Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 18.12.14


Medien für den Unterricht

Das Experiment

Material:
  • Butansäureethylester
  • 5 Zucker (z.B. Sac, Glc, Fru, Lac, Mal)
  • eventuell: Übung Gestaltpsychologie (Materialien siehe unten)
  • Broschüre "Sicherheit beim Experimentieren..."

1 Beschreibung als Medium

Alle Medien bisher in diesem Verlauf der Darstellung lassen sich unter dem Begriff der Sekundärerfahrung zusammen fassen. Sie wurden beschrieben als Lehr- und Lernmittel, Vermittler von Information, Form der Wirklichkeitsrepräsentation, Kommunikationsmittler, also stets Hilfen "um zu...".

Das Experiment steht der Gruppe gegenüber als Primärerfahrung: es ist die Sache selbst, ist doch das Experimentieren in der Chemie eine typische fachgemäße Arbeitsweise.

Das Experiment ist eine typische fachgemäße Arbeitsweise der Chemie und vermittelt Primärerfahrung.

Man könnte das Unterrichts-Experiment vom wissenschaftlichen Experiment unterscheiden. Sicher können (und sollen) in der Schule keine Forschungsexperimente durchgeführt werden, die neue Ergebnisse zum Ziel haben. Aus Sicht des Lehrers sind im engen Sinn keine forschenden Experimente möglich. Aus Sicht der Schüler hingegen sind auch übliche Unterrichtsversuche neu und führen zu selbst gewonnenen Erkenntnissen. Der Lehrer setzt diese Experimente ein, um das Lehrziel zu erreichen. Zu diesem Zweck werden sie eingebunden in die Unterrichtsmethode an einen bestimmten didaktischen Ort.

Grundsätzlich lässt sich das Experiment als Medium auch beschreiben:

  1. Information. Das Wissenschaftliche Experiment dient der Informationsgewinnung, das Unterrichts-Experiment bezieht seine Informationen aus einer Versuchsvorschrift (Anleitung).
  2. Didaktische Intention. Diese kommt eigentlich vom Autor, der die Anleitung für das Unterrichts-Experiment gefertigt hat. Da diese Intention bestenfalls implizit transportiert wird, besteht für den Lehrenden stets eine Prüf-Pflicht, ob das Experiment dem Lehrziel dient, sonst kommt es zum Phänomen des "Un-Versuchs".
  3. Informationsträger. Fehlen in der Regel, außer, man möchte die Gerätschaften dazu zählen. Aufgezeichnete Experimente sind eher unter bewegte Bilder einzuordnen.
  4. Gerät. Zur Unterstützung der Beobachtung durch Lernende können z.B. Beleuchtung oder Projektion eingesetzt werden (s.u.).

2 Begründung: Warum Experimente im CU?

2.1 Wissenschaftliche Begründung

1. Chemie ist eine Naturwissenschaft. Das Objekt ist primär die Natur mit ihrem Zusammenspiel sehr vieler Faktoren. Und

2. Chemie ist eine experimentelle Naturwissenschaft. Das Experiment ist der Kern der praktischen Methodik in der Forschung, der Zugang zum Objekt (Atom, Molekül)  und Ausgangspunkt der theoretischen Beschäftigung mit dem Forschungsgegenstand:

  • erst Hypothese und Experiment, dann daraus die Entwicklung eine verallgemeinernde Gesetzmäßigkeit: die induktive Methode; sie steht zunächst am Beginn einer experimentellen Arbeit.
    Bsp.: Experiment  Zn +  2 HCl --> ZnCl2 + H2;
    Induktion: Alle Säuren entwickeln mit Metallen Wasserstoff.
  • Gegenteil: erst Theorie (das Ganze), dann Experiment (das Einzelne): die deduktive Methode; sie folgt erstmals nach der Formulierung einer Gesetzmäßigkeit, um ihre Gültigkeit an Beispielen zu überprüfen.
    Bsp.: Eine Theorie existiert bereits auf Grund anderer Experimente:
    Alle Säuren entwickeln mit Metallen Wasserstoff.
    Auf ihrer Grundlage werden weitere Experimente durchgeführt, die zur Bestätigung oder Anpassung der Theorie führen sollen: Pb und Schwefelsäure, Cu und Salzsäure...
  • es folgt ein steter Wechsel der Methoden, wobei neue Befunde das Gesetz verändern können und die neue Form wider überprüft werden muss.

