dem Betrachter Sachverhalte und Erscheinungen anschaulich darstellen. Sie lassen sich teilweise wie die Originale dreidimensional betrachten, wobei Strukturen und Funktionsmechanismen der Originale deutlich werden. Neben den technologischen Modellen werden in der Chemie vorwiegend Modelle zur Darstellung von Atomen, Molekülen oder Gitterstrukturen verwendet. Diese weisen einen hohen Abstraktionsgrad auf und stellen die Wirklichkeit nur symbolhaft dar. Der Einsatz moderner Rechentechnik lässt nun eine Verschmelzung dieser Modellarten zu. Schon die Rechenkapazität eines PC ermöglicht die Bestimmung von einigen tausend Lösungen einer Differentialgleichung in einem vertretbaren Zeitumfang. Diese Lösungsmenge kann durch weitere mathematische Bearbeitung als bildliche Darstellung auf dem Bildschirm sichtbar werden. So können die Messergebnisse neben der Tabellenform auch in Bilder umgesetzt werden, die bisher unbekannte virtuelle Welten erlebbar machen. Besonders interessant ist dabei, dass die Randbedingungen für die Integration interaktiv vom Betrachter verändert werden können und das bildliche Modell somit Strukturen und Vorgänge unter verschiedenartigen Bedingungen zeigen kann. Die Nutzung solcher Möglichkeiten kann man auch als Simulation bezeichnen, da hier die mathematischen Modelle durch kybernetische Modelle ergänzt werden.. Bei der Simulation wird ein System durch ein kybernetisches Modell nachgebildet, welches dann auf dem Simulator (z.B. PC) nach den Gesetzen der Kybernetik in Funktion genommen wird. Die Folgen dieses Funktionierens werden mit der Wirklichkeit verglichen oder zur Formulierung von Prognosen auf die wirkliche Entwicklung genutzt


(z.B. Wettervorhersage). Der Einsatz moderner Rechentechnik mit hoher Rechenleistung ermöglicht die Auswertung komplizierter Modelle und eine aufwendige Präsentation der Ergebnisse (z.B. Wetterkarte). Da jeder Simulation ein Modell zugrunde liegt, unabhängig davon, ob es dem Benutzer bewusst ist oder nicht, soll hier noch kurz der Modellbegriff erörtert werden (vergl. auch /5 ). Das Modell ist stets Abbild eines Originals, welches wesentliche Eigenschaften von diesem erfasst. Der dadurch eventuell entstehende Informationsverlust ist nicht als unzulässige Vereinfachung zu werten, sondern ein Ausdruck der Grenzen des jeweiligen Modells. Modelle werden vor allem dann zur Erfassung des Originals herangezogen, wenn die Untersuchung oder die Darstellung der ausgewählten Eigenschaften am Original nicht oder nur eingeschränkt möglich ist. In den Naturwissenschaften spielen im Gegensatz zur Mathematik statische Modelle eine geringere Rolle. Vielmehr basiert das Simulationsprogramm in erster Linie auf dynamischen Modellen d. h. auf Modellen, die zeitabhängige Prozesse einfach simulieren können. Bei den dynamischen Prozessen ist zu unterscheiden in dynamische Prozesse mit stochastischen Komponenten und in dynamische Gleichgewichtsprozesse mit vielen gleichartigen Größen. Natürlich bedingen die unterschiedlichen dynamischen Prozesse auch unterschiedliche Anforderungen an ein Simulationsprogramm. Um ein Simulationsmodell als mediales Gestaltungselement bewerten zu können, ist der Vergleich von simulierten Werten mit den durch eine Messung gewonnenen Werten oft nützlich oder gar notwendig. Besonders eindrucksvoll wird der Vergleich, wenn die graphische Ausgabe von simulierten und gemessenen Werten im gleichen Koordinatensystem beobachtet werden kann. Von Bedeutung ist nun die Frage, wann im Unterricht die Computersimulation zum Einsatz kommen kann. Bezogen auf das Fach Chemie ist zu sagen, dass es Vorgänge gibt, deren Abläufe sich im Realexperiment nicht nachvollziehen lassen. Zum einen, weil sie beispielsweise zeitlich sehr schnell oder zu langsam ablaufen und/oder zum anderen messtechnisch schwer zugänglich bzw. im realen Prozess gar gefährlich sind. Durch diese Schwierigkeiten gelten solche Stoffinhalte allzu schnell als abstrakt und daher als schwer zu lehren. Hier kann die Computersimulation mit Gewinn eingesetzt werden. Entscheidend für den Einsatz der Computersimulation ist nicht, ob die Schüler das Modell zur Nachbildung des Vorgangs vollständig erfassen, sondern der Gewinn an Erkenntnissen in scheinbar unzugänglichen Bereichen ihrer Umwelt. Die Anwendung der Computersimulation empfiehlt sich somit nicht, wenn bereits durch das Realexperiment mit vertretbarem Aufwand ein hoher Grad an Verständnis und Fasslichkeit erreicht wird.

3.3 Möglichkeiten zum Erwerb von Medienkompetenz Im naturwissenschaftlichen Unterricht ist das Lehrbuch das wichtigste Informations- und Arbeitsmittel für den Schüler. Für spezielle Unterrichtsinhalte oder Bildungsanliegen sind zusätzliche Lehr- und Lernmittel erforderlich. Die didaktischen Möglichkeiten der neuen Medien gehen dadurch, dass sie mehrere Sinne (sehen, hören, berühren) ansprechen, weit über Information hinaus. Gerade bei dynamischen Systemen ist der Einsatz des bewegten Bildes zur Veranschaulichung (Illustration) von Veränderungen und Zusammenhängen von grundlegender Bedeutung. Auch die Möglichkeit des interaktiven Umgangs mit Lehrmitteln erschließt neue didaktische Anwendungsbereiche. So sind Arbeitsmethoden wie Modellbildung und Simulation auch für Schüler möglich. Ein für die Medienerziehung bedeutender Gesichtspunkt ist das kreative Handeln mit Medien. Durch die gegebenen technischen Möglichkeiten können Schüler die Medien dazu nutzen, selbst Lehrmittel (z.B. Präsentationen) herzustellen. Es ist eine Aufgabe dieses Modellversuches, Beispiele aufzuzeigen, wie der Lernprozess im naturwissenschaftlichen Unterricht so verändert werden kann, dass sich Fach- und Medienkompetenz nebeneinander entwickeln können. Dabei sind folgende Fragestellungen interessant:

Wie verändern neue Medien Ziele, Inhalte und didaktische Möglichkeiten des Unterrichts? Welche Bedeutung hat der Umgang mit den neuen Medien für die Arbeit der Schüler? Welche Kenntnisse über die neuen Medien sollen Schüler haben? Welche Fertigkeiten im Umgang mit den neuen Medien sollen Schüler haben?


3.3.1 Informationsbeschaffung und Auswahl Mit dem Einsatz der neuen Medien entstehen auch neue Probleme. Das immer größer werdende Informationsangebot zwingt zu straffer Auswahl und verlangt eine schnelle und kompetente Beurteilung der angebotenen Materialien. Informationen können als Printmedien, als audiovisuelle Konserven oder als PC-Dateien vorliegen. Daraus ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten der Informationsbeschaffung:

Herkömmliche Möglichkeiten durch Recherchen in Bibliotheken und Mediatheken (Stadtbibliothek, Unibibliothek, Medienstelle des LISA) unter Einsatz des PC zur Datenbankverwaltung und Informationsmedium bei der Bestellung; Angebotsrecherche über Internet mit anschließender Bestellung und Zusendung der Materialien durch Behörden und Ämter (Umweltschutz),, Bildungseinrichtungen (Akademien) oder Chemische Industrie und Buchhandel; Datenrecherche im Internet (thematische Suche von Informationen, speichern, drucken).

Ebenso unterschiedlich sind die Anforderungen in Bezug auf Auswahl und Beurteilung, welche an den Nutzer gestellt werden. Gibt es bei den Printmedien noch einigermaßen zuverlässige Rezensionen, ist die Beurteilung von Daten vor dem Importieren (Downloaden) äußerst schwierig. Häufig kann die Auswahl erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen. Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Beurteilung der Zuverlässigkeit bzw. der Seriosität der Information. Es ist ein Aspekt von Medienkompetenz, wenn bei jeder Information fast automatisch an folgende Fragen gedacht wird:

Wer hat diese Information kreiert? An wen ist die Information ursprünglich gerichtet? Welchen Zweck soll diese Information erfüllen?

Im Printbereich gehört die Quellenangabe zur selbstverständlichen Praxis wissenschaftlicher oder seriöser journalistischer Arbeit. Es gibt aber auch Printmedien, in denen Fakten, Ansichten oder Thesen durch den Leser nicht immer überprüfbar sind. Obwohl es auch im WWW viele Informationen mit korrekter Quellenangabe gibt, trifft dies bei weitem nicht für alle Web-Informationen zu. Gerade die offene Struktur des Internets erfordert eine besonders kritische Beurteilung von Informationen, die im Netz gefunden wurden. Neben der Auswahl einer Information ist die Beurteilung der Glaubwürdigkeit eine wesentliche Aufgabe des Nutzers. Es ist lohnend, die Schüler zum sachgemäßen Umgang mit den elektronischen Informationsquellen und effektiven Suchsystemen wie z.B. den sich schnell entwickelnden Suchmaschinen im Internet zu befähigen.

3.3.2 Das Internet als Informationsquelle Diese Abhandlung beruht auf den Ausführungen von HILDEBRAND /2, Kapitel 3 (Internet im Rahmen der Schule).

Ist der erste Schritt in Richtung Online-Medien erst einmal getan, ergeben sich neue Möglichkeiten, deren Erschließung zum Wohl der Schüler und der Schule als Institution im allgemeinen Interesse liegen sollte. Zum einen kann sich die Schule selbst im WWW präsentieren und hierdurch nationale und internationale Partnerschaften initiieren, aus denen breitere Kooperationen bis hin zum Schüleraustausch erwachsen können. Zum anderen erhalten die Schüler die Chance, sich in einem pädagogisch kontrollierten Umfeld mit dem neuen Medium auseinanderzusetzen. Durch solche Initiativen bietet die Schule ihren Schülern die Gelegenheit zu didaktisch wertvollen Aktivitäten und verschafft sich selbst den Ruf einer modernen, zukunftsorientierten und attraktiven Bildungsstätte. Sowohl die Fähigkeiten der Schüler im Umgang mit Online-Medien, als auch die Befähigung der Schüler zu einem selbständigen, bewussten und kritischen Umgang mit diesen Medien sind wichtige Unterrichtsziele. Viele Eltern haben die berechtigte Angst davor, dass ihre Kinder das Internet unkontrolliert nutzen. Auf den ersten Blick scheint sich der mögliche Schaden bei solchen Zugriffen auf die hohe Telefonrechnung zu beschränken. Auf den zweiten Blick ergeben sich ernstere Konsequenzen: unkritischer Umgang mit dem Medium und seinen Inhalten sowie exzessive Benutzung des Mediums. Das Surfen im "Cyberspace" kann nicht mit dem Lesen eines Buches verglichen werden. Der wesentliche Unterschied ist der ziellose Charakter dieser Tätigkeit: Wer im Internet surft, treibt mal hierhin, mal dorthin, als blättere er stundenlang in einem Buch. Die aufgenommenen Inhalte bleiben allenfalls fragmentarisch haften, und die Tätigkeit des Web-


Surfens wird womöglich zum Selbstzweck, der zwar Vergnügen bereitet, aber auch in die Sucht abgleiten kann. Schlimmstenfalls verschaffen sich die Jugendlichen außerhalb der Schule Zugang zu Inhalten, die ihnen in psychischer und seelischer Hinsicht Schaden zufügen können. Aufgrund der dezentralisierten Struktur des Internet fällt es schwer, die dort verfügbaren Inhalte zu kontrollieren. Inzwischen sperren allerdings immer mehr Provider aus eigener Initiative den Zugang zu Angeboten, die politisch bedenkliche oder pornographische Inhalte anbieten. Auch und gerade im Internet gilt: Man kann sich nur vor dem schützen, was man kennt. Für den Einsatz im Unterricht gilt jedoch: Die Wahrscheinlichkeit, dass Schüler zufällig auf bedenkliche Inhalte stoßen, ist äußerst gering, solange sie gezielte Zugriffe auf bekannte Adressen ausführen. Ein weiteres Risiko liegt in der mangelnden Sicherheit des Internet, was die Vertraulichkeit der übermittelten Informationen angeht, wie z.B. Namen, Adressen und andere persönliche Daten. Wenn der Jugendliche beispielsweise die Kreditkartennummer seiner Eltern kennt, kann er mit dieser ohne weitere Hemmung online einkaufen. Im Extremfall gelangt die Nummer sogar in die Hände von "Hackern", die keineswegs zum Vergnügen im Internet auf der Lauer liegen. Eine Beschäftigung mit dem Phänomen der Datenautobahn im Rahmen des Schulunterrichts kann den dargelegten Gefahren entgegenwirken. Ziel einer internet-bezogenen Unterrichtsreihe sollte es sein, die Motivation der Schüler in sinnvolle und fachbezogene Lernprozesse umzusetzen. Ein Risiko besteht zweifellos darin, das Medium (nur) als "Motivationsdroge" einzusetzen. Im Gegenzug gerät die Auseinandersetzung mit dem neuen Medium auch in Gefahr, wenn die Förderung der Kritikfähigkeit auf die Spitze getrieben wird und am Ende der Reihe einseitige Resultate stehen wie: "Das Internet ist ein chaotisches und daher nutzloses Spielzeug für Computerkids". Die Kunst in der Planung und Durchführung einer solchen Unterrichtsreihe liegt wohl darin,

den Einsatz der Online-Medien mit fachspezifischen Lernprozessen und Lernzielen zu verbinden, die Schüler nicht durch überhöhte Kritik oder übertrieben reflektierende Betrachtung zu frustrieren und ihnen den Umgang mit dem Medium zu verleiden. Dies gilt besonders mit Blick auf Schüler, die das Medium schon selbst nutzen oder ihm zumindest aufgeschlossen gegenüberstehen, jene Schüler zu berücksichtigen, die noch keinerlei Erfahrungen mit dem Medium oder gar Berührungsängste mit dem Computer haben.

Die Auseinandersetzung mit dem Internet sollte als ein Unternehmen gesehen werden, das zu kommunikativem Unterricht führt und die Schüler mit modernen Möglichkeiten zur "Selbstverwirklichung in sozialer Verantwortung" vertraut macht, wobei mit "sozialer Verantwortung" auch die Verantwortung der Schüler gegenüber ihrer eigenen Person gemeint sein muss, deren Beeinflussung durch die Medien wiederum auf die soziale Umgebung der Schüler rückwirken kann. Die Online-Medien fördern, wenn sie kompetent genutzt werden, die Kommunikation und Kooperation mit anderen Menschen. Sie eröffnen den Kindern und Jugendlichen Wege, sich in unterschiedlichster Weise zu entfalten, eigene Interessen bis hin zur persönlichen Weiterbildung zu verfolgen und sich auf die Anforderungen in Alltag, Ausbildung, Studium und Beruf vorzubereiten. Nicht zuletzt liefern die Online-Medien Chancen für neue Unterrichtsreihen und didaktische Innovationen.

