Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 04.05.16


Medien für den Unterricht

Modelle

Material:
  • Kugel-Stab-Modell
  • Orbital-Modelle
  • Gitter-Modelle
  • Selbstbau-Modelle
  • Modellexperiment.

Im Lernraum spricht der Lehrer vor 16-jährigen Schülern über die verschiedenen Möglichkeiten, aus 5 Kohlenstoffatomen und 12 Wasserstoffatomen unterschiedliche Kohlenwasserstoff-Moleküle zu erhalten. In Partnerarbeit versucht die eine Hälfte, alle Isomere auf dem Papier zeichnend herauszufinden. Die andere Hälfte der Schüler baut die Moleküle aus Kugeln und Stäbchen. Die erste Gruppe findet es unfair, denn alle halten es für einfacher, Moleküle nicht im Geist um die Raumachsen und um Einfachbindungen zu drehen, sondern mit den Händen vor Augen. Dass das nicht nur für jugendliche Facheinsteiger gilt, zeigen die Ausführungen von J. Watson zur Ermittlung der DNS-Struktur:

"Die alpha-Helix war nicht etwa durch ewiges Anstarren von Röntgenaufnahmen gefunden worden. Der entscheidende Trick bestand vielmehr darin, sich zu fragen, welche Atome gern nebeneinander sitzen. Statt Bleistift und Papier war das wichtigste Werkzeug bei dieser Arbeit ein Satz von Molekülmodellen, die auf den ersten Blick dem Spielzeug der Kindergartenkinder glichen" [12].

Begriff. [27] Als Verkleinerungsform von "modus" (lat.: Maß, Grundmaß) bezeichnet der Begriff

  • Muster, Vorbilder, Entwürfe,
  • "Verkleinerungen" von Realobjekten (im direkten Sinn, z.B. Raffinerie),
  • schematische, vereinfachte, idealisierende Darstellungen von Objekten oder Bereichen zum Zweck der Verdeutlichung bei vielschichtigen Funktionen, Beziehungen und Zusammenhängen (z.B. die chemische Gleichung mit einem einzigen Produkt)
  • Vergegenständlichungen von nicht direkt beobachtbaren Phänomenen (Kugel-Stab-Modell des Wassermoleküls) [28].

Modelle entstehen nach folgendem Grundmuster:


Abb. 1: Entstehung von Modellen (nach Steinbuch, verändert)

  1. Das Original, ein bestimmter Ausschnitt aus der Realität, kann nicht als solches präsentiert werden. Ein Subjekt (Autor, Benutzer, Lehrer) benötigt dieses Original dennoch zum Erreichen eines bestimmten Lehrzieles. Folglich wird es sich bemühen, diesen Ausschnitt genau zu beobachten und unter Zuhilfenahme seiner Fachkenntnisse im eigenen Bewusstsein ein Denkmodell entstehen lassen. Dabei muss sich das Subjekt über den subjektiven Charakter des Wahrnehmungssiebes und die Folgen daraus im Klaren sein.
  2. Wenn das Subjekt die Zusammenhänge verstanden hat, wird es versuchen, diese zu veranschaulichen. So entsteht über den Weg des Bewusstseins des Autors im Ergebnis eine spezifische Modellart, eine subjektive Repräsentation des Originals, mit begrenzter Aussagekraft im Sinne der didaktischen Absicht des Lehrenden (Subjekt).
  3. Oft lassen sich für das Verständnis irrelevante Zutaten (z.B. Materialeigenschaften, Stützvorrichtungen, Verbindungsstücke, sprachliche Konstruktionen, problematische Schreibweisen) nicht vermeiden.

Die Art und Weise, in der der Lernende Wissen im folgenden Lernprozess auf der Basis des Modells konstruiert, kann wiederum Ungenauigkeiten verursachen und einen bedeutende Fehlerquelle sein, soll an dieser Stelle aber nicht Gegenstand der Betrachtung sein.