Das Experiment ist ein planmäßig ausgelöster, reproduzierbarer Vorgang zum Zweck der Beobachtung.

Dieser Begriff schließt z.B. das Gedankenexperiment und das Modellexperiment mit ein. Beim wissenschaftlichen Experiment kennt naturgemäß niemand das Ergebnis, beim Experiment im Unterricht (im speziellen unterrichtlichen Sinn) MUSS es dem Lehrenden bekannt sein.

2.2 Didaktische Begründung

Chemie ist eine unanschauliche Wissenschaft. Die Objekte der Chemie sind nicht durch unseren wichtigsten Sinn, den Sehsinn, direkt zu erfassen. Wissenschaftler müssen Methoden über das Experimentieren finden, wie Veränderungen an (nicht sichtbaren) Atomen und Molekülen auf andere (indirekte) Art und Weise wahrgenommen bzw. bewiesen werden können.
Bsp.: Farbänderung, Temperaturänderung, Geruch, Gasblasen, Anzeige eines elektrischen Messgerätes für pH, IR-Absorption...

Ziel des Chemieunterrichts ist es, u.a. fachspezifische Methoden und Denkweisen der zugehörigen Fachwissenschaft Chemie zu vermitteln. Daraus leitet sich die Legitimation von Experimenten ab. Dennoch: das Schulexperiment unterscheidet sich vom fachwissenschaftlichen dadurch

  • dass die größtmögliche Exaktheit nicht immer gegeben sein muss;
    Bsp.: Eine Normalwasserstoffelektrode liefert auch bei 19°C Raumtemperatur für den Zweck brauchbare Ergebnisse, nicht erst bei 20,00°C; und
  • dass nur Teilaspekte enthalten sein können.

Lernende können und sollen gelegentlich wissenschaftliche Experimente simulieren, indem sie ohne Anleitung Experimente entwickeln. Die Grundzüge sind stets enthalten:

Frage Beispiel
  • Formulierung eines Problems
Kann man Wasser aus den Elementen synthetisieren?
  • Festhalten von Annahmen
In der Luft ist Sauerstoff.
  • Festlegung von Bedingungen
Eine Wasserstofflamme wird erzeugt.
  • Formulierung und Diskussion der Ergebnisse
Was bedeutet es, wenn eine kühle Glasscheibe, über die Flamme gehalten, dabei "trüb" wird?
  • Probieren von Varianten
Knallgas, Atmung...


Folie: Zusammenhang zwischen "Versuch nach Anleitung" und dem Forschungs-Experiment.

Man sollte die unterrichtlichen Situationen klar unterscheiden:

  • arbeiten Lernende nach einer geschlossenen Anleitung, können sie höchstens eine vermutete Beobachtung bestätigen;

  • erst durch Entwurfsarbeit während der präexperimentellen Phase, Durchführung mit Protokollierung, sowie Auswertung und Interpretation in der postexperimentellen Phase entwickelt das Experiment innerhalb einer forschenden Unterrichtsmethode seine volle Leistung.


3 Das Experiment in der Unterrichtsplanung

3.1 Einteilung

Die Unterrichtsplanung gestaltet sich in den Schularten naturgemäß sehr unterschiedlich. Entsprechend spielen die Einteilungsmöglichkeiten sehr unterschiedliche Rollen:

-nach dem Experimentator:

  • Schüler - oder
  • Lehrerexperiment.

-nach der methodischen Absicht:

  • Problem- (Warum reagiert Aluminium nicht mit Salzsäure?)
  • Bestätigungs- (Wie vorausgesagt reagiert auch Schwefelsäure mit Zink unter Wasserstoffentwicklung) und
  • Übungsexperiment (Bei der Zersetzung von Wasser entstehen 8ml Sauerstoff und 17ml Wasserstoff).
-nach der sinnlichen Wahrnehmung:
  • akustisch (Knallgasexplosion)
  • visuell (Farbänderung bei Bromthymolblau)
  • geschmacklich (Unterschied zwischen Glc und Fru).
  • geruchswirksam (Entstehen von Schwefel(IV)-oxid bei der Verbrennung von Schwefel an der Luft) oder
  • tasten (Anätzen eines Kupferblechs durch Salpetersäure).