3.3.3 Messwerterfassung und Messwertauswertung In der klassischen analytischen Chemie werden bevorzugt solche Reaktionen eingesetzt, die Produkte mit auffälligen Eigenschaften liefern. Es schließt sich dann z.B. die Bestimmung der Masse, der Dichte, der Fixpunkte, optischer oder elektrischer Eigenschaften an. In der modernen Analytik werden Signale unterschiedlicher Sensoren mit Hilfe datenverarbeitender Anlagen ausgewertet und zum Teil auch beurteilt. So erfolgt die Qualitätskontrolle in der chemischen Industrie in der Regel bis zum Erstellen des Untersuchungsprotokolls und dem Druck der Qualitätszertifikats für den Kunden durch moderne Analyseautomaten. Der Kontakt der Schüler mit solchen Verfahren ist im allgemeinen nur über Betriebsbesichtigungen und Praktika möglich. Ist in der Schule ein Interface und ein PC zur Messwerterfassung (Ablesen der Einzelwerte am virtuellen Messgerät) und Auswertung (grafische Darstellung der Messwerte) vorhanden, dann können elektrochemische Messverfahren (z.B. Konzentrationsbestimmung, pH-Wert Messung oder Leitfähigkeitsmessung) auch im Unterricht eingesetzt werden.


Die computergestützte Messwerterfassung und –auswertung unterstützt diejenigen Tätigkeiten, welche zwischen Experiment und der Beurteilung der Ergebnisse des Experiments liegen. Dazu werden die im Experiment zu messenden Größen (Temperatur, Druck, Farbe, Lichtdurchlässigkeit, Leitfähigkeit) durch einen Sensor in ein elektrisches Signal umgewandelt. Diese elektrischen Signale werden mittels eines „Interface“ (Analog-Digital-Wandler) in computerlesbare Signale umgewandelt und über eine geeignete Schnittstelle oder Steckkarte einem Computer zugeführt. Für die Auswertung der Messwerte sorgt dann die auf dem Computer installierte spezielle Software. Der sichere Umgang mit einer solchen Software erfordert einige Übung. Die Software erlaubt in der Regel eine benutzerdefinierte Steuerung des Interface und übernimmt die rechentechnische Bearbeitung der Messergebnisse. Dazu muss der Benutzer Informationen über die Art und Weise der Berechnung und einige Eichwerte eingeben. Die Ergebnisse des Experiments werden dem Benutzer wahlweise auf dem Bildschirm oder als Papierausdruck in unterschiedlicher Form (Tabelle, Diagramm) zur Verfügung gestellt. Auf der Grundlage der großen Anzahl der Messergebnisse und deren übersichtlich gestaltete Auswertung kann der Nutzer in kurzer Zeit eine sichere Beurteilung der Ergebnisse des Experiments vornehmen. Die Leistungsfähigkeit des Arbeitsplatzes zur Messwerterfassung und –auswertung wird wesentlich von der Qualität der Software bestimmt. Eine gute Software zeichnet sich nicht nur durch Bedienerfreundlichkeit und übersichtliche Darstellung der Ergebnisse sondern auch durch die Möglichkeit des Einsatzes des Interface für vielfältige Messungen und Auswertungen aus. Die genannten Fähigkeiten eines computergestützten Arbeitsplatzes sprechen für den Einsatz eines Interface im naturwissenschaftlichen Unterricht. Ein weiterer Gesichtspunkt ist der im Vergleich zu sonst nötiger Präzisionsmesstechnik relativ moderate Preis. Seine Höhe rechtfertigt es jedoch kaum, alle Schülerarbeitsplätze mit einem Interface auszustatten. Es ist schon erfreulich, wenn für den naturwissenschaftlichen Unterricht ein Interface für Demonstrationsexperimente zur Verfügung steht.

3.3.4 Modellbildung und Simulation Stammen die Daten für eine Auswertung (Tabelle, Diagramm, Illustration) nicht aus Messreihen sondern aus Rechnungen, deren Aufgabenstellungen aus einem Modell stammen, so spricht man von einer Simulation. Durch geeignete Software werden die mathematischen Modelle in funktionsfähige kybernetische Modelle umgeschrieben. Das Ergebnis der Simulation kann dann als Tabelle, Grafik oder als dreidimensionales Bild dargestellt werden. In den Fachwissenschaften erfreuen sich Simulationsverfahren einer immer größeren Beliebtheit, was durch folgende Gedanken begründet wird:

Die Forschungsarbeiten betreffen zunehmend spezialisiertere Bereiche der Wissenschaft. Dem stehen die Forderungen nach gesamtgesellschaftlicher und interdisziplinärer Forschung gegenüber. Computergestützte Modellbildungen und Simulationen helfen mit, die Verständigungsschwierigkeiten zwischen Vertretern unterschiedlicher Disziplinen abzubauen. Forschungsteams oder Projektgruppen müssen ihre Finanziers (Es ist gleichgültig, ob betriebliche oder öffentliche Mittel verbraucht werden.) vom Sinn und Nutzen, von der Beherrschbarkeit und Unschädlichkeit, vom aktuellen Stand der Ergebnisse, und anderes mehr überzeugen. Computergestützte Modellbildungen und Simulationen versprechen eine erfolgreiche Präsentation.

Die Simulation spielte schon in den Anfängen der Informationstechnischen Bildung eine Rolle. In vielen Arbeitsgruppen wurde z.B. mit unterschiedlichen Programmen zum Räuber-Beute Modell gearbeitet. Die Computerarbeitsplätze an den Schulen haben inzwischen eine Leistungsfähigkeit erreicht, die auch relativ anspruchsvolle Modellbildungen zulässt. Inzwischen sind an den Universitäten einige dieser Modellbildungen soweit entwickelt, dass sie sowohl aus methodischer als auch aus technischer Sicht im Unterricht der Schule eingesetzt werden können. Neben der Zielstellung, den Schülern eine moderne wissenschaftliche Arbeitsmethode exemplarisch zugänglich zu machen, spricht auch der Aspekt, dass das Verständnis einer schwierigen oder komplexen Problematik durch Simulationen erleichtert werden kann, für den Einsatz der Simulation als didaktisches Hilfsmittel im allgemeinbildenden Fachunterricht.


4 Allgemeine Rahmenbedingungen für die Projektarbeit

4.1 Inhaltliche und organisatorische Voraussetzungen Ein erfolgreiches Aufgreifen fächerübergreifender Zusammenhänge bedarf der engen Wechselbeziehung zum jeweiligen Fachunterricht, in diesem Falle also dem Unterricht in den Fächern Chemie und Informatik. Am Projekt waren 18 Schüler der Klasse 11G1 beteiligt. Von diesen Schülern hatten nur 9 einen der beiden Informatikkurse belegt. Somit wurde die medienbezogene Arbeit im Chemieunterricht durch die Inhalte des Informatikunterrichts nur mittelbar beeinflusst.

4.1.1 Voraussetzungen aus dem Informatikunterricht Im Schuljahrgang 11 ist der Informatikunterricht dem Wahlpflichtbereich zugeordnet. In diesem Schuljahr wurden an unserer Schule zwei Kurse im Umfang von zwei Stunden pro Woche angeboten. Die informationstechnologischen Kenntnisse, Fähigkeiten und Fertigkeiten der Schüler, die diese Kurse belegten waren individuell sehr unterschiedlich. Man könnte den informationstechnologischen Bildungsstand der am Projekt beteiligten Schüler in drei Niveau-Gruppen gliedern: 1. Keine oder nur elementare informations- und kommunikationstechnologische Grundkenntnisse,

(betrifft etwa 4 Schüler) Es ist zu erwarten, dass die in den Rahmenrichtlinien des Gymnasiums genannten Inhalte der informations- und kommunikationstechnologischen Grundbildung umgesetzt wurden. Der ungenügende Kenntnisstand dieser Schüler wurde hinterfragt und es ergab sich unter anderen die folgende Erklärung:

mangelnde technische Voraussetzungen; Diese Schüler besitzen zu Hause keinen PC. Die Integration einer IKG in den Fachunterricht ist seit 1994 in den Rahmenrichtlinien ausgewiesen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den Schuljahrgängen 7 und 8. Für die betroffenen Schüler waren dies die Schuljahre 1995/96 und 1996/97. Die Schüler einer Klasse haben in diesen beiden Jahren zusammen etwa 8 Mathematikstunden mit dem PC gearbeitet. Dabei saßen 3 bis 4 Schüler an einem PC-Arbeitsplatz.

mangelndes Interesse an der Ausbildung seitens der Lehrer und der Schüler; In einer der Parallelklassen wurde dieser Unterricht nicht erteilt. An der Arbeit mit dem PC im Rahmen von Arbeitsgemeinschaften bestand seitens der Schüler kein Interesse. Arbeiten mehrere Schüler (3 bis 4) gleichzeitig am selben PC wird das Lernergebnis wesentlich durch die individuelle Lernstrategie des Schülers bestimmt. Schüler, die sich dem Gerät neugierig forschend zuwenden, haben auch unter diesen schlechten Bedingungen Lernerfolg. Dies ist bei vielen , aber auf keinen Fall bei allen Schülern zu beobachten. Erlebnisbericht aus dem Informatikunterricht Kl. 11: Übungsthema: Erstellen von Tabellen mit einer Textverarbeitungssoftware; Einige Funktionen wurden vom Lehrer ausführlich erklärt. Im Menü „Tabellen“ gibt es aber noch weitere Punkte, die unter Verwendung der Hilfefunktionen der Software selbst erforscht werden sollen. Zitat einer Schülerin: „Wozu soll ich in der Hilfe suchen? Dazu ist doch der Lehrer da, um mir alles zu erklären.“ Schüler, die sich zurückhalten, nehmen bei Gruppenarbeit nur wenig aus dem Unterricht mit.

2. ausreichende informations- und kommunikationstechnologische Grundkenntnisse,

(betrifft etwa 9 Schüler) Die Schüler sind an den neuen Technologien prinzipiell interessiert. Sie nutzen die Angebote der Schule im Unterricht und zeitweise auch in Arbeitsgemeinschaften, um informationstechnologische Kenntnisse zu erwerben. Diese Kenntnisse sind jedoch recht einseitig (interessenbezogen). Bei der Arbeit am PC treten häufig elementare Fehler auf. Gespeicherte Daten werden z.B. nicht wieder gefunden. Der PC der Eltern wird nur gelegentlich oder nur zu speziellen Zwecken (Spiele) genutzt.


3. gute bis sehr gute informations- und kommunikationstechnologische Kenntnisse. (betrifft etwa 5 Schüler) Die Schüler sind sehr an den neuen Technologien interessiert. Sie suchen nach Angeboten der Schule, die ihnen den Zugang zu einem PC (möglichst mit Internetanschluss) ermöglichen. Auf einigen Teilgebieten haben sie umfassende Kenntnisse. Mit dem PC gehen sie souverän um. Der PC der Eltern (oder auch der eigene) wird regelmäßig genutzt. In Arbeitsgemeinschaften bezieht sich ihr Interesse auch auf Programmiersprachen. Sie sind in der Lage, vorhandene Hilfsmittel effektiv zum selbständigen Kenntniserwerb einzusetzen.

4.1.2 Die Arbeit im Chemieunterricht Im Schuljahrgang 11 ist der Chemieunterricht Pflichtunterricht. Er wird von allen Schülern im Klassenverband je zwei Stunden pro Woche besucht. Die Arbeit im Unterricht des Faches Chemie in Sachsen-Anhalt wird wesentlich durch ein Spannungsfeld bestimmt, welches einerseits durch die liberale Formulierung der Inhalte und Zielstellungen des Unterrichts in den „Rahmenrichtlinien“ und den sehr allgemein formulierten „einheitlichen Prüfungsanforderungen“ und andererseits durch den Wunsch einer möglichst punktgenauen Vorbereitung auf die Anforderungen des Zentralabiturs gegeben ist. Daraus resultiert für mich ein beständiger und wohl auch etwas ängstlicher Blick auf die Ergebnisse des eigenen Unterrichts, die nicht unbedingt an wünschenswerten Idealen sondern an den erwarteten Prüfungsaufgaben gemessen werden. Die ungewichtete Anhäufung fachlicher Termini in den „Prüfungsanforderungen“ erfordert es, die Unterrichtszeit auf alle Stoffgebiet gleichmäßig zu verteilen. Es wird wohl nicht immer möglich sein, das Gefühl der Zeitnot vor den Schülern zu verbergen. Eine weitere Besonderheit des Chemieunterrichts in Sachsen-Anhalt ist durch die reformfreudige Bildungspolitik gegeben. Im Zusammenhang mit der Einführung der Förderstufe und dem 13. Schuljahr wurde das Curriculum für das Fach Chemie grundlegend verändert. Neben den organisatorischen Aspekten (z.B. Unterrichtsbeginn erst ab Kl. 8) trifft dies auch auf die inhaltliche Gesamtschau zu. Im Vergleich zu vergangenen Richtlinien wurden viele (fachwissenschaftliche) kognitive Ansätze zugunsten phänomenologischer Betrachtungen aufgegeben. Aus den Formulierungen der Rahmenrichtlinie ist für mich nicht immer sicher zu beurteilen, welche Kenntnisse und Fähigkeiten vom ausgebildeten Schüler erwartet werden. Hier ein Beispiel, welches einige der in dieser Arbeit dokumentierten Unterrichtssunden betrifft:

Der Fachlehrer muss entscheiden, ob und in welcher Tiefe er den Schülern im Stoffgebiet Elektrochemie die Arbeit mit der Nernst’schen Gleichung vermitteln will.

Pro: Es werden Kenntnisse über Wasserstoff- und Sauerstoffkorrosion verlangt. In den RRL ist nicht aufgeführt, ob oder in welcher Tiefe diese Phänomene begründet werden sollen. Zur Begründung ist die Kenntnis der Gesetzmäßigkeiten, welche die Nernst’schen Gleichung beschreibt, notwendig.

Kontra: Der Begriff der Nernst’schen Gleichung wird in den Richtlinien nicht genannt. Die für das Verständnis notwendigen Begriffe wie Konzentration und chemisches Gleichgewicht werden erst im Schuljahrgang 12 behandelt.

Da die Schulbuchverlage das hohe Tempo der Reformpolitik nicht mithalten können, gibt es für den Schuljahrgang 11 keine geeigneten Chemielehrbücher. Damit fehlt ein wesentliches Lehrmittel. In diesem Projekt wurde also auch der Versuch unternommen, diesen Mangel durch den Einsatz der neuen Medien auszugleichen.