Bsp.: Materielles Gittermodell für Natriumchlorid.
Original: Es liegt eine regelmäßige Anordnung von Kationen und Anionen kubisch-flächenzentriert im Zahlenverhältnis 1:1 vor.
Lehrziel des Subjekts: das Prinzip von Gitterstrukturen bei Ionenverbindungen darstellen.
Wahrnehmungssieb: allgemein der eigene Kenntnisstand und seine Grenzen (z.B. die Dynamik in Gittern, Fehlstellen u.ä.)
Ergebnis: ein Modell wie in Abb. 9a
Irrelevante Zutaten: Metallstäbchen zwischen den Kugeln. Sie dienen der Abstützung und führen eher zur falschen Vorstellung von einer Gerichtetheit elektrostatischer Kräfte zwischen Anion und Kation.

Die Beziehungen zwischen dem Original und dem Modell können sein:

  1. Bedingung der Ähnlichkeit: eine formulierbare bzw. sichtbare Ähnlichkeit hinsichtlich Zustand, Struktur, Verhalten, Funktion oder Prozess. Dabei kann die Ähnlichkeit durch Analogie oder Homologie gegeben sein.
    Bsp.: Schlüssel-Schloss-Prinzip (analog), DNS-Modell (homolog).
  2. Bedingung der Repräsentation: eine durch eine Theorie vermittelte näherungsweise Abbildung. Dies ist auf unterschiedlichen Stufen der wissenschaftlichen Erkenntnis möglich. Die dabei neu gewonnenen Erkenntnisse haben wiederum Modellcharakter.
    Bsp.: Atom- und Bindungsmodelle auf den historischen Stufen nach Rutherford, Bohr oder AO- bzw. MO-Theorie.
  3. Bedingung der Anschaulichkeit: Modelle veranschaulichen jene Merkmale des Originals übersichtlich, die das Subjekt für das umzusetzende Lehrziel für wichtig hält.
    Bsp.: Modellarten zum Natriumchlorid-Gitter, Abb. 9a und b.
  4. Bedingung der Reduktion: Selten kann ein einziges Modell den gesamten Sachverhalt abbilden. In der Regel wird es sich um Symbole für Teile des Objektes handeln.
    Bsp.: Die formulierte Gleichung H2 + I2 --> 2HI gibt die Stoffartänderung von Iod und Wasserstoff zur Verbindung Iodwasserstoff korrekt wider, darf jedoch nicht als Modell für den Mechanismus herangezogen werden. Dieser verläuft, zumal bei höheren Temperaturen, in anderer Weise.
Homologien arbeiten mit gleichen Grundqualitäten: Analogmodelle stellen die Grundqualitäten mit völlig anderen Mitteln heraus:
  • radikalische Substitution mit Strukturmodellen,
  • Berechnung bzw, Darstellung von Ionenradien unter der Annahme starrer, sich berührender Kugeln,
  • DNA als Strukturmodell.
  • Schlüssel-Schloss-Prinzip für die Enzym-Substrat-Beziehung,
  • starre (Styropor)Kugeln für Gasmoleküle,
  • Wasserkreislauf mit Pumpe für den elektrischen Stromkreis,
  • Anfassen mit Händen für die Passung der Wertigkeiten von Elementen.

In allen Fällen werden Erfahrungen aus bekannten Bereichen auf neue Bereiche übertragen. Besondere Schwierigkeiten entstehen dann, wenn in ein und demselben Zusammenhang analoge und homologe Elemente vermischt sind.

Bedeutung für den Chemieunterricht. Modelle und Modellvorstellungen sind in der Fachwissenschaft immer wichtige Denkhilfen für die Hypothesenbildung gewesen. Während die Fachwissenschaft die Modelle stets verfeinert und dem Objekt näher bringt, besteht die Aufgabe des Unterrichtes eher darin, immer wieder Einsteiger mit den Hypothesen vertraut zu machen. Dies kann durchaus sehr effektiv mit historischen, also aus heutiger Sicht überholten oder stark ergänzten Modellvorstellungen, geschehen. Der Lehrer ist sich stets des Modellcharakters mit den Grenzen und der historischen Dimension bewusst und wird diese Grenzen auch im erforderlichen Umfang, abhängig von den Lehrzielen, mit den Lernenden diskutieren. Solche Lehrziele können sein:

  • Prinzip des Aufstellens von Hypothesen,
  • Entwerfen von Realexperimenten auf Grund von Modellvorstellungen,
  • Auffinden von Parametern und Beziehungen in komplexen Systemen.