Demonstration: 5 Zuckerarten

-nach dem Material - und Gerätebedarf:

  • Makro- (mehr als 0,1g und 5ml)
  • Halbmikro- (10-100mg, 0,5 - 5ml) und
  • Mikromethode (weniger als 10mg und 0,5ml). Keine Bedeutung für die Schule, da i.d.R. Makro-Maßstab.

Bsp.: Aufbau im Makro-Maßstab Bsp. Aufbau im Halbmikro-Maßstab "microscale"

-nach dem didaktischen Ort, z.B.:

  • Einstieg (z.B. Problemexperiment: "Wir dachten, MnVII würde zu MnII reduziert, aber es bleibt bei MnIV stehen".),
  • Erarbeitung (Erarbeitungs-, Untersuchungsexperiment, z.B. Potentialmessung)
  • Problemlösung (Lösungsexperiment, z.B. induktive Führung: Reduktion bei verschiedenen pH-Werten),
  • Bestätigungsexperiment (z.B. deduktive Führung: "Wir haben an der Nernstschen Gleichung erkannt, dass Redox-Potentiale pH-abhängig sind. Wollten wir MnII erhalten, müsste die c(H3O+) erhöht werden ...")
  • Festigung (Übungs-, Wiederholungsexperiment, z.B. Problemexperiment unter diesen Vorzeichen wiederholen)
  • Leistungsmessung (Prüfungs-, Beurteilungsexperiment, z.B. in der Folgestunde: Schüler hat die Aufgabe, aus einer angesäuerten MnO4--Lösung MnIV herzustellen...).

3.2 Die Auswahl

Dem Lehrer müssen von Vornherein über das Experiment selber bekannt sein:

Kriterium Beispiel
  • Reaktionsbedingungen für optimale Versuchsergebnisse
Einsatz verdünnter Lösungen beim Stärkenachweis, damit die Farbe sichtbar ist.
  • experimentspezifische Fehlerquellen
Bei der quantitativen Auswertung der Zerlegung von Wasser: H2 und O2 lösen sich in unterschiedlichem Ausmaß.
  • besondere Eigenschaften der verwendeten Chemikalien
Giftigkeit von  H2S
  • Quellen für Belästigungen der Schüler
Geruch von H2S bei der Reaktion von Fe mit HCl auf Grund von Verunreinigungen in Eisen.
  • besondere Zeitdauern bei Reaktionen
sehr kurzes Aufblitzen
  • Komplexität des Versuchsaufbaus
Simulation eines großtechnischen Prozesses
  • Modellcharakter mancher Versuche
Ammoniaksynthese nicht bei industriellen Bedingungen 400°C/1000bar durchführbar.
  • Funktionszusammenhang bei fachübergreifenden Experimenten; stoffliche Voraussetzungen
Knallgasreaktion und Atmung

Je nach angestrebtem Ziel muss das Erkenntnisniveau klar sein:

  • genügt ein qualitatives Experiment (meistens) oder
  • muss quantitativ gearbeitet werden?

Quantitatives Arbeiten wird aus mehreren Gründen selten sein:

  • es ist zeitintensiv in Vorbereitung und Durchführung,
  • der apparative Aufwand ist hoch (Stoppuhren, Thermometer...),
  • es stellt hohe Anforderungen an das Vorstellungs- und Durchhaltevermögen von Schülern (Messwerte aufnehmen, umrechnen, darstellen, vergleichen mit der Literatur oder anderen Gruppen; i.d.R. nur in Oberstufen gegeben).

3.3 Der "Schülerfaktor"

Für die Schülerseite müssen folgende Bedingungen bedacht werden:

  • unterschiedliche (subjektive) Wahrnehmung von Farben oder Gerüchen;
    Bsp.: stinkt, rot - pink - rosa...

Demonstration: Butansäureethylester; Ziel: unterschiedliche Auskünfte auf die Frage "Wie riecht der Stoff?"