4.2 technische Voraussetzungen

4.2.1 Die informationstechnische Grundausstattung der Schule Für die Arbeit an diesem Projekt standen in der Schule

ein Arbeitsraum mit 9 PC-Arbeitsplätzen (Informatik-Raum) und ein PC mit Interface (Chemieraum)

zur Verfügung. Die 9 Geräte im Informatikraum sind zu einem lokalen Netzwerk zusammengefasst, welches eine Datenübertragung von jedem Gerät zu jedem ermöglicht. Programme können nur von der Festplatte des jeweiligen Arbeitsplatzes laufen. Über das Netzwerk hat jeder Arbeitsplatz einen Internetanschluss.


technische Parameter der Arbeitsplätze:

Prozessor: Pentium Frequenz: 130 MHz

Arbeitsspeicher: 16 MB Betriebssystem: Win 95

Monitor: 15“ color Drucker: zwei Netzwerkdrucker

Die einzelnen Arbeitsplätze sind durch die Schülerarbeitsgruppen selbständig bedienbar. Sie können mit ihrem eigenen Betriebssystem und der installierten Anwendersoftware als Einzelplatzrechner genutzt werden. Auch der Browser für den Internetzugang ist auf jedem Rechner installiert. Somit können gespeicherte Dateien auch im off-line-Verfahren unabhängig vom Netzwerk bearbeitet werden. Das Netzwerk dient also nur dem Datenaustausch. Die Schüler haben die Kompetenz, Teile ihres Arbeitsplatzes (z.B. das Diskettenlaufwerk) für andere Netzwerknutzer freizuschalten (mit Schreibschutz oder auch als Lese-Schreib-Zugriff). Der für den Netzwerkbetrieb notwendige Server steht im Nebenraum. Der Zugriff auf dessen Software ist in unterschiedlichen Kompetenzstufen passwortgeschützt. Dies trifft auch auf die zur Kommunikation mit dem Provider bestimmten Programme und auf den Zugang zum Internet zu. Ist der Server ins Internet eingeloggt, können die auf den Arbeitsplätzen installierten Browser Daten empfangen. Auf der Festplatte gibt es einen für die Schüler zugänglichen Bereich ( Imitation eines Proxy-Servers mit nur Lese-Zugriff), der von allen Arbeitsplätzen des Netzes genutzt werden kann. In der Regel werden hier vom Lehrer ausgewählte Daten abgelegt, die den Schülern auch zur Verfügung stehen, wenn die Datenleitung zum Provider aus Kostengründen getrennt wurde.

4.2.2 Beschreibung des eingesetzten PC-Arbeitsplatz mit Interface Der Computer, an dem das Interface angeschlossen ist, hat folgende Leistungsparameter:

Prozessor: 486 Frequenz: 30 MHz

Arbeitsspeicher: 4 MB Betriebssystem: Win 311

Monitor: 15“ color Drucker: Nadeldrucker

Über das Interface geben die Herstellerinformationen. /6 Auskunft: Das eingesetzte Interface wurde von der

IBK electronic+informatic GmbH Rottauer Straße 6 83233 Bernau am Chiemsee

entwickelt. Die Sensoren und die Elektronik des Modells sind den Erfordernissen des Chemieunterrichts angepasst. Die Hardware trägt den Namen „Chembox CB2 “, die Software heißt „Chemex CE1“

„Es ist unerlässlich, die Jugend bereits während der Schul- und Berufsausbildung im Umgang mit dem PC und seinen verschiedenen Anwendungen vertraut zu machen. IBK hat zu diesem Zweck in enger Zusammenarbeit mit Lehrern und Ausbildern ein Didactic-System bestehend aus Hardware, Software und Sensorik, für den naturwissenschaftlichen Unterricht entwickelt.“/6

Das universelle Interface Chembox CB2 wandelt die über Sensoren erfassten analogen und digitalen Eingangssignale in computerlesbare Signale um. Diese Signale werden vom Computer (PC) gelesen und mittels der Software Chemex CE1 ausgewertet und in ansprechender, aussagekräftiger Form als Zahlenwert oder grafisch als Analoganzeige, Diagramm etc. auf dem PC-Monitor dargestellt. Die Versuchsergebnisse können über einen beliebigen Drucker in benötigter Stückzahl ausgedruckt und zur Versuchsdokumentation verwendet bzw. ausgehändigt werden. Die Bedienung der Chembox erfolgt ausschließlich über den PC im Dialogmodus. Durch die grafische Bedienoberfläche Windows (311 bis 98) und die einfache Bedienerführung ist ein unproblematischer Einsatz im Ausbildungs- und Praktikumsbereich auch für ungeübte Anwender sichergestellt.


Die wesentlichen technischen Leistungsmerkmale sind:

Betrieb über eine seriellen Schnittstelle (d.h. beim Anschluss ist kein Eingriff in den PC nötig), elektronisch und mechanisch robuste Ausführung (Metallgehäuse, automatische Eingangssicherung); Mehrere unabhängige Geräte (Millivoltmeter, Leitfähigkeitsmesser, pH-Meter,...) sind zu einer Einheit zusammengefasst. Bedienerfreundliche Oberfläche unter Windows, Betrieb als analoges oder digitales Messgerät oder als x-y bzw. y-t – Schreiber, automatische Aufnahme von Titrierkurven mit Volumenmessung.

Die Software Chemex ist eine Experimentier-, Mess- und Steuersoftware für Ausbildung und Labor in den Bereichen Chemie, Pharmazie, Biologie und Medizin. Sie ist die graphische Benutzeroberfläche für das universelle Interface Chembox. Um auch ungeübten Benutzern die Bedienung des Programms zu ermöglichen, wurde größter Wert auf einfache, grafisch orientierte Bedienung gelegt. Nach dem Programmstart erscheint die Chemex Oberfläche. Schreiber Der Chemex-Schreiber ist ein universeller Schreiber, der im x-y und y-t Betrieb arbeitet. Der Benutzer wählt die Messgrößen, welche die Chembox erfasst, oder nimmt errechnete Werte und legt diese beliebig auf die Achsen: z.B. pH-Wert, Leitfähigkeit und Temperatur in Abhängigkeit der zugegebenen Menge - wie oben dargestellt. Die Messbereiche werden automatisch gewählt, können aber auch während des Betriebs durch Klicken mit der Maus verändert werden. Ebenso kann der Nullpunkt durch Ziehen an der Skala verschoben werden. Über die an der rechten Seite liegenden Werkzeuge können Messreihen nachbearbeitet, vermessen, beschriftet, verrechnet, abgespeichert (Tabellen-Format) sowie ausgedruckt werden

Durch Anklicken der gewünschten Karteikarte an der rechten Seite des Bildschirmes kann man zwischen den einzelnen Funktionen umschalten. Es stehen ein Mess- und ein Info-Teil zur Verfügung.

In der Gruppe Messen sind alle Funktionen für die Erfassung, Aufzeichnung und Auswertung von Signalen zusammengefasst: digitale und analoge Anzeigen, Schreiber, Signalverknüpfung und Steuerung bzw. Regelung. In der Gruppe Info ist sämtliches Bild- und Textmaterial zu den Versuchen bzw. Aufgaben abgespeichert.

Auf nebenstehendem Bild ist auch die senkrechtstehende Werkzeugleiste mit den Zusatzfunktionen für den Schreiber (Zoomfunktion, Glättungsfunktion, Integration, Tangente usw.) zu erkennen. Die einzelnen Funktionen arbeiten unabhängig voneinander.

Anzeige Chemex bietet dem Benutzer bis zu vier in ihrer Größe veränderbare Anzeige-Instrumente am Bildschirm. Die gemessenen oder errechneten Größen werden analog (Zeigerinstrument) oder digital oder kombiniert dargestellt. Steuerung Der Chemex Steuerungsteil ermöglicht dem Benutzer Regelungen und Steuerungen durch die Chembox zu realisieren. So kann z.B. über Temperatur-Schwellwerte ein Tauchsieder ein- und ausgeschaltet oder eine Warnung über den PC ausgegeben werden. Ferner ist es z.B. möglich ein Rührwerk zeitgesteuert ein- und auszuschalten.

Chemex- Oberfläche Das Karteikartensystem ist übersichtlich und gewährleistet auch dem ungeübten Anwender einfache, unkomplizierte und sichere Bedienung.


Signal-Verknüpfung Chemex ermöglicht, Messwerte von der Chembox mittels mathematischer Formeln umzurechnen. Am Bildschirm können die Messwerte in ursprünglicher und aufbereiteter Form dargestellt werden. Zur Umrechnung, Verknüpfung, Linearisierung und Kalibrierung, können die Signale in der Signalverknüpfung mittels mathematischer Formeln benutzerdefiniert verarbeitet werden. Erarbeitete Versuchskonfigurationen können abgespeichert und wieder aufgerufen werden. Dadurch sind Versuche wiederholbar. Kalibrierung Durch eine Kalibrierung der gesamten Messkette werden mit diesem System auch genaue Messungen möglich. Dabei legt die Software eine Kalibirierdaten-Datei an, die bei Bedarf auf der Festplatte abgespeichert und von dort aufgerufen werden kann. Infos Um dem Auszubildenden den Versuchsaufbau zu erleichtern, die richtige Menge an Chemikalien vorzubereiten und allgemeine Informationen zum Versuch und zur Ausarbeitung anzubieten, können Bilder und Texte eingebunden werden. Es können viele gängigen Bildformate z.B. BMP, PCX, GIF, TIF, JPEG, CMP verwendet werden. Mittels Foto CD, Scanner, Zeichen- und Textverarbeitungsprogrammen kann der Lehrer jederzeit wichtiges Informationsmaterial einarbeiten.

4.2.3 Beschreibung der eingesetzten Informations- Simulations- und Animationssoftware

Software zu Eigenschaften und zur Struktur der Stoffe: In der Reihe WIN-Funktion des bhv-Verlages ist auch die Lernsoftware Chemie/Biologie erschienen / 7. Die für die Arbeit im Unterricht notwendigen Arbeitsmöglichkeiten sind über das Hauptmenü und dann über die Menüpunkte ‚Elemente‘ und ‚Verbindungen‘ verfügbar. Für die Arbeit in den beschriebenen Unterrichtsstunden wurden vorwiegend folgende Menüpunkte eingesetzt:

‚Elemente\Elementinformation‘ Neben den Informationen zum Atombau ist ein ausführlicher Artikel über Eigenschaften, Vorkommen und auch wirtschaftliche, politische und kulturelle Aspekte vorhanden. Hier wird vom Schüler vor allem die Fähigkeit des gezielten Auswählens gefordert.


‚Verbindungen\Eigenschaften chemischer Verbindungen‘ Hier werden, wie das folgende Bild beispielhaft zeigt, Grundinformationen und einige numerische Werte in knapper Tabellenform angeboten, aus denen weitere Eigenschaften (z.B. Aggregatzustand bei Zimmertemperatur) abgeleitet werden können. Die Stoffauswahl erfolgt durch Blättern (oder Eingabe des Anfangsbuchstabens) im linken Auswahlfeld.

‚Verbindungen\Bindungscharakter‘ Zur Beurteilung des Bindungscharakters werden die beiden gebundenen Elemente in je einem Auswahlfeld festgelegt. Das Ergebnis wird in Form eines Antwortsatzes auf der Grundlage der Differenz der Elektronegativitätswerte ausgegeben. Bei der Arbeit mit diesem Menüpunkt können die Schüler anschaulich die Grenzen oder besser die Schwächen interaktiver Lernmittel erfahren. Sie müssen akzeptieren, dass die Antworten für Metalle falsch sind. Dies löst bei den Schülern erstaunte und ungläubige Reaktionen aus. Sie sind erfahrungsgemäß gewohnt, den Angaben in Lehrbüchern einen hohen Wahrheitswert zuzusprechen. Die Autoren können die Richtigkeit der Ausführungen durch mehrfaches Korrekturlesen relativ zuverlässig erreichen. Für einen Programmierer ist es ungleich schwieriger, alle Varianten der interaktiven Software so auszutesten, dass Fehlerfreiheit garantiert werden kann. Die Schüler erleben so, dass man Fehler in der Software zwar nicht entschuldigen kann aber trotzdem mit einer höheren Fehlerquote als in Printmedien rechnen muss. ‚Verbindungen\Moleküle‘ Von den häufig auftretenden Strukturgruppen wird in dieser Software nur über den Molekülbau brauchbar informiert. Die Ausführungen über Kristalle sind einerseits zu allgemein und andererseits auf einem wissenschaftlichen Niveau, dass den Anforderungen des 11. Schuljahrgangs übersteigt. Hier müssen die Schüler andere Lernmittel einsetzen. Der unter diesem Menüpunkt angebotene Molekülbetrachter erfüllt jedoch fast alle Wünsche, die im allgemeinbildenden Chemieunterricht auftreten. Jedes Molekül ist in unterschiedlichen Modelldarstellungen (Stäbchen, Kalotten) abbildbar. Es kann in jeder Darstellungsform interaktiv mit der Maus beliebig im Raum gedreht werden. So kann sich der Anwender ein gutes Bild vom räumlichen Aufbau des Moleküls machen, was jedoch in den untenstehenden Beispielen für das Kohlendioxidmolekül und das Methanolmolekül in jeweils zwei Darstellungsarten nur ungenügend zum Ausdruck kommt.


Software zur Struktur der Stoffe: Illustrationssoftware RASMOL2.6 Diesen Molekülbetrachter kann man aus dem WWW frei importieren:

http://www.umass.edu/microbio/rasmol/distrib/rasman.htm

Für die Arbeit der Schüler wurde eine lauffähige Version auf CD bereitgestellt. (Diese befindet sich auch auf der beiliegenden CD im Ordner Ergebnis/Materialsammlung/Modelle /rasmol.) Diese freie Version hat nicht den vollen Leistungsumfang der Vollversion. Sie kann mit einer Größe von 250 kB von der Diskette aus gestartet werden. Die dazugehörigen Moleküldateien kann man an der UNI Hohenheim bestellen Sie werden kostenfrei geliefert. Die Schüler können unterschiedliche Modelldarstellungen von dem zu bearbeitenden Molekül (Stäbchenmodell, Kalottenmodell u.s.w.) ansehen und dieses Bild so bewegen, dass der Effekt einer Drehung des Modells entsteht. Die Einsatzmöglichkeiten dieses Molekülbetrachters ist wesentlich beschränkter als die der oben beschriebenen universalere Win-Funktions-Software. Zum Vergleich sind Bilder des Ethanolmoleküls wiedergegeben. Das Modell kann in jeder Darstellungsform beliebig gedreht werden. Für einige Aspekte des Unterrichts bietet sie jedoch eine wertvolle Ergänzung. In dem hier beschriebenen Unterricht wurde vor allem die Möglichkeit der Kristallstrukturdarstellung genutzt. Als Beispiel sind unten die Darstellungen von Diamant, Graphit und Fullerenen wiedergegeben. CHIME-PLUG-IN FÜR WEB-BROWSER Eine weitere Möglichkeit, Moleküle dreidimensional anzuzeigen ist CHIME™ ,ein frei aus dem Internet herunter ladbares Plug-In für Web-Browser wie Internet Explorer und Netscape. Die Rechte liegen bei der Firma MDL Information Systems. Auf der CD-ROM "3-D-Moleküle" (Bestell-Nr. CD-010) ist das CHIME-Plug-In enthalten. Was kann CHIME? Mit CHIME™ kann man Molekül-Darstellungen dreidimensional betrachten, sie dabei drehen und zoomen. Hierzu muss man mit dem Mauszeiger auf die Abbildung gehen und dann die entsprechende Maustaste betätigen. Dateien und Hinweise zur Installation befinden sich auch auf der beiliegenden CD im Ordner Ergebnis/Materialsammlung/Modelle/Ch-Master.) Medien zu Eigenschaften der Stoffe: Im WWW befindet sich eine Datenbank zum Thema Chemikalien: Sicherheitsdaten :

http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/safety/chemsafety.html

in der Eigenschaften von Stoffen genannt und Hinweise auf ihre Umweltbelastung gegeben werden. Hier finden die Schüler die wesentlichen Eigenschaften und Hinweise zum Umgang und zur Verwendung und Entsorgung der Stoffe.


5 Unterrichtsbeispiel zum Schwerpunkt „Modellbildung, Simulation und Animation“

Aufgabe: Beurteilen des Zusammenhangs zwischen Eigenschaften, Struktur von Stoffen Medienkompetenz: Arbeiten mit Informations-, Illustrations- und Simulationssoftware mit der Zielstellung

des tieferen Verständnisses ausgewählter naturwissenschaftlicher Erscheinungen(Gestaltungskompetenz).