Bsp.:

  1. Das undifferenzierte Atommodell nach Dalton (Atome als Massekügelchen) kann eine Reihe von Gesetzen und  Strukturprobleme der Chemie erklären: Gasgesetze, Stöchiometrie, Gitter... Zur Behandlung der Bindungsproblematik freilich ist es ungeeignet.
  2. Das Bohrsche Atommodell kann wertvolle Dienste bei der Einführung der Gesetzmäßigkeiten zur Besetzung von Schalen mit Elektronen (Geltungsbereich der Oktettregel), zur Ionenbildung oder sogar zum Zustandekommen gemeinsam eines gemeinsam genutzten Elektronenpaares leisten. Niemand wird es hingegen zur Erklärung von Bindigkeiten oder Mehrfachbindungen heranziehen.
  Sekundarstufe I Sekundarstufe II
Atommodelle Dalton
Rutherford
Bohr
Schalenmodell
Kimball
Wellenmechanik (Ein-Elektron-AO)
Bindungsmodelle Ionenbindung
Atombindung
Metallbindung
Gillespie-Nyholm (VSEPR)
VB-Modell
Strukturmodelle Dalton
Ionengitter
Molekülgitter
Metallgitter
Konstitution
Konfiguration
Konformation

Klassifikation. Die hier vorgestellte Klassifikationsmöglichkeit ist eine von mehreren denkbaren. Die Trennschärfe zwischen einzelnen Modellarten wird oft nicht groß sein, was mit der Darstellungsweise unterstrichen werden soll.


Abb. 2: Möglichkeit der Klassifikation

Beschreibung. Simulationen werden oft als Modellbildungssysteme eingesetzt und dienen der schrittweisen Annäherung an das Objekt durch zunehmend vollständigere und genauere Erfassung der Parameter. Oft können dabei Erkenntnisse erst am Modell gewonnen und erst danach, nach gezielter Suche, auch am Objekt entdeckt. In Unterrichtssituationen spielen nur stark reduzierte Simulationen eine Rolle.

Bsp.: Funktionsweise eines Atomkraftwerkes, einer Kläranlage, eines Hochofens, der Abgasaufbereitung am Auto...

Modellexperiment, Modellsubstanz und Strukturmodelle besitzen materiellen Charakter: sie sind stofflich, anfassbar, also Sachmodelle.

Modellexperimente sind Analogmodelle. Dabei stimmen Edukte und Produkte qualitativ überein, selten jedoch quantitative Aspekte, wie Ausbeute, Reaktionsbedingungen oder Katalysator.

Bsp.: materielles Modellexperiment: Mit Hilfe von Laborgeräten aus Glas wird das Prinzip der technischen Ammoniaksynthese, die sonst in Hochdruckkonvertern abläuft, qualitativ demonstriert.

Bsp.: ideelles Modellexperiment: über zwei kommunizierende Gefäße, die auf unterschiedlicher Höhe stehen, wird die Wirkung von Aktivierungsenergie demonstriert (Abb. 3).


Abb. 3: Ein Modellexperiment

Strukturmodelle geben dreidimensionale Anordnungen von Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle) wider. Dabei sind die Raumpositionen als homolog, die Teilchendarstellung aus kugelförmigen, kräftefreien Materialien (Holz, Kunststoff, Styropor) als analog zu betrachten.

Bsp.: Kugel-Stab-Darstellung von Ethanol. Sie ist in 3D-Darstellung ebenfalls abrufbar (Browser und PlugIn CosmoPlayer oder Blaxxun erforderlich).


Abb. 4: Ethanol in Kugel-Stab-Darstellung

Modellsubstanzen führen zu den gleichen optischen Erscheinungen wie die Originale, sind aber anderer chemischer Natur.

Bsp.: Über ein System Fe3+/SCN- lässt sich das Klumpungsverhalten von Blut mit Seren anderer Gruppenzugehörigkeit modellieren.

Mathematisch-logische, bildliche und symbolische Modelle besitzen immateriellen, gedanklichen, imaginären Charakter: es handelt sich um Denkmodelle.