5.1 Informationstechnologische und fachliche Zielstellungen In den Rahmenrichtlinien für den Schuljahrgang 11 (Einführungsphase) ist für das Fach Chemie als Thema I die „Chemische Reaktion als Einheit von Stoff- und Energieumwandlung“ ausgewiesen. Hier sollen allgemeingültige Kenntnisse über das Thema halbquantitativ betrachtet und experimentell gestützt werden. Sie sind theoretische Grundlage für die Behandlung praxisrelevanter Bereiche der Chemie. Die Schüler sollen die chemische Reaktion

in ihrem komplexen Zusammenhang kennenlernen, als theoretische Grundlage für die Herstellung von Stoffen und für die Gewinnung nutzbarer Energie erkennen und im ökonomischen und ökologischen Zusammenhang von Stoff- und Energieumsatz im Sinne einer „nachhaltigen“ Entwicklung sehen können.

Sie sollen dabei

die chemische Reaktion als Einheit von Stoffumwandlung, Teilchenumordnung, Verändern der chemischen Bindung und Energieumwandlung begreifen und die Merkmale einer chemischen Reaktion im konkreten Experiment wiedererkennen.

In den Prüfungsanforderungen /8 wird als fachliche Qualifikation für das Bearbeiten von theoretischen Fragestellungen

das Anwenden der chemischen Fachsprache und Symbolik, das Erkennen von Möglichkeiten und Grenzen für die Arbeit mit Modellen und auch das Herstellen von Beziehungen zwischen Bindungsverhältnissen, Struktur und Eigenschaften von Stoffen

gefordert. In Bezug auf Medienkompetenz können daraus folgende Lernziele abgeleitet werden: Die Schüler sollen

das Verständnis vertiefen, dass der Computer nicht nur ein wichtiges und vielseitiges Arbeitsmittel in Wirtschaft und Verwaltung, sondern auch ein modernes und leistungsfähiges Hilfsmittel in der Forschung ist und die Computersimulation und Illustration am Beispiel naturwissenschaftlicher Vorgänge als grundlegende Arbeitsmethode einschließlich ihrer Grenzen kennenlernen und selbst erleben.

Im Prozess der Arbeit mit solcher Software sollen die Schüler eigenständig Antworten zu Problemstellungen finden und dabei auch die Grenzen des jeweiligen Programms erkennen. Im Einzelnen sollen die Schüler

erkennen, warum in bestimmten Fällen Simulationen notwendig sind, durch die Simulationen das selbständige, tiefere Eindringen in den naturwissenschaftlichen Vorgang erleben, besonders, wenn es mit den Realexperimenten unter den gegebenen Bedingungen schwierig oder sogar praktisch unmöglich ist, wissen, dass sich hinter jeder Simulation ein Modell verbirgt, aus dem heraus sich die Interaktionen entwickeln, (Bei den Computersimulationen in den Naturwissenschaften sind das naturwissenschaftliche Gesetze, vereinfachende Modellannahmen und mathematische Rechenverfahren.) über das Fachverständnis hinaus Fertigkeiten im Umgang mit Simulationssoftware erhalten, d. h. vorhandene Benutzeroberflächen bedienen lernen und gezielte Parameteränderungen vornehmen können, Einsicht in die Grenzen und Möglichkeiten der Fehlinterpretation von Simulationen bekommen und daraus persönliche Verhaltensweisen ableiten.


5.2 Arbeit mit Software zur Illustration des Baus von Molekülen

5.2.1 Stellung der Unterrichtseinheit im Bildungsgang Ein Schwerpunkt des Themenbereichs „Merkmale chemischer Reaktionen“ ist die Interpretation der chemischen Reaktion als Einheit von Stoff- und Energieumwandlung. Die Frage nach den Gesetzmäßigkeiten dieser Vorgänge führt zur Arbeit mit einer dem Wissenstand der Schüler entsprechenden Modellvorstellung. Die chemische Reaktion als Stoff- und Energieumwandlung wird ursächlich in der Umordnung der Teilchen und dem Lösen und Neubilden von Bindungen gesehen. Grundlagen dieser Modellvorstellung sind Modelle über den Bau der Teilchen und der chemischen Bindung. Um diese komplexe Betrachtungsweise zu erfassen, müssen die Schüler neben dem Erwerb neuer Kenntnisse auch Fertigkeiten im Umgang mit der chemischen Zeichensprache (beschreiben chemischer Reaktionen) trainieren. Dabei ist die Systematisierung der Reaktionen nach Reaktionstypen hilfreich. Die Schüler sollen bei einer konkreten chemischen Reaktion den Reaktionstyp erkennen und aus den allgemeinen Gesetzmäßigkeiten konkrete Schlussfolgerungen zu dieser Reaktion ableiten können. Stundenübersicht: 1. Stunde: Einteilung der Stoffe nach Strukturmerkmalen

Als Ergebnis der Stunde erhalten die Schüler eine Übersicht (siehe Arbeitsmaterial 1) 2. Stunde: Übungen zur Einteilung der Stoffe

In Gruppenarbeit werden die Eigenschaften von gegebenen Stoffen beurteilt (siehe Arbeitsmaterial 2). Die dazu notwendigen Untersuchungen (Überprüfen der Löslichkeit in Wasser bzw. der elektrische Leitfähigkeit) werden von den Schülern selbständig geplant und durchgeführt.

3. Stunde: Recherche zu Stoffeigenschaften und Stoffstrukturen Die beobachteten und ermittelten Eigenschaften werden durch Literaturinformationen ergänzt. Als Informationsquellen stehen dem Schüler das Nachschlagwerk „Tabellen und Formeln“ des Paetec-Verlags und die auf dem PC installierte Lernsoftware Win-Funktion / Biologie/Chemie und der Molekülbetrachter RASMOL zur Verfügung.

4. Stunde: Einteilung chemischer Reaktionen nach der Art der Teilchenveränderung Als Ergebnis der Stunde erhalten die Schüler eine Übersicht (siehe Arbeitsmaterial 3)

5. Stunde: Die chemische Reaktion als Einheit stofflicher und energetischer Veränderungen 6. Stunde: Die Standardenthalpie als Mittel zur Beurteilung der Energiebilanz einer chemischen Reaktion 7. Stunde: Erfassen stofflicher und energetischer Veränderungen am Beispiel ausgewählter Experimente

In Gruppenarbeit werden 4 Schülerexperimente durchgeführt: (siehe Arbeitsmaterial 4) - Oxidation von Magnesium durch Verbrennung, - Oxidation von Magnesium durch Reaktion mit Salzsäure, - Neutralisation von Calziumhydroxid mit Salzsäure, - Verbrennen von Kohlenstoff in Sauerstoff, - Oxidation von Methanol durch Verbrennung. Schwerpunkt des Protokolls ist die Beschreibung der Stoffumwandlung (zum Teil mit Nachweisreaktionen für die Produkte) und die messtechnische Erfassung der Wärmeenergie (Temperaturmessung).

8. Stunde: Begründung von stofflichen und energetischen Veränderungen mittels Modellvorstellungen zum Bau der Stoffe

9. Stunde: Systematisierung: Die chemische Reaktion als Einheit stofflicher und energetischer Veränderungen

5.2.2 Didaktische und methodische Bemerkungen zur 3. und 8. Stunde Der Erwerb sicherer Fertigkeiten im Umgang mit der chemischen Zeichensprache und beim Beschreiben chemischer Reaktionen erfordert ein vielseitiges Training. Es ist von Vorteil, wenn die Schüler dabei ihr Arbeitstempo selbst bestimmen können und individuelle Hinweise zu den auftretenden Problemen erhalten. Diese Anforderungen können durch eine geeignete Lernsoftware erfüllt werden, wenn sie auf die Problematik der Schüler zugeschnitten ist. Nach einer kurzen Zeit des Übens im Umgang mit der Software folgt eine Zeit intensiven Trainierens. Der Lernerfolg ist erfahrungsgemäß um so größer, je selbständiger die Schüler das Trainingsprogramm absolvieren. Im Schuljahrgang 11 kennen die Schüler zum Bereich „Bau der Stoffe“ mehrere Modelle unterschiedlichen Abstraktionsgrades (Formeln [Summenformel, Formel in Elektronenschreibweise, Formeln mit weiteren strukturbeschreibenden Elementen], körperliche Modelle [Kugelmodell, Kalottenmodell, Stäbchenmodell]).


Diese bekannten Vorstellungen sollen nun auf die Interpretation des Begriffes „chemische Reaktion“ bezogen werden. Neben der Art der chemischen Bindung ist auch die räumliche Anordnung der Teilchen von Bedeutung. Für diese Problematik sind die Printmedien nur begrenzt geeignet. Es fällt vielen Schülern schwer, eine zweidimensionale Darstellung räumlich zu interpretieren. Diesem Mangel wird traditionell durch den Einsatz von körperlichen Modellen begegnet. Für den schulischen Unterricht haben diese Modelle einen entscheidenden Nachteil: Qualitativ gute Modelle sind (unerschwinglich) teuer. Der übliche Ausweg ist die Bastelfreude des Fachlehrers, die aber nur die Darstellung weniger Stoffe ermöglicht. Der Einsatz neuer Medien in Form animierter PC-Grafiken kann zur Lösung der Problematik beitragen. Im Gegensatz zum Druckbild fällt es Schülern leichter, das auch hier zweidimensionale Bildschirmbild räumlich zu interpretieren. Dazu tragen sowohl die Sehgewohnheit (Fernsehbild, Computerspiele) als auch die Möglichkeit der Bewegung der Modellbilder bei. Die Kosten für die erforderliche Software sind im Verhältnis zu Körpermodellen gering oder entfallen ganz.

5.2.3 Dokumentation der 3. und 8. Unterrichtsstunde Thema:

Begründung stofflicher und energetischer Veränderungen bei chemischen Reaktionen mittels Datenrecherche und Arbeit mit Modellvorstellungen zum Bau der Stoffe

Lernziele: Die Schüler sollen

die chemische Reaktion als Einheit von Stoffumwandlung, Teilchenumordnung, Verändern der chemischen Bindung und Energieumwandlung begreifen, Beziehungen zwischen Bindungsverhältnissen, Struktur und Eigenschaften von Stoffen herstellen, ihre Fertigkeiten in der Anwendung der chemischen Fachsprache und Symbolik festigen, neue Möglichkeiten elektronischer Nachschlagwerke erleben und beurteilen, Möglichkeiten und Grenzen für die Arbeit mit Modellen erkennen, durch die Simulationen das selbständige, tiefere, über die Interpretation des Realexperiments hinausgehende Eindringen in den naturwissenschaftlichen Vorgang erleben, in der Simulation unterschiedliche Modelle vergleichen und beurteilen, sich im Umgang mit unterschiedlichen Menüführungen der Software üben.

Stundenverlauf der 3. Stunde: Einführung 1:

L: Einweisen der Schüler in den Umgang am Computerarbeitsplatz, Belehrungen UG: Hochfahren der Computer und der Anwendersoftware „Winfunktion Bio/Chemie“ L: Hinweise zum Umgang mit der Anwendersoftware

Erarbeitung 1:

SSA: Ergänzen des in der vorigen Stunde begonnenen Arbeitsblattes zu Eigenschaften und Struktur der Stoffe (Arbeitsmaterial 2).


Schwerpunkte der Schülertätigkeit:

medienpädagogisch fachlich Die Software als Datenbank nutzen (Menü ‚Bibliothek chemischer Verbindungen‘ ). Überprüfen der eingetragenen Formeln.

Die Software als Datenbank nutzen (Menü ‚Eigenschaften der Verbindungen‘ ).

Zuordnen der Stoffe zu Substanzklassen auf der Grundlage

eigener Beobachtungen und Informationen aus der Datenbank.

Umgang mit Simulationssoftware: (Molekülbetrachter aus Win-Funktion – Chemie)

Erkennen des begrenzten Inhalts der Datenbank.

Beschreiben der Strukturgruppen auf der Grundlage von

Arbeitsmaterial 1 Lehrbuch Molekülbetrachter

Nutzen der Software als interaktive Datenbank. Es müssen zwei Stoffe als Paar aus den Angeboten gewählt werden. Die Software berechnet die Bindungsart. Kritische Betrachtung der von der Software gelieferten Ergebnisse.

Bestimmen der Bindungsart. Diese Methode liefert nur inhaltlich richtige Ergebnisse bei Molekül- und Ionensubstanzen. Wird sie für Metalle eingesetzt, erscheint keine Fehlermeldung, sondern die Falsche Angabe einer kovalenten Bindung.

Sicherung 1: UG: Vergleich der Ergebnisse mit der Lehrerversion (Folienprojektion) (siehe Ergebnis zu Arbeitsmaterial 2 Arbeitsmaterial 2 L ‘)

Einführung 2:

L: Einweisen der Schüler in den Umgang mit dem Molekülbetrachter „RASMOL“

Erarbeitung 2: SSA: Ergänzen und Berichtigen des Arbeitsblattes 2


medienpädagogisch fachlich Umgang mit Simulationssoftware:

(Molekülbetrachter RASMOL) Erkennen unterschiedlicher Strategien in der Menüführung.

überprüfen der eingetragenen Werte und Beurteilungen Ermitteln von Kristallstrukturen.

Sicherung 2:

UG: Vergleich der Antworten zu den Fragen des Arbeitsblattes. Stundenverlauf der 8.Stunde: Einführung:

LK: SV zu den Ergebnissen der Experimente L: Erläutern der Aufgabenstellung

Erarbeitung: SSA: Ergänzen des Arbeitsblattes zur chemischen Reaktion (Arbeitsmaterial 4) Die chemischen Gleichungen und die äußeren Erscheinungen wurden schon in der vorigen Stunde eingetragen.


Schwerpunkte der Schülertätigkeit: medienpädagogisch fachlich Nutzen der Software als Simulationsprogramm (Molekülbetrachter)

Zuordnen der Stoffe zu den Strukturgruppen. Erkennen der Reaktionsfähigen Struktureinheiten.

Nutzen der Software als interaktive Datenbank Beurteilen der Bindungsart zwischen den reaktionsfähigen Struktureinheiten.

Nutzen der Software als Datenbank

Ermitteln der Energiebilanz aus: Beobachtung Temperaturmessung Auswertung der Standardenthalpiewerte.

Zusammenfassen der Merkmale dieser konkreten Reaktion.

Sicherung: UG: Erläutern des Zusammenhangs zwischen Struktur- und Eigenschaftsänderung am Beispiel der Verbrennung von Kohlenstoff. (siehe ‚Ergebnis zu Arbeitsmaterial 4 Arbeitsmaterial 4 L‘)

5.2.4 Beschreibung der Lehr und Lernmittel Schülerarbeitsmaterialien: Die Schüler erhalten für ihre selbständige Arbeit zum Experiment am PC eine schriftliche Aufgabenstellung. Darin werden Hinweise zu Form und Inhalt der Notizen für die Arbeitsergebnisse gegeben. In einigen dieser Arbeitsblätter können die Schüler direkt Eintragungen vornehmen, andere sind für diesen Zweck zu klein. Dann stehen den Schülern karierte Blätter im A3-Format zur Verfügung. Diese Notizen sind Grundlage für die weitere Arbeit in den folgenden Stunden, für ausgewählte Schülervorträge und für die Bewertung der Schülerleistung. Für diese Dokumentation wurden folgende Arbeitsblätter ausgewählt und auf den nächsten Seiten in der angegebenen Reihenfolge skizziert:

Arbeitsmaterial 1 Thema: Einteilung reiner Stoffe nach Strukturmerkmalen Diese Übersicht ist in der 1. Stunde erarbeitet und erläutert worden. Die Schüler sollen es als persönliches Arbeitsmaterial in den weitern Stunden nutzen. Die Inhalte gehen zum teil über den im 11. Schuljahrgang zu behandelnden Stoff hinaus.