Bildliche Modelle beschreiben mit einem konkreten Bild abstrakte Modellvorstellungen

Bsp.:

  • "Berg", der überwunden werden muss, für die Aktivierungsenergie.
  • Valenzstriche als Bindungen.
  • "Elektronenwolken" für Orbitale.

Symbolische Modelle drücken über frei vereinbarte Symbole Inhalte von gedanklichen Modellen aus.

Bsp.:

  • Chemische Symbole: Xe für das Element Xenon.
  • Molekülformeln: H2O für ein Wassermolekül.
  • Reaktionsgleichungen: CH4 + 2O2 ---> CO2 + 2H2O
  • der Übergangszustand.

Mathematisch-logische Modelle beschreiben den mathematischen Formalismus einer Vorstellung, die Art und Weise, wie Parameter miteinander verknüpft sind.

Bsp.: Mathematische Beziehungen zur Beschreibung des chemischen Gleichgewichts, das Massenwirkungsgesetz, das Löslichkeitsprodukt, die Nernst'sche Gleichung.

Modelle als Medien. Kann man Modelle zumindest teilweise als Medien auffassen? Beschränken wir uns auf materielle Modelle aus dem Bereich von Atomen und Molekülen. Sie bringen in unterschiedlichem Ausmaß Sachinformation mit:

  • In der Realisierung als Applikationen werden nur zwei Dimensionen verwendet, so dass nur Größenverhältnisse ersichtlich sind.
  • Gerüst-Modelle zeigen Bindungslängen und -winkel, somit im Prinzip den räumlichen Bau; Farben an den Begegnungspunkten der Bindungen können die Atomart angeben.
  • Kalotten-Modelle stellen zusätzlich die Raumerfüllung durch unterschiedliche Durchmesser der Kalotten dar. Die Bindungsachsen sind nicht sichtbar.
  • Kugel-Stab-Modelle sind dann als Mischformen aufzufassen, wenn die Kugelgrößen die Größenverhältnisse der Atome widerspiegeln. In diesem Fall sind auch die Vorzüge beider Modellarten vereinigt.
  • Orbitalmodelle geben die räumliche Orientierung und (meistens nur sehr grob) die Form von Atom- oder Molekülorbitalen wider.
  • Kristallgittermodelle stellen Gitterausschnitte, meistens unter Einbeziehung einer Elementarzelle, dar. Unterschiedliche Gitterelemente erkennt man häufig an der Farben, manchmal zusätzlich am Raumbedarf. Informationsträger sind also stets die Materialien (Holz, Duro- oder Thermoplaste, Styropor, Wattekugeln...) mit ihren Farben und ihrer räumlichen Lage zueinander.

Die Kriterien für die Einordnung als Medien sind erfüllt:

  1. Der Informationsgehalt stammt vom Lehrer oder vom Autor (Subjekt).
  2. Die Didaktische Intentionen des verwendenden Lehrers und des Autors sind nicht vollständig trennbar.
  3. Die Informationsträger unterscheiden sich bei materiellen (das Material) und imaginären (die vortragende Person) Modellen.
  4. Von der Art des Trägers hängt das nötige Gerät ab: Applikationen oder virtuelle Teilchen erfordern zusätzliche Geräte: Tageslichtprojektor, Tafel oder den Computer mit geeigneter Software und eventuell 3D-Brille in Zweifarben- (rot/grün, blau/gelb), Polarisations- oder Shuttertechnik (bei Shutterbrillen werden, synchronisiert durch das Programm, Bilder mit unterschiedlichem Blickwinkel jeweils dem richtigen Auge zugeführt, indem das Glas vor dem anderen Auge abgedunkelt wird und umgekehrt). 

Einsatz. Der didaktische Einsatz wird in all jenen Fällen fremd bestimmt, in denen fertige Modelle erworben werden. Der Selbstbau ist wenig verbreitet, was insofern bedauerlich ist, als weniger das Zeigen als vielmehr die intensive Auseinandersetzung mit den Grenzen der Modelle Erfolge beim Verstehen den zugrunde liegenden Inhalten bringt.

Demonstration: Selbstbaumodelle.

Abb. 5: Modelle, die sich für den Selbstbau eignen

Wie beim Einsatz (für die Schüler) neue Erkenntnisse entstehen, soll am Beispiel des Cyclohexans erläutert werden.