Arbeitsmaterial 2 Thema: Eigenschaften und Struktur Diese Übersicht wird von den Schülern auf der Grundlage von Schülerexperimenten und Datenrecherchen selbst erstellt. Die Überprüfung der Richtigkeit erfolgt durch Vergleich mit einer Musterlösung. Erwartung: Arbeitsmaterial 2L

Arbeitsmaterial 3 Thema: Einteilung chemischer Reaktionen nach der Art der Veränderung der Teilchen Diese Übersicht ist in der 4. Stunde erarbeitet und erläutert worden. Die Schüler sollen es als persönliches Arbeitsmaterial in den weitern Stunden nutzen. Die Inhalte gehen zum teil über den im 11. Schuljahrgang zu behandelnden Stoff hinaus.

Arbeitsmaterial 4 Thema: Merkmale chemischer Reaktionen Diese Übersicht wird von den Schülern auf der Grundlage von je einem Schülerexperiment und dazugehörigen Datenrecherchen selbst erstellt. Die Überprüfung der Richtigkeit erfolgt durch Vergleich mit einer Musterlösung. Erwartung: Arbeitsmaterial 4L


Arbeitsmaterial 1

Einteilung reiner Stoffe nach Strukturmerkmalen Substanzklasse Metall Molekülsubstanz Ionensubstanz Polymerer Stoff Struktureinheit Atome (Atome oder) Moleküle Ionen Atome oder Moleküle Bindungsart in der Struktureinheit

./. kovalente Bindung unterschiedlicher Polarität

./. kovalente Bindung unterschiedlicher Polarität

Bindungsart zwischen den Struktureinheiten

Metallbindung van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen

Ionenbindung (stark polare Bindung)

van-der-Waals-Kräfte, Brückenbindungen mechanische Verknüpfung.

daraus resultierende Strukturgruppen

Metallgitter

Einzel-Atome /1 Einzel-Moleküle /2 Molekülgruppen /3 Molekülgitter /4

frei bewegliche Ionen /1 Ionengitter /2

Atomgitter /1 Einzelmoleküle /2 Molekülgruppen /2 Molekülgitter /3

Strukturmerkmal Metallkristall /1 Edelgas /2 Gas /3 Flüssigkeit /4 Molekülkristall

/1 Flüssigkeit (Lösung, Schmelze) /2 Ionenkristall

/1 Atomkristall /2 plastisch-elastischer Stoff /3 fester, harter Stoff

typische Eigenschaften

metallischer Glanz, plastisch verformbar, gute elektrische Leitfähigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit weiter Bereich der Schmelz- und Siedetemperaturen

schlechte elektrische Leitfähigkeit, schlechte Wärmeleitfähigkeit, weiter Bereich der Schmelz- und Siedetemperaturen

im festen Zustand schlechte elektrische Leitfähigkeit, in Lösung oder Schmelze gute elektrische Leitfähigkeit

oft schlechte elektrische Leitfähigkeit, oft schlechte Wärmeleitfähigkeit, weiter Bereich der Schmelz- und Siedetemperaturen

Beispiele Na, Fe, Cu, Ag, Messing, Bronze

/1 He, Ar /2 H2, O2, N2, CO2, HCl /3 H2O, CH3-CH2-OH /4 Zucker

NaCl, MgO, Ca(OH)2, Granit, Marmor

/1 Diamant, Graphit, /2 PVC, Gummi, Wolle /3 Duroplast, Horn


Eigenschaften und Struktur von Stoffen Arbeitsmaterial 2

Aufgaben: 1.) Beurteilen Sie wesentliche Eigenschaften der aufgeführten Stoffe. Beachten Sie dabei äußere Erscheinung, Verhalten im Wasser, Verhalten im Feuer, elektrische Leitfähigkeit. 2.) Nennen Sie wesentliche Strukturmerkmale, die aus den ermittelten Eigenschaften abgeleitet werden können. Ordnen Sie die Stoffe einer Substanzklasse zu. 3.) Entnehmen Sie der Literatur (Nachschlagwerke, Datenbanken) weitere Informationen, die den Zusammenhang zwischen der Struktur und den Eigenschaften der Stoffe verdeutlichen.

Stoff

Formel (Schreibweise so genau wie möglich)

äußere Erscheinung, Verhalten zu Wasser und Feuer, Leitfähigkeit

Substanzklasse, Strukturmerkmal

Skizze oder Beschreibung der Strukturgruppe

Bindungsart zwischen den eigenschafts-bestimmenden Struktureinheiten

Bemerkungen

Magnesium

Magnesiumoxid

Magnesiumchlorid

Wasserstoff

Sauerstoff

Kohlenstoff (Graphit)

Kohlendioxid

Calziumhydroxid

Salzsäure

Methanol


Eigenschaften und Struktur von Stoffen Arbeitsmaterial 2 L

Aufgaben: 1.) Beurteilen Sie wesentliche Eigenschaften der aufgeführten Stoffe. Beachten Sie dabei äußere Erscheinung, Verhalten im Wasser, Verhalten im Feuer, elektrische Leitfähigkeit. 2.) Nennen Sie wesentliche Strukturmerkmale, die aus den ermittelten Eigenschaften abgeleitet werden können. Ordnen Sie die Stoffe einer Substanzklasse zu. 3.) Entnehmen Sie der Literatur (Nachschlagwerke, Datenbanken) weitere Informationen, die den Zusammenhang zwischen der Struktur und den Eigenschaften der Stoffe verdeutlichen.

Stoff

Formel (Schreibweise so genau wie möglich)

äußere Erscheinung, Verhalten zu Wasser und Feuer, Leitfähigkeit

Substanzklasse, Strukturmerkmal

Skizze oder Beschreibung der Strukturgruppe

Bindungsart zwischen den eigenschafts-bestimmenden Struktureinheiten

Bemerkungen

Magnesium Mg silberglänz. Metall, spröde, löst sich langsam in Wasser, brennt mit greller Flamme

Metall, Metallkristall

Kristall aus Metallionen und freien Elektronen

Metallbindung

Magnesiumoxid MgO weißes Pulver, verändert sich im Feuer nicht; löst sich schlecht in Wasser, Lösung leitf.

Ionensubstanz Ionenkristall

Kristall aus Metallionen und Oxidionen

Ionenbindung

Magnesiumchlorid MgCl2

Mg++ + 2Cl- klare Kristalle, gut Wasserlöslich, Lösung leitet.

Ionensubstanz Ionenkristall

Kristall aus Metallionen und Chloridionen

Ionenbindung

Wasserstoff H2

farbloses leichtes Gas, brennbar. Molekülsubstanz Einzelmoleküle

H-H kovalente Bindung

Sauerstoff O2

farbloses Gas, fördert die Verbrennung. Molekülsubstanz Einzelmoleküle

O=O kovalente Bindung

Kohlenstoff (Graphit)

C schwarz-glänzender fester Stoff; leitfähig; brennbar

Polymerer Stoff Atomkristall

kovalente Bindung mit freien Elektronen

Kohlendioxid CO2

farbloses Gas, wasserlöslich Molekülsubstanz Einzelmoleküle

O=C=O polare kovalente Bindung

kein Dipol

Calziumhydroxid Ca(OH)2 weißes Pulver, löst sich zum Teil in Wasser Ionensubstanz Ionenkristall

Kristall aus Metallionen und Hydroxidionen

Ionenbindung


Salzsäure H-Cl

wässrige Lösung von Chlorwasserstoff , leitfähig,

Molekülsubstanz Einzelmoleküle

H-Cl H+ + Cl-

polare kovalente Bindung

Dipolmolekül dissoziiert

Methanol CH3-OH farblose, brennbare Flüssigkeit Molekülsubstanz Einzelmoleküle

CH3-O-H polare kovalente Bindung

Dipolmolekül

Arbeitsmaterial 3

Typen chemischer Reaktionen nach der Art der Veränderung der Teilchenbeziehungen Für eine konkrete chemische Reaktion können mehrere Kriterien zutreffen. Es gibt noch weitere Reaktionstypen. Reaktionstyp Orts- oder Bindungsänderung folgender Teilchen Beispiel Protonen Ionen Moleküle Atome /

Atomgruppen Elektronen

Fällungsreaktion Ag+ + Cl- à AgCl$ Protolyse NH3 + H2O à NH4

+ + OH- Ligandenaustauschreaktion Cu[NH3]4

++ + 4 CN- à Cu[CN]4-- + NH3

Redoxreaktion Mg à Mg++ + 2e- Addition / Eliminierung CH2=CH2 + HCL ßà CH3-CH2CL Substitution CH3-CH2CL + OH- à CH3-CH2OH + Cl-


Arbeitsmaterial 4

Merkmale chemischer Reaktionen 1.) Führen Sie die Chemische Reaktion aus und notieren sie als Kurzprotokoll die in der Tabelle genannten Merkmale. 2.) Ergänzen Sie Ihre Beobachtungen durch weitere Informationen (Literaturwerte) über die beteiligten Stoffe 3.) Nennen Sie die wesentlichen Merkmale einer chemischen Reaktion, die für diese konkrete Reaktion festgestellt werden konnten. Ausgangsstoffe àà Produkte Vergleich

Namen

xxxxxxxxxxxxxxx

chem. Gleichung)

xxxxxxxxxxxxxx

äußere Erscheinung

Änderungen bei den Stoffen unterstreichen

Strukturgruppe Name Modellskizze

Veränderungen beschreiben

Bindungsart zwischen eigenschaftsbestimmenden Struktureinheiten

Veränderungen beschreiben

Standardenthalpie, Beobachtung zu energetischen Erscheinungen, Temperaturmessung

Energiebilanz

weitere besondere Merkmale

Merkmale dieser Reaktion:

Reaktionstyp:


Arbeitsmaterial 4 L

Merkmale chemischer Reaktionen 4.) Führen Sie die Chemische Reaktion aus und notieren Sie als Kurzprotokoll die in der Tabelle genannten Merkmale. 5.) Ergänzen Sie Ihre Beobachtungen durch weitere Informationen (Literaturwerte) über die beteiligten Stoffe 6.) Nennen Sie die wesentlichen Merkmale einer chemischen Reaktion, die für diese konkrete Reaktion festgestellt werden konnten. Ausgangsstoffe àà Produkte Vergleich

Namen Kohlenstoff Sauerstoff Kohlendioxid

xxxxxxxxxxxxxxx

chem. Gleichung) C + O2 à CO2

xxxxxxxxxxxxxx

äußere Erscheinung schwarzer, glänzender fester Stoff

farbloses Gas, fördert die Verbrennung

farbloses Gas erstickt die Flamme

Änderungen bei den Stoffen unterstreichen

Strukturgruppe Name Modellskizze

polymerer Stoff Atomkristall mit metallischen Eigenschaften

Molekülsubstanz Einzelmoleküle O=O

Molekülsubstanz Einzelmoleküle O=C=O kein Dipol

Veränderungen : Substanzklasse Molekülzusammensetzung

Bindungsart zwischen eigenschaftsbestimmenden Struktureinheiten

kovalente Bindung mit freien Elektronen

kovalente Bindung polare kovalente Bindung

Veränderungen : Bindungsart

Standardenthalpie, Beobachtung zu energetischen Erscheinungen, Temperaturmessung

0 0

hohe Temperatur, Rotglut

Energiebilanz Temperaturzunahme, exotherme Reaktion

weitere besondere Merkmale

Merkmale dieser Reaktion: Änderung der Stoffeigenschaften, Änderung der Stoffstruktur, Änderung der Bindung, Änderung der Energie

Reaktionstyp: Redoxreaktion (Reaktion mit Elektronenaustausch)


6 Unterrichtsbeispiel zum Schwerpunkt: „Informationen aus dem Netz“

Aufgabe: Vorbereiten einer Präsentation zur Metallurgie ausgewählter Metalle. Information: Arbeit mit Literatur und mit Informationen aus dem Internet

(Auswahlkompetenz, Verarbeitungskompetenz) Präsentation: Erstellen eines Berichts und/oder Redekonspekts ergänzt durch Poster oder Folien mit

Grafiken und Bildern (Gestaltungskompetenz),

6.1 Informationstechnologische und fachliche Zielstellungen Im Anhang der Rahmenrichtlinien für das Fach Informatik wird als fächerübergreifendes Lernziel eine Einführung in wissenschaftliches Arbeiten genannt. Unter anderem sind auch spezielle Fähigkeiten, Fertigkeiten und Techniken zur Nutzung von Fachliteratur, Nachschlagwerken und wissenschaftlichen Veröffentlichungen aufgeführt. Um eine sinnvolle Literaturauswahl vornehmen zu können, sollen die Schüler in der Lage sein,

Informationen anhand eines Nachschlagwerks, Inhaltsverzeichnisses oder Vorworts, anhand von Glossaren, Übersichten, Tabellen, Abbildungen usw. sicher und zeitsparend zu entnehmen und mit Bibliothekskatalogen umzugehen.

Als Grundlage für die Arbeit mit Literatur sollen die Schüler in der Lage sein,

korrekt zu zitieren, Inhaltsangaben in kurzer und prägnanter Form zu erstellen, Textzusammenfassungen unter Berücksichtigung der Intentionen des Autors zu erstellen, Exzerpte anzufertigen und zum Konspekt weiterzuentwickeln.

Für eine zeitgemäße Literaturrecherche ist eine Medienkompetenz auch in Bezug auf Online-Medien notwendig. Diese Medienkompetenz lässt sich nach Hildebrand /2 anhand folgender Aspekte vermitteln: Kenntnisse

Begriffsklärung: Was bedeuten Begriffe wie Online-Medien, Datenautobahn, Internet? Technische Grundlagen und Funktionsweise: Wie funktionieren Online-Medien? Welche Geräte braucht man, um sie zu nutzen? Struktur der Datenautobahn, Internet und Online-Dienste: Welche Online-Medien gibt es? Worin unterscheiden sie sich? Was ist das Internet, und was sind Provider? Angebot und Funktionen: Was findet man in den Online-Medien? Welche Angebote und Funktionen stecken im Internet und in den Online-Diensten ? Nutzungsmöglichkeiten und allgemeine Bedienung: Wie bekommt man Zugriff auf das Angebot? Welche Software wird benötigt, und wie benutzt man sie?

Fähigkeiten

Informationssuche: Wie sucht man Online-Informationen (einschließlich Texte)? Welche Suchwerkzeuge gibt es, und wie werden sie verwendet? Welche Kriterien gibt es für die Bewertung der Suchwerkzeuge? Wie sind die vorhandenen Suchwerkzeuge zu bewerten? Selektion und Speichern der Informationen: Wie lassen sich Online-Informationen selektieren? Wie kann man sie festhalten?


Analyse und Bewertung des Informationsangebots: Welche Kriterien für die Analyse und Bewertung gibt es? Wie sind Online-Informationen strukturiert und gestaltet? Was vermitteln sie? Wie sind die Informationen zu bewerten, wie ihre Präsentation?

Urteilskompetenz Eine Auseinandersetzung mit den Risiken der Online-Medien und den dazugehörigen Lösungsangebote und Vorbeugemaßnahmen gehört in jede Unterrichtsreihe, die das Medium zum reflektierten Unterrichtsgegenstand macht. Ob man nur kurz auf die Risiken hinweist, sie diskutiert oder sie ausführlich erarbeiten lässt, hängt auch davon ab, inwieweit die Schüler bereits über medienspezifische Vorkenntnisse verfügen.

Risiken für die Psyche: Welche Gefahren erwachsen aus der Benutzung der Online-Medien für die Psyche? Wie kann die Persönlichkeit und Persönlichkeitsentwicklung des Benutzers beeinflusst oder gefährdet werden? Risiken der Computerkommunikation: Welche Risiken liegen in einer Kommunikation, die auf den Austausch elektronischer Post, Mailing-Listen, Foren-Artikel und Online-Konferenzen reduziert ist? Risiken der Informationsentnahme: Inwiefern birgt die Entnahme von Informationen aus den Online-Medien Risiken? Wie beugt man der Informationsflut vor, wie bewahrt man den Überblick über die Angebote im WWW? Wie wahrt man kritischen Abstand gegenüber Online-Informationen? Risiken des Datenschutzes: Inwiefern bestehen Sicherheitsrisiken, wenn man am Online-Datenverkehr teilnimmt? Welche Gefahren und Schutzmöglichkeiten bestehen für die persönlichen Daten auf dem eigenen PC? Welche Daten kann man online übermitteln, welche möglichst nicht?

Als wichtiges Ziel im Bezug auf Medienkompetenz muss der Einfluss auf die Haltung der Schüler gegenüber den Online-Medien gesehen werden. Die Schüler sollen diese Medien beherrschen, nicht von ihnen beherrscht werden. Demzufolge sollen sie sich nicht nur der Medien bedienen, sondern ihnen auch mit der gebotenen kritischen Distanz gegenüberstehen. Die Schüler sollten in die Lage versetzt werden, neben den Vorteilen auch die Nachteile zu sehen, d.h. vor allem die Gefahren, die den Funktionen der Medien und den aus ihnen gewonnenen Inhalten innewohnen. Wenn die Schüler sich dieser Risiken bewusst sind und ihnen vorbeugen können, haben sie gute Chancen, die Online-Medien sinnvoll und mit der erforderlichen Verantwortung sich selbst und anderen gegenüber zu nutzen.

Wissenserwerb Bei der Bearbeitung komplexer Aufgaben agieren die Schüler in einem Spannungsfeld, welches durch die Begriffe Information und Wissen beschrieben werden kann. Im Verlaufe der Arbeit verlagert sich der Schwerpunkt der kreativen Tätigkeit vom Sammeln von Informationen über das Auswählen und Ordnen hin zur Präsentation des erworbenen Wissens. Es ist Aufgabe des Unterrichts, diesen Prozess zu unterstützen und vor allem dafür zu sorgen, dass er nicht im Stadium der Informationen stecken bleibt. Der Aspekt der Medienerziehung kann in jeder dieser Phasen des Arbeitsprozesses wirksam sein. Informationen, die neben der schriftsprachlichen Darstellung auch auf Illustrationen, Filme oder Modelle basieren sind eine wesentliche Grundlage des Wissenserwerbs auf naturwissenschaftlichen Gebiet. Durch den Einsatz moderner Kommunikationsmedien wird die Beschaffung dieser Informationen wesentlich erleichtert. Somit bietet sich auch eine Integration der Informationstechnologien in den naturwissenschaftlichen Unterricht an. Dieses Vorhaben kann aber nur erfolgreich sein, wenn die Schüler einen ausreichenden informationstechnologischen Bildungsstand haben.

Aus informationstechnologischer Sicht sollen deshalb Beiträge dafür geleistet werden, dass die Schülerinnen und Schüler

erkennen, dass die Verwendung von Rechnern neue Dimensionen in Forschung und Praxis eröffnet sowie Strukturveränderungen in Wirtschaft und Beruf bewirkt; in die Lage versetzt werden, durch umfassende Informationsangebote Probleme unterschiedlicher Disziplinen zu verstehen und zu lösen;


durch die Vermittlung ausgewählter Methoden und Verfahren der Informatik befähigt werden, Computer als Hilfsmittel zur Lösung von Aufgaben und Problemen aus verschiedenen Anwendungsgebieten einzusetzen. Es soll aber auch deutlich werden, dass es Probleme gibt, die mit den Methoden der elektronischen Datenverarbeitung weder entschieden noch gelöst werden können; erkennen, dass durch die Verwendung von informationsverarbeitenden Maschinen nicht nur manuelle, sondern auch geistige Tätigkeiten des Menschen automatisiert und potenziert werden; befähigt werden, die durch den Einsatz von Datenverarbeitungsanlagen bedingten Veränderungen ihrer Umwelt zu erkennen und zu bewerten. befähigt werden, erworbene Kenntnisse übersichtlich und ansprechend zu präsentieren. Zur Herstellung der Präsentationen sollen auch die Möglichkeiten computergestützter Text- und Bildbearbeitung genutzt werden.

Aus der Sicht des Unterrichtsfaches Chemie sollen Beiträge dafür geleistet werden, dass die Schüler:

Kenntnisse über die Gewinnung ausgewählter Metalle, über die Prinzipien der Metallherstellung und über die Gewinnung nutzbarer Energie durch chemische Reaktionen erwerben, die enge Wechselwirkung zwischen stofflicher Veränderung und den (energetischen) Reaktionsbedingungen erkennen, unter Berücksichtigung historischer Aspekte Zusammenhänge zwischen gesellschaftlicher und technischer Entwicklung erkennen, Einblicke in den Zusammenhang ökonomischer und umweltpolitischer Probleme erhalten, Chancen und Risiken historischer, gegenwärtiger und in Entwicklung befindlicher technischer Methoden beurteilen und bewerten können.

6.2 Gestaltung einer Kurzpräsentation

6.2.1 Stellung der Unterrichtseinheit im Bildungsgang In den Rahmenrichtlinien für das Fach Chemie lautet das Thema I: „Chemische Reaktion als Einheit von Stoff und Energieumwandlung“. Es umfasst die Themenbereiche: a) Merkmale chemischer Reaktionen, b) Herstellung von Stoffen durch chemische Reaktionen,

- Elektronenübergang, Oxidationszahl, - erweiterter Redoxbegriff, - technische Gewinnung ausgewählter Metalle, - Prinzipien der Metallherstellung,

c) Gewinnung nutzbarer Energie durch chemische Reaktionen, - Energiearten (thermische-, elektrische-, mechanische Energie, Strahlungsenergie), - Einheit von Stoff- und Energieumwandlung am Beispiel der Redoxreaktionen,

d) Energetik chemischer Reaktionen. Im Vorfeld der weiter unten aufgeführten Unterrichtsstunden wurde der Themenbereich a) „Merkmale chemischer Reaktionen“ behandelt. Die Themenbereiche ‚b‘ und ‚c‘ werden hier als eine Einheit angesehen. Der Themenbereich ‚d‘ spielt bei den folgenden Betrachtungen noch keine bedeutende Rolle. Am Beispiel der Herstellung ausgewählter Metalle (Eisen, Kupfer) und der Energieerzeugung aus stofflichen Energieträgern werden die Prinzipien technischer Reaktionsführung behandelt. Dabei dient ein Einblick in die Geschichte der Metallurgie an ausgewählten Beispielen der Festigung der theoretischen Grundlagen (erweiterter Redoxbegriff) und dem besseren Verständnis der Zusammenhänge von kultureller, gesellschaftlicher und technischer Entwicklung. Stundenübersicht für die Stunden zu den Themenbereichen b) und c): 1. Stunde: Der erweiterte Redoxbegriff – korrespondierende Redoxpaare 2. Stunde: Energetische Erscheinungen beim Ablauf thermischer Redoxreaktionen 3. Stunde: Erläutern der Aufgabenstellungen für die Gestaltung einer Kurzpräsentation

und der Hausaufgabe (Anfertigen einer Materialsammlung durch Literaturrecherche in der Bibliothek)

4. Stunde: Einweisen in den Umgang mit Browsern und Suchmaschinen 5. Stunde: Ergänzen der Materialsammlung durch Recherche im WWW


6. Stunde: Auswählen und Ergänzen der Informationen 7. Stunde: Erstellen der Präsentation 8. Stunde: Fertigstellen der Präsentation 9. Stunde: Leistungsbewertung und festlegen der Termine für das Referat

6.2.2 Didaktische und methodische Bemerkungen zur Unterrichtseineinheit (3. bis 8. Stunde)

Aufgabenstellung Im Chemieunterricht der Sek. I haben die Schüler den Redoxbegriff am Beispiel der Oxidation / Reduktion von Metallen / Metalloxiden kennengelernt. Dabei wurden nur geringe Metallmengen (Reduktion von Kupferoxid durch Wasserstoff oder Kohlenstoff oder etwas mehr Eisen im Thermitverfahren) im Experiment hergestellt. In Vorbereitung auf die quantitativen Betrachtungen der chemischen Reaktion in der Sek. II sollen die Schüler die chemische Reaktion als Möglichkeit zur industriellen Stoff- und Energieproduktion erfassen. Die Möglichkeiten zum Realexperiment und zur Anschauung in der Industrie sind begrenzt. Hier soll der Besuch einer virtuellen Ausstellung zur Erweiterung des Wissens der Schüler beitragen. Dieses Wissen sollte dokumentiert werden. Die zu diesem Zweck erarbeitete Aufgabenstellung war vom Grundsatz her für alle Schüler gleich. Die Problematik sollte jedoch an unterschiedlichen konkreten technischen Verfahren beispielhaft bearbeitet werden. Diese Verfahren waren:

die Herstellung von Roheisen und Stahl, die Gewinnung von Halbedel- und Edelmetallen, die Herstellung von Baukalk und Zement, die Herstellung von Methanol aus den Rohstoffen einschließlich der Herstellung von Synthesegas.

Unabhängig vom konkreten Beispiel enthielt die Aufgabenstellung folgende Schwerpunkte:

Die wirtschaftliche oder gesellschaftliche Bedeutung des Verfahrens soll erläutert werden. Die stofflichen und die energetischen Aspekte der Reaktionsführung sollen erörtert werden. Die Möglichkeiten der technischen Realisierung der notwendigen Reaktionsbedingungen sollen diskutiert werden. Die sich aus dem Verfahren ergebenden umweltpolitischen Gesichtspunkte sollen diskutiert werden. Das Verfahrens soll auch aus historischer Sicht unter Berücksichtigung wesentlicher Entwicklungsstufen betrachtet werden. Regionaler Bezüge sollen berücksichtigt werden.

An Inhalt und Form der Präsentation waren folgende Anforderungen gestellt:

Die bevorzugte literarische Form ist der Bericht (Aufsatz). Es sollen möglichst alle Schwerpunkte der Aufgabenstellung berücksichtigt werden. Die gedankliche Gliederung soll sich in einer hierarchischen Gliederungsstruktur des Dokuments widerspiegeln. Zusammenhänge sollten durch Grafiken oder andere geeignete Hilfsmittel verdeutlicht werden. Zum Hervorheben wichtiger Aspekte oder zum besseren Verständnis der Sachverhalte sollen Bilder eingesetzt werden. Die Informationsquellen sind zu nennen und ihre Glaubwürdigkeit soll eingeschätzt werden.

Voraussetzungen Entsprechend den 4 Themen wurde die oben beschriebene Aufgabenstellung den Schülern zum Einschreiben ausgelegt. Somit wurde die Zusammensetzung der Arbeitsgruppen durch die Schüler bestimmt. Da für eine erfolgreiche selbständige Arbeit vor allem informationstechnologische Grundkenntnisse von Bedeutung waren, achteten die Schüler selbst darauf, dass in jeder Gruppe diesbezügliche ‚Spezialisten‘ (Teilnehmer der Informatikkurse) vertreten waren. Während der gemeinsamen Arbeit übernahmen diese Schüler eine medienpädagogische Multiplikatorenrolle, da sie über Kenntnisse und Fähigkeiten zu folgenden Schwerpunkten verfügten:


Umgang mit dem Betriebssystem (anlegen von Ordnern, verwalten von Dateien) Umgang mit Browsern (Internet-Explorer und Netscape-Navigator) Grundkenntnisse über Suchmaschinen (Es wurde die Metasuchmaschine ‚metager.de‘ bevorzugt.) Erfahrungen in der Auswahl der Stichworte (Suchkriterien) Speichern von htm-Dokumenten, speichern von Bildern Grundkenntnisse im Umgang mit der Textverarbeitung MS Word. (Text- und Absatzformatierung, Einfügen von Grafiken)

6.2.3 Dokumentation der Unterrichtseineinheit (4. bis 8. Stunde) Thema:

Herstellung von Stoffen und Gewinnung nutzbarer Energie durch chemische Reaktionen. Lernziele:

Die Schüler sollen energetische und stoffliche Gesichtspunkte der chemischen Reaktion als theoretische Grundlage für die Herstellung von Stoffen und für die Gewinnung nutzbarer Energie berücksichtigen können, mit dem vorhandenen Wissen, Kenntnisse über weitere chemische Reaktionen erschließen können, weitere Erscheinungen chemischer Reaktionen auf die wesentlichen Zusammenhänge zurückführen können, naturwissenschaftliche und technische Denk- und Arbeitsweisen am Beispiel fachspezifisch anwenden können, den ökonomischen und ökologischen Zusammenhang von Stoff und Energieumsatz erkennen am Beispiel der Datenrecherche im Internet Kenntnisse über Online-Medien erwerben, Erfahrungen in Bezug auf Chancen und Risiken bei der Entnahme von Informationen aus Online-Medien machen und diese sachlich einschätzen lernen, befähigt werden, Informationen aus einem reichhaltigen Angebot themenrelevant auszuwählen, befähigt werden, erworbene Kenntnisse übersichtlich und ansprechend zu präsentieren.

Stundenverlauf der 4. und 5. Stunde Einführung:

UG: - Informationsaustausch über den Stand der Literaturrecherche in den Bibliotheken, - Vorlage der angefangenen Materialsammlung.

LV: - Erläutern der Konfiguration des lokalen Netzwerks, der Möglichkeiten des Einloggens und der Software auf den Schülerarbeitsplätzen, - Erläutern wichtiger Dateiformate für Text und Grafik, die vom Browser genutzt werden können, - Hinweise zum Umgang mit Suchmaschinen.

UG: - Übungen im Umgang mit dem Internet-Explorer im offline-Betrieb, - öffnen und speichern von Dateien (htm-Format), - öffnen und speichern von Grafikdateien, - Übungen zum Umgang mit der Suchmaschine ‚metager‘.

SSA: Ergänzen der Materialsammlung (Hausaufgabe) durch Informationen aus dem Internet.