  1. Der räumliche Bau des Cyclohexanmoleküls verdeutlicht, dass zwischen zwei Arten von CH-Bindungen zu unterscheiden ist, den axialen (a) und den äquatorialen (e). Aus dem Anheben der drei "Fußstützen" des Cyclohexansessels resultiert die Wannenform. Senkt man deren Bootsspitze ab, so gelangt man zu einer neuen Sesselform. Durch Rotation um CC-Einfachbindungen lässt sich demzufolge über Konformationsänderungen eine Sesselform in eine andere verwandeln, wobei axiale und äquatoriale Substituenten ihre Plätze tauschen.

    Demonstration: Kugel-Stab-Modell.

Abb. 6: Modell für die Sessel- und Wannenform des Cyclohexans

  1. Die Verwendung eines gut zusammenhaltenden, dennoch in sich beweglichen Kugel-Stab-Modells führt zu den Erkenntnissen:

    -Cyclohexan ist spannungsfrei, daher energetisch den n-Alkanen vergleichbar.

    -Bei den Manipulationen zur Umwandlung der Sessel- in die Wannenform fällt die Twist-Form auf, die fühlbar leichter entsteht als die Wannenform. Diese Erkenntnis können sich Schüler in Selbsttätigkeit ohne die Verwendung materieller Modelle nicht erarbeiten.

    -Die Abstände zwischen den axialen Liganden sind mit dem Lineal messbar und weisen die Sesselform als energetisch günstigsten Zustand aus.

Abb. 7: Sessel-, Twist- und Wannenform anhand eines dynamisch handhabbaren Gerüstmodells.

  1. Orbitalmodelle sollen das Denkmodell von der Elektronendichteverteilung in Atom- oder Molekülorbitalen konkretisieren. Die räumlichen Orientierungen etwa der drei p-Funktionen zueinander lassen sich gut demonstrieren, während Überlappungsräume wegen des materiellen Charakters nicht darstellbar sind. Aus dem gleichen Grund gelingt die Zusammenschau aller Orbitale nur für die zweite Schale. Modellhafte Realisierungen für z.B. 2s- oder 3p-Orbitale sind praktisch nicht bekannt. Meistens orientieren sich käufliche Modelle an der für das manuelle Zeichnen optimierten Form, weniger an berechenbaren Dichtegrenzen, so dass ohne Kommentar dieser Grenzen durch den Lehrer fehlerhafte Vorstellungen entstehen können.

    Demonstration: Orbitalmodelle.


Abb. 8: Ein 2s- und ein 3py-Orbital

  1. Kristallgittermodelle folgen aus statischen Gründen meistens der Kugel-Stab-Darstellung, wobei die Stäbe im Fall von Ionengittern zu falschen Vorstellungen über die Natur der Ionenbindung führen können. Selbstgebaute Modelle aus Wattekugeln können räumliche Verhältnisse besser wiedergeben, die Verwendung von Glasplatten statt Stäben die Vorstellung von der Gerichtetheit von Ionenbindungen erst gar nicht aufkommen lassen. Das Graphit-Modell zeigt korrekt die kovalenten Bindungen innerhalb einer Schicht, versagt aber bei den leicht verschiebbaren Kräften zwischen den Ebenen.

    Demonstration: Gitter.


Abb. 9: Modellarten zur Darstellung von Teilchengittern (NaCl-Typ)

Ausblick. Trotz fortgeschrittener Kraftfeld-Elektronenmikroskopie ist das Betrachten der "chemischen Wirklichkeit" in Echtzeit, etwa der Reaktionsmechanismus bei einer Substitution, immer noch nicht möglich und wird es auf Grund der zugrunde liegenden zeitlichen und technischen Dimensionen auch noch eine Weile bleiben. Die nötigen Visualisierungstechniken für Rechenmodelle werden allerdings auch für den schulischen Unterricht zunehmend verfügbarer, so dass man untersuchen sollte, inwieweit die in vielen Belangen hinderliche kugel-stab-basierte durch eine kraftbasierte Denkweise abgelöst werden kann.


Folien als PowerPoint-Präsentation

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de