Kurzinformation über den Stand der bisherigen Literaturrecherche, Hochfahren der Computer und einloggen ins lokale Netzwerk, Öffnen des Internet-Explorers, Öffnen einer HTML-Datei mit Übungsaufgaben, Erfüllen der Übungsaufgaben: - speichern von Text und Grafik, - öffnen der gespeicherten Dateien, - starten der Suchmaschine ‚metager‘, - einstellen der Optionen in der Suchmaschine lauf Aufgabenstellung, - Suche von Web-Seiten für 3 der in der Aufgabenstellung angegebenen Stichworte,


(‚Formel 1‘ (Sport-Kultur), ‚Ozonloch‘ (Politik-Ökologie), ‚klonen‘ (Naturwissenschaft-Ethik), - bewerten des Erfüllungsgrades der Erwartung für die jeweils ersten 10 Web-Adressen auf der Grundlage der Kurzreferenz von metager, - bewerten des Erfüllungsgrades der Erwartung für je zwei ausgewählte Web-Adressen auf der Grundlage eigener Durchsicht, suchen von Web-Adressen zum eigenen Projektthema, bewerten der Qualität der angebotenen Adressen, suchen nach weiteren, treffenderen Stichworten, speichern von Text und Grafik bei ausgewählten Web-Seiten.

Stundenverlauf der 6. Stunde Die Schüler arbeiteten selbständig in ihren Arbeitsgruppen. Für die Arbeit stand neben dem Computerraum noch ein weiterer Raum zur Verfügung. Die Entscheidung darüber, welche Informationen noch ergänzt werden müssten, wurde von den Schülern selbst getroffen. Stundenverlauf der 7. und 8. Stunde Einführung:

LV: - Hinweise zur Gestaltung und zur Gliederung der Präsentation

- Erläutern der Möglichkeiten, Text und Grafiken der Materialsammlung in Dokumente der Textverarbeitung WORD einzubringen, - Hinweis auf die Möglichkeit, Text und Grafiken aus Büchern oder Kopien am Lehrerarbeitsplatz einzuscannen. (Die Arbeit mit der Bildbearbeitungssoftware und der Texterkennungssoftware wird von zwei geübten Schülern ausgeführt.)

SSA: Erstellen eines Berichts zum gewählten Thema als Word-Dokument.

Schwerpunkte der Schülertätigkeit: Erstellen eines Textdokuments aus mehreren Quellen: - Texte aus gespeicherten HTML-Dateien durch Kopieren der Textteile, - Texte aus gedruckten Dokumenten durch Einfügen und Korrigieren von Textdateien der OCR-Software, - Notieren von Exzerpten oder Zusammenfassungen aus Teilen der Materialsammlung und Ergänzen des Textdokuments durch diese Ausführungen, Formatieren und Gliedern dieser Texte Einbinden von Grafiken Drucken der erstellten Präsentation

6.2.4 Rückblick Für die beteiligten Schüler gehörten diese Stunden zu den interessantesten Chemiestunden des Schuljahres. Schon in der Vorbereitung bekundeten sie großes Interesse. Einige der Schüler nutzten zum ersten Mal die Möglichkeit (zielgerichtet) im Internet zu surfen. Der Umgang mit Browser und Suchmaschinen bereitete keinerlei Schwierigkeiten. Beim Speichern der Ergebnisse traten dann doch des öfteren Fehler auf, die manchmal sogar zu erheblichen Verstimmungen führten. Der Ärger über angeblich verschwundene Dateien wurde dann recht deutlich formuliert. In solchen Fällen konnte Hilfe meist in der Arbeitsgruppe, immer jedoch bei einer anderen Arbeitsgruppe gefunden werden. Die Trefferquote der Schlagworte verbesserte sich nach kurzer Zeit erheblich. Die Ersten Schlagworte lieferten recht enttäuschende Ergebnisse. So wurden beim Schlagwort ‚Metallurgie‘ viele schlaue Seiten über Studienmöglichkeiten und Lehrinhalte unterschiedlicher Universitäten und Hochschulen angeboten. Die erwarteten Informationen über die Grundlagen der Metallurgie waren aber nicht im Angebot. Noch schlechter sah es beim Schlagwort ‚Silber‘ aus. Die aufgelisteten Web-Adressen bezogen sich fast ausschließlich auf die Gilde der Gold- und Silberschmiede.


Grundsätzlich konnten die Schüler feststellen, dass solides Grundlagenwissen nur spärlich im Netz zu finden ist. Auf diesem Gebiet sind die Printmedien in Form von Lehrbüchern, Fachlexika oder Monographien dem Internet überlegen. Während die Grundlagen der Kupferverhüttung nur recht knapp auf den Seiten des Deutschen Museums in München (http://www.deutsches-museum.de/inhalt.htm ) dargestellt werden, wurde zum Hochofenprozess eine Seite gefunden (http://www.roheisen.de/hochofen.htm ), die dem Schulniveau recht gut entsprach. Anders sieht das Verhältnis der Trefferquote jedoch aus, wenn es um aktuelleres Wissen geht. So war zur ökologischen Umgestaltung der metallurgischen Industrie in den letzten 10 Jahren in den Büchereien nichts schülergerechtes zu finden. Das Internet lieferte aber eine sehr gute Dokumentation der Stillegung und Umgestaltung der Hochofenanlage in Duisburg-Meiderich (http://www.industriekultur.de/DGFI/dgfi.htm ). Durch die unterschiedlichen Suchwege der einzelnen Arbeitsgruppenmitglieder wurden auch recht unterschiedliche Materialien zu den Themen gefunden und es entstanden umfangreiche Materialsammlungen. So wurden die Schüler recht schnell mit der Informationsflut und dem Problem der sinnvollen Auswahl konfrontiert. Der Vergleich unterschiedlicher Webseiten brachte auch inhaltliche Widersprüche zu einzelnen Sachgebieten zutage. Damit wurde auch das Problem der Glaubwürdigkeit erlebbar gemacht. Erschwerend war auch, dass bei einer späteren Nacharbeit einige Webseiten nicht mehr im Angebot waren. Da half auch keine sorgfältige Speicherung der zur Seite gehörenden Web-Adressen. Wenn die zugebilligte Zeit mit berücksichtigt wird, entsprach die Qualität der von den Schülern angefertigten Berichte durchaus den Erwartungen. Man kann sie jedoch nicht in vollem Umfang als ‚Präsentation‘ bezeichnen. Werden höhere Maßstäbe an die Gestaltung angelegt, dann müssten

einmal die zur Verfügung stehende Zeit reichlicher bemessen und zum anderen eine für solche Zwecke besser geeignete Präsentationssoftware zur Verfügung gestellt werden.

Durch die in diesen Stunden geleistete Arbeit konnten die Schüler einen bemerkenswerten Einblick in die Angebote des Internet bekommen. Die Schüler äußerten sich begeistert aber auch kritisch differenziert zur Nutzung des Internet als Lernmittel. Einen Teil der Materialien, die die Schüler bei ihrer Recherche im Netz zusammengetragen haben, ist auf der beiliegenden CD im Ordner Ergebnis/Materialien zusammengestellt. Als Beispiel für eine Schülerarbeit, die auch einen Einblick in die Medienkompetenz der Schüler ermöglicht, findet man auf der CD/Ergebnis/Schüler-Präsentation eine PPt - Präsentation, die unter Verwendung der in Ergebnis/Materialsammlung beigegebenen Daten erstellt wurde.


7 Unterrichtsbeispiele zum Schwerpunkt „Messwerterfassung und Messwertverarbeitung“

7.1 Informationstechnologische und fachliche Zielstellungen In den Rahmenrichtlinien wird gefordert, dass unter anderem auf experimenteller Basis Kenntnisse über elektrochemische Erscheinungen und Reaktionen erworben werden sollen. Als Beitrag zur informationstechnischen Bildung wird der Einsatz des Computers für die Messwerterfassung und –auswertung als Beispiel für Unterrichtsformen genannt. Auf dieser Grundlage lassen sich für die hier betrachteten Abschnitte des Themas Elektrochemie folgende fachspezifische und informationstechnologische Ziele formulieren: Die Schüler sollen

elektrische Leitungsvorgänge untersuchen und anhand von Leitungsmodellen erklären können, Aufbau und Funktion elektrochemischer Elektroden kennen und beschreiben können, die elektrochemische Spannungsreihe als Arbeitsmittel zur Erklärung und Vorhersage von elektrochemischen Reaktionen nutzen können, Wasserstoff- und Sauerstoffkorrosion erklären können, Korrosionsschutzmaßnahmen begründen können und auch am ausgewählten Beispiel moderne Messwerterfassung und –auswertung anwenden und beurteilen können.

Dazu gehören:

Aufbau und grundlegende Funktionsweisen datenverarbeitender Systeme kennen und verstehen, Computer als Beispiel eines informationstechnischen Gerätes begreifen, die Einsatzmöglichkeiten des eingesetzten Computerarbeitsplatzes mit Interface kennen, die Grundlagen seiner Arbeitsweise kennen, grundlegendes Verständnis für das Arbeiten mit Software erwerben, Anwendersoftware zur Messwerterfassung kennen und nutzen, Leistungsfähigkeit des Arbeitsplatzes am Beispiel der aktuellen Aufgabenstellung einschätzen

können.

7.2 Messwerterfassung und Messwertverarbeitung mit graphischer Auswertung

Aufgabe: Experimentelle Untersuchungen durch Messung und Auswertung der Leitfähigkeit von

wässrigen Elektrolytlösungen. Informationstechnologie: Arbeit mit Sensoren (Leitfähigkeitsmesselektroden), Interface, PC und Software Auswertung: Beurteilung automatisch erstellter Diagramme (Urteilskompetenz)

7.2.1 Stellung der Unterrichtseinheit im Bildungsgang Im Themenbereich „Untersuchen und Erklären elektrischer Leitungsvorgänge“ werden die Leitungsvorgänge in festen Stoffen (Metalle, Grafit), Elektrolytschmelzen und Elektrolytlösungen untersucht und anhand geeigneter Modellvorstellungen erklärt. Dabei kommt der funktionalen Abhängigkeit der Leitfähigkeit von den stofflichen und experimentellen Parametern eine besondere Bedeutung zu. Der Stromfluss in Elektrolytschmelzen und Elektrolytlösungen wird durch ein elektrisches Feld bewirkt, beruht auf gerichteten Bewegung freibeweglicher Ionen und kann durch das Ohmsche Gesetz beschrieben werden. Der reziproke Wert des spezifischen Widerstandes wird Leitfähigkeit genannt, welche ein Maß für die in der Lösung transportierte elektrische Ladung (Kationen transportieren positive, Anionen negative Ladung) ist. Im Experiment wird die Leitfähigkeit im Wesentlichen durch die Beweglichkeit und durch die


Ladung der Ionen bestimmt. Ein Schwerpunkt der Betrachtungen ist die Leitfähigkeit in wässrigen Elektrolytlösungen. Wasserstoffionen (bzw. Oxonium-Ionen oder Hydronium-Ionen) und Hydroxidionen weisen in wässriger Lösung besonders große Ionenleitfähigkeiten auf, da ein schneller Ladungstransport in wässriger Lösung nicht nur durch Ionenbewegung sondern auch durch den Umbau von Wasserstoffbrückenbindungen realisiert werden kann. Stundenübersicht: 1. Stunde: Die elektrische Leitfähigkeit in festen Stoffen (Metalle, Halbleiter) 2. Stunde: Die elektrische Leitfähigkeit der Elektrolyte im festen Zustand, in der Schmelze und in wässriger

Lösung (ohne H+ und OH-). 3. Stunde: Wasser als dynamisches System – die Besonderheiten der Leitfähigkeit einer wässrigen

Elektrolytlösung bei Anwesenheit von H+ und OH-). 4. Stunde: Beurteilung chemischer Reaktionen in wässriger Lösung anhand der Veränderung der

Leitfähigkeit. Für die experimentelle Arbeit in der 2. und 3. Stunde eignen sich unter anderen folgende Aufgabenstellungen:

Untersuchung der Abhängigkeit der Leitfähigkeit einer wässrigen Lösung von der Ionenkonzentration, Bestimmung der Ionenkonzentration durch Messung der Leitfähigkeit,

Darauf aufbauend können in der 4. Stunde folgende Aufgaben bearbeitet werden:

Bestimmung des Neutralpunktes bei einer Säure-Base-Titration, Bestimmung des Äquivalenzpunktes bei einer Fällungstitration,

Diese Kenntnisse können in der Kursstufe durch folgende Experimente gefestigt werden:

Bestimmung der Gleichgewichtskonstanten in einem Ionengleichgewicht, Bestimmung des Protolysegrades einer schwachen Säure.

7.2.2 Didaktische und methodische Bemerkungen zur 4. Stunde Nach der Betrachtung der Leitfähigkeit von Stoffen unter unterschiedlichen Bedingungen sollen diese Kenntnisse nun gefestigt, systematisiert und in einen neuen Kontext, der Veränderung der Eigenschaften beim Ablauf einer chemischen Reaktion, gestellt werden. Als Beispiel für eine chemische Reaktion soll hier die Neutralisation einer starken Base durch eine starke Säure dienen. Je nach gewünschtem Anspruchsniveau werden die Schüler in den Vorüberlegungen oder bei der Auswertung der Messergebnisse in etwa zu folgenden Schlüssen kommen:

Die wässrige Lösung der Base (Vorlage) hat als Elektrolytlösung eine gute elektrische Leitfähigkeit. Die Zugabe der wässrigen Säurelösung erhöht die Ionenkonzentration. Dieser Effekt vergrößert die Leitfähigkeit. Durch die chemische Reaktion werden Ionen (H+ und OH-), welche die Leitfähigkeit stark beeinflussen, verbraucht. Dieser Effekt verringert die Leitfähigkeit. Zu Beginn und während der Reaktion wird die Gesamtleitfähigkeit durch beide Effekte beeinflusst. Nach Abschluss der Reaktion bewirkt die weitere Zugabe der wässrigen Säurelösung einen Anstieg der Leitfähigkeit.

Um die funktionale Abhängigkeit der Eigenschaften eines Stoffes oder eines Systems von den bestimmenden Zustandsgrößen darzustellen, bedarf es eines hohen experimentellen Aufwands. Die notwendige Vielfalt der Messergebnisse lässt sich im Unterricht nur schwer erbringen. Stellt der Lehrer die Messergebnisse zur Verfügung, geht ein wesentlicher Teil des Erkenntnisprozesses beim Schüler verloren. Die Nutzung des PC mit einem geeigneten Interface erlaubt die automatische Erfassung einer großen Anzahl von Messdaten. Bei geeigneter Software können diese sofort ausgewertet und die funktionalen Zusammenhänge z.B. grafisch dargestellt werden. Die Schüler können das Zusammenwirken von Sensoren, Interface, PC und Software an einem konkreten Beispiel erleben und eventuell auch anhand der kleinen Tücken, die wohl bei jedem Experiment auftreten, etwas über die Störanfälligkeit moderner Technologien erfahren. Da die Darstellung der Messergebnisse auf dem Bildschirm in der Regel gezoomt werden kann, können alle Schüler die Messwerte auch während der Durchführung des Experiments ablesen und in das eigene Protokoll eintragen. Zur genaueren Auswertung können die Messergebnisse später ausgedruckt und vervielfältigt werden.


7.2.3 Dokumentation der 4. Unterrichtsstunde Thema:

Beurteilung einer chemischen Reaktionen in wässriger Lösung anhand der Veränderung der Leitfähigkeit.

Lernziele:

Die Schüler sollen die Kenntnisse über die Merkmale der chemischen Reaktion festigen, die Arten der Leitfähigkeit am Beispiel beurteilen, den Einfluss einer chemischen Reaktion auf die Eigenschaften des Systems bemerken, den Einsatz geeigneter Sensoren zur Messwerterfassung erleben, den Vorteil einer kontinuierlichen Messwerterfassung erkennen, den prinzipiellen Aufbau eines computergestützten Experimentalarbeitsplatzes kennen und dessen Leistungsfähigkeit einschätzen können, die durch den Computer erstellten Messergebnisse auswerten, bewerten und beurteilen können.

Stundenverlauf:

Einführung 1:

S: Erfüllen der Aufgaben aus dem Arbeitsblatt 1 zu Formeln und Reaktionen von Säuren und Basen UG: Vergleich und Korrektur der Ergebnisse. L: Das Stundenthema wird erläutert und der Aufbau des computergestützten

Experimentierarbeitsplatzes wird vorgestellt.

Erarbeitung 1: L: Die auf dem Arbeitsblatt 2 notierte Aufgabenstellung und Versuchsbeschreibung wird im

Zusammenhang mit der aufgebauten Apparatur erklärt. S: Schwerpunkt der Aufgabenerfüllung ist das Formulieren von Hypothesen (Tabelle in

Arbeitsblatt 2).

Sicherung 1: UG: Schüler stellen ihre Thesen vor. Die Aussagen werden in knapper Form (als Diagramm) an der

Tafel skizziert.

Einführung 2: L: Die Überprüfung des Wahrheitsgehaltes der Hypothesen soll durch das Experiment erfolgen.

Erarbeitung 2:

L: Das Experiment wird gestartet. S: Protokollieren den beobachtbaren Reaktionsverlauf in Abhängigkeit der zugefügten

Stoffmenge der Säure. Diese wird von L. angesagt. L: Die Messergebnisse werden in Diagrammform auf dem Bildschirm angezeigt. S: Vergleichen die Protokollnotizen mit dem Diagramm und übernehmen das Diagramm als

Skizze. S: Beurteilen den Reaktionsverlauf unter Verwendung der vorher formulierten Hypothesen.

Sicherung 2:

UG: Schüler stellen ihre Beurteilung vor und diskutieren etwa divergierende Meinungen. L: Sorgt dafür, dass fehlerhafte Beurteilungen korrigiert werden.

Hausaufgabe:

(Das ausgedruckte Diagramm wird den Schüler zugestellt. Notieren Sie die beiden Phasen des Reaktionsverlaufs als Kommentar auf dem Diagramm.


7.2.4 Eingesetzte Lehr und Lernmittel Aufgabenstellungen für die Schüler (Auszüge aus Arbeitsblätter) Aufgaben zu Einführung 1 (aus Arbeitsblatt 1) 1. Ergänzen Sie die fehlenden Begriffe oder Formeln!

Name Formel Formeln der Ionen in wässriger Lösung Name des Anions

Schwefelsäure HCl 2H+ + CO3

2- HNO3 Nitration Essigsäure NaOH Ca++ + 2 OH- 2. Notieren Sie die Grundgleichung der Neutralisation. 3. Nennen Sie mindestens 2 Merkmale einer chemischen Reaktion, die auch für die Neutralisation

zutreffen. 4. Beurteilen Sie insbesondere die el. Leitfähigkeit im Vergleich von Ausgangsstoffen und Produkten. Aufgaben zu Erarbeitung 1 (aus Arbeitsblatt 2) Auftrag: Beurteilen Sie die Veränderung der Eigenschaft „elektrische Leitfähigkeit“ beim Ablauf einer Neutralisation von Natriumhydroxidlösung mit Salzsäure. Vorüberlegungen: Reaktionsgleichung in Formelschreibweise: Reaktionsgleichung in Ionenschreibweise: Wie verändern sich die Ionenkonzentrationen (getrennt für jedes Ion einzeln und auch insgesamt) während des Ablaufs der Reaktion? Wie verändern sich die Ionenkonzentrationen bei schrittweiser Zugabe der Säure (Ausgangsstoff 2) zunächst während des Ablaufs der Reaktion und dann nach der Reaktion? Hypothese: Versetzt man eine Base solange mit einer Säure, bis die gesamte Lösung sauer reagiert, beeinflussen folgende Vorgänge die elektrische Leitfähigkeit: Insgesamt könnte man folgende Veränderungen Beobachten:

bei Zugabe der Säure zu der noch basischen Lösung (nach Beginn des Experiments)

am Neutralpunkt bei Zugabe der Säure zu der inzwischen sauren Lösung (gegen Ende des Experiments)

relativer Wert der Leitfähigkeit: (höher, gleich oder niedriger im Vergleich zum Beginn des Experiments)

Veränderung der Leitfähigkeit (steigend, gleichbleibend, fallen)

-------


Aufgaben zu Erarbeitung 2 Auftrag: Vergleichen Sie die Hypothesen mit dem Ergebnis des Experiments. Präzisieren oder korrigieren Sie die Formulierungen der Hypothesen, so dass eine durch das Experiment bestätigte wissenschaftliche Aussage entsteht. Beschreibung des Experiments

Arbeitsplatz zur Titration bestehend aus: 250 ml Weithalserlenmeyer, Rührer (elektrisch wäre schön), 50 ml Bürette. Chemikalien: Vorlage: 2 ml 0,1n NaOH verdünnt mit 50 ml Wasser (kann mir Indikator angefärbt sein). Titer: 50ml 0,01n HCL Messtechnik: PC-Arbeitsplatz mit Chembox und Chemex und Leitfähigkeitssensor. Der Messbereich im Schreiber kann von 0 mS bis 10 mS eingestellt werden. Eine Volumenbestimmung des Titers durch den Tropfenzähler ist günstig. Durchführung: Die Vorlage wird ständig gerührt. Der Schreiber wird vor der Reaktion gestartet. Nach einigen Sekunden wird die Bürette geöffnet. Nach etwa 30 ml Titerverbrauch werden Bürette und Schreiber abgeschaltet.

7.2.5 Rückblick Da durch den Einsatz des PC-Mess- und Auswertungsplatzes die Veränderung der Eigenschaften der Lösung in überschaubar kurzer Zeit messtechnisch erfasst wird, war für die Schüler der funktionale Zusammenhang zwischen zugegebener Stoffmenge, Verlauf der Reaktion und Veränderung der Eigenschaften einleuchtend und somit leicht erfassbar. Im Gegensatz zu ähnlichen experimentellen Untersuchungen ohne PC-Unterstützung führte die Auswertung des Experiments schnell und sicher zu soliden, anwendbaren Kenntnissen zum Themenbereich, der durch die Schlagworte Ionen, Leitfähigkeit, Neutralisation und Äquivalenzpunkt umschrieben werden kann. Die Schüler erlebten den PC als universelles Messgerät und als Maschine, die bei chemischen Reaktionen für die Prozesskontrolle und für die Prozessdokumentation eingesetzt werden kann.

7.3 Messwerterfassung und Messwertverarbeitung mit nummerischer Auswertung

Aufgabe: Untersuchung von Redoxreaktionen durch Messung und Auswertung von Potentialen

ausgewählter Metall-Metallionen-Elektroden Informationstechnologie: Arbeit mit Sensoren und Software

7.3.1 Stellung der Unterrichtseinheit im Bildungsgang und fachspezifische Bemerkungen

Im Themenbereich „Galvanische Elemente“ werden die Gesetzmäßigkeiten und Zusammenhänge behandelt, welche zur Konkretisierung der Arbeit in den nachfolgenden Themenbereichen (Technische Spannungsquellen, Elektrolyse, Technische Elektrolysen und elektrochemische Korrosionsvorgänge) benötigt werden. Auch wenn die Nernst‘-sche Gleichung als mathematisches Modell neben dem Begriff der elektrochemischen Spannungsreihe nicht explizit erwähnt ist, muss sie zumindest zur halbquantitativen Betrachtung der Vorgänge erwähnt werden. Im Themenbereich „Galvanische Elemente“ werden grundlegende Gesetzmäßigkeiten elektrochemischer Redoxreaktionen erarbeitet. Auch hier ist die funktionale Abhängigkeit des Elektrodenpotentials von den stofflichen und experimentellen Parametern bedeutsam. Vor der Beschreibung dieses Zusammenhangs


mittels mathematischen Methoden bedarf es für die Schüler der phänomenologischen Erfassung, gestützt auf experimentelle Bestätigung der theoretischen Aussagen. Dafür eignen sich beispielsweise folgende Aufgabenstellungen:

Untersuchung des Elektrodenpotentials in Abhängigkeit vom Elektrodenmaterial (Metalle, Nichtmetalle), Untersuchung des Elektrodenpotentials in Abhängigkeit von der Elektrolytkonzentration.

Als Messarbeitsplatz wurde der oben beschriebene PC mit Interface ‚Chembox‘ mit Software ‚Chemex‘ eingesetzt. Stundenübersicht: 1. Stunde: Redoxreaktionen in wässriger Lösung 2. Stunde: Die Metall-Metallionen-Elektrode 4. Stunde: Elektrodenpotential und elektrochemische Spannungsreihe 5. Stunde: freiwilliger Ablauf elektrochemischer Reaktionen 6. Stunde: korrespondierende Redoxpaare bei Ionenreaktionen

7.3.2 Didaktische und methodische Bemerkungen zur 4. Stunde Das Potential von Metall-Metallionen-Elektroden liegt in der Größenordnung von einigen Millivolt. Wird die Elektrode durch das elektrische Messgerät belastet, bricht auch diese kleine Spannung sofort zusammen. Um das Elektrodenpotentials auch nur annähernd genau zu bestimmen, bedarf es eines hohen experimentellen Aufwands oder eines sehr hochwertigen Messgerätes. Aus didaktischer Sicht ist der zeitliche Aufwand für das Verständnis eines Experimental-Arbeitsplatzes auf der Basis einer Kompensationsschaltung zu groß. Deshalb greift man nach Möglichkeit auf ein sehr hochohmiges Millivoltmeter zurück, das aber als Präzisionsinstrument in der Regel nicht an Schulen vorhanden ist. Deshalb ist die Möglichkeit des Einsatzes eines geeigneten Interface ein willkommener Ausweg aus der geschilderten Problemsituation. Ist der Messeingang des Interface genügend hochohmig, was durch die heute üblichen optische Kopplung hinreichend gegeben ist, simuliert ein so ausgerüsteter PC-Arbeitsplatz ein hochwertiges Messgerät. Die Möglichkeit, die Messergebnisse in voller Bildschirmgröße auf einem dargestellten Analog- oder Digitalmessgerät anzuzeigen, erhöht aus methodischer Sicht den Wert eines solchen Arbeitsplatzes. In dem hier beschriebenen Unterrichtsabschnitt, dessen methodische Gestaltung einer Experimentalvorlesung nahe steht, wurde die Software des PC-Messplatzes zu konfiguriert, dass der Bildschirm ein großes analoges Millivoltmeter mit mittelständiger Nullmarke anzeigte. Der Messbereich wurde während des Experiments den unterschiedlichen Messergebnissen angepasst. Am Interface wurde der normale Eingang für Gleichspannungen genutzt. Das Gerät filtert überlagernde Wechselspannungen aus, so dass keine abgeschirmten Messleitungen nötig sind. Als Gegenelektrode wurde eine platinierte Platinelektrode (Leitfähigkeitssensor) verwendet. Die Platinelektrode fungierte quasi als Wasserstoffelektrode mit einem annähernden Eigenpotentialwert von Null. Die Messungen waren nur dann reproduzierbar, wenn

die Leitfähigkeit der Lösung hoch war (Als Lösungsmittel wurde eine gesättigte KCL-Lösung verwendet.) und der Einfluss der Hydroxidionen (Sauerstoffelektrode durch Lufteinfluss) durch Ansäuern der Lösung zurückgedrängt wurde.


7.3.3 Beschreibung der 4. Unterrichtsstunde Thema: Die elektrochemische Spannungsreihe Lernziele:

Die Schüler sollen: den Lösungsvorgang eines Metalls in wässriger Lösung als chemische Reaktion begreifen, die mit dem Lösungsvorgang verbundene negative Aufladung des Metalls verstehen, die Stärke der negativen Aufladung als Stoffeigenschaft begreifen, die Abhängigkeit der Stärke der Aufladung von den äußeren Bedingungen erkennen, den Begriff des Standardpotentials verstehen, den Computerarbeitsplatz mit Interface als universales Messgerät kennen lernen.

Stundenverlauf: Einführung:

L: nochmaliges Vorstellen des Langzeitexperiments aus der 1. Stunde (Metallabscheidungen an Metallen in fremdioniger Lösung).

UG: wiederholtes Notieren der chemischen Reaktionen bei Metall-Metallionenelektroden. L: Erläutern des Stundenziels und des Aufbaus der Experimentieranordnung UG: Die Schüler bereiten das Kurzprotokoll auf der Grundlage des Arbeitsblattes vor.

Erarbeitung1:

L: Erläutern der Bedingungen für die erste Experimentalserie. (Messung der Elektrodenpotentiale für vier Metalle)

UG: Auswertung und Systematisierung der Ergebnisse des Experiments.

Erarbeitung2:

L: Erläutern der Bedingungen für die zweite Experimentalserie. (Messung der Elektrodenpotentiale für Kupfer a) bei unterschiedlicher Temperatur der Kupfersulfatlösung, b) bei unterschiedlicher Konzentration [eingeschätzt an der Farbintensität] der Kupfersulfatlösung.)

UG: Auswertung und Systematisierung der Ergebnisse des Experiments.

Sicherung:

UG: Systematisierung der gewonnenen Kenntnisse.


7.3.4 Beschreibung der Lehr und Lernmittel Auszug aus dem Arbeitsblatt für die erste Messreihe:

Das Standardpotential von Metallelektroden 1.) Messung des Elektrodenpotentials

Untersuchte Stoffe: (geordnet nach Ordnungszahl)

Magnesium in Magnesiumchloridlösung, Eisen in Eisen(II)-sulfatlösung, Zink in Zinkchloridlösung, Kupfer in Kupfer(II)-sulfatlösung.

Gemessene Werte:

Metall: Mg Fe Zn Cu

Potential (in mV)

2.) Wertung der Messergebnisse Aufgabe: 1. Ordnen Sie die Metalle nach der Eigenschaft „edel“. Beginnen Sie mit dem unedelsten Metall. 2. Ordnen Sie die Metalle nach der Eigenschaft „gemessenes Potential“. Beginnen Sie mit dem kleinsten

Messwert.

Im Tafelwerk befindet sich eine Tabelle mit der Überschrift

‚Elektrochemische Spannungsreihe, Standardpotentiale‘ 3. Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse aus den Aufgaben 1 und 2 mit dieser Tabelle. 4. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der Metalle und dem elektrochemischen

Standardpotential.

mV + Metall- elektrode

Metallionen- lösung

- Bezugs- elektrode


8 Literatur 1 Hubbe, Philipp: aus „Mitteldeutsche Zeitung“ 12.2.2000. 2 Hildebrand, Jens: Internet Ratgeber für Lehrer, S.101, Aulis-Deubner 1996. 3 ###Blaubär###??? 4 Rahmenrichtlinien Gymnasium Chemie Land Sachsen-Anhalt, John-Ver. 1999. 5 Andraschko, Voigt: IKG an Gymnasien – Physik LISA 1995. 6 IBK elektronic + informatik GmbH: Informationsschrift 1997. 7 Polster, Steffen: Software „Winfunktion Chemie/Biologie bhv-Verlag 1999. 8 Vorläufige einheitliche Prüfungsanforderungen Land Sachsen-Anhalt. John-Ver. 1999.

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