  • Ablauf der Gesamtkonzeption und Zusammenspiel von Gruppen;
    Bsp.: Stau an der Waage, bevor die Experimente überhaupt beginnen können.
  • Disziplin; wirkt sich auf die Zahl und den Schwierigkeitsgrad der möglichen Versuche aus.
  • Beteiligungsmöglichkeiten für alle Schüler, besonders bei Gruppengrößen über 2.
  • Der emotionale Charakter eines Experiments ist bei jungen Schülern und bei lange dauernden  Experimenten zunehmend wichtig.
    Bsp.: Bei Kunststoffen nicht Herstellung einer farblosen Masse, sondern Ziehen eines Fadens oder Einschließen eines selbst mitgebrachten Gegenstandes (Pfennig, Bild eines Freundes, gepresstes Blatt...).

3.4 Verlaufssicherung

Für unerwartete Situationen muss der Lehrer Vorsorge treffen:

Kriterium Negativbeispiel und Lösungsvorschlag
  • bei einfachen Geräten (Röhrchen, RG, Pipetten) Glasbruch einkalkulieren.
Beim Einspannen eines großen RG mit Hilfe einer Klammer bricht es. Der Lehrer verschwindet in der Sammlung und taucht erst nach 5 Minuten wieder auf, weil alle RG verunreinigt im Waschbecken standen. Die Klasse beschäftigt sich zwischendurch mit "fachfremden Inhalten" und muss danach erst wieder zur Sache zurück gebracht werden.
Ersatz bereit halten.
  • Misslingen des Versuchs und Wiederholung zeitlich und materiell einkalkulieren.
Beim Thermit-Versuch misslingt die Zündung, vermutlich weil der letzte Rest der Zündmischung von der Menge her nicht mehr ausgereicht hat: nun ist sie aufgebraucht.
Mindestens die doppelte benötigte Menge bereit halten.
  • Standard-Gebrauchsgegenstände (RG-Halter, Feuerzeug, Messer, Tiegelzange, Schutzbrille, Stopfen, Indikatorpapier, Spatel...) unabhängig vom Versuch immer bereit halten.
Beim Mischen von Propanol und Wasser in einem kleinen RG zeigen sich hartnäckig Schlieren. Statt nun mit dem Daumen zu verschließen und zu schütteln, sollte ein Stopfen bereit gehalten werden.

4 Die Präsentation

4.1 Die Beziehung zwischen Experiment und organisatorischen Maßnahmen

4.2 Die Betriebssicherheit

  • Standsicherheit der einzelnen Komponenten
  • Schläuche und Kabel nach Hinten verlegen (unbeabsichtigtes Herunterziehen!)
  • Schliffverbindungen sichern (besser: Schraubverbindungen, aber teuer!)
  • brennbare Materialien außerhalb der Reichweite von Flammen (Ausweg: Heizpilz oder Heizplatten!)
  • gerade nicht benötigte Flaschen und Geräte aus dem Arbeitsbereich entfernen.

4.3 Gestaltpsychologische Kriterien

Übung:

M:
  • Rundkolben 250ml mit Ansatz
  • Tropftrichter od. Schütteltrichter
  • Waschflasche
  • Erlenmeyerkolben
  • doppelt durchb. Stopfen dafür
  • 4 Glasrohre 90° versch. Größe
  • versch. Schlauchstücke, kurze und sehr lange, Gummi und PVC
  • je 3 Stative, Muffen, Klammern
  • Hebebühnen
  • Schere
Z: Aufbau einer Gasentwicklungs-Apparatur mit Wasch-Stufe.
D: Spontaner Aufbau.
E: Kritik des Eindrucks.
I: "Gewisse Gesichtspunkte" nicht berücksichtigt.

Ein Versuchsaufbau sollte wenig wahrnehmungsaktiv sein, damit er den zu zeigenden Effekt nicht überdeckt. Deshalb ist anzustreben:

Gesetz der Einfachheit:


Negativ- und Positiv-Beispiel. Nach [27]

  • Einzelgeräte nebeneinander (nicht hintereinander) anordnen, falls sie für das Ziel alle wichtig sind.
  • Immer die einfachstmögliche von mehreren Ausführungen wählen (z.B. Einhalskolben, wenn nicht mehr Hälse gebraucht werden).

Gesetz der glatt durchlaufenden Kurve:


Positiv-Beispiel. Nach [27]


Negativ-Beispiel. Nach [27]

  • gerade und kurze Schlauchverbindungen (keine Schlaufen aus falscher Sparsamkeit mit den vorhandenen Längen, keine Kreuzungen; besonders rote Schläuche sind sehr wahrnehmungsaktiv und bestimmen, vorrangig vor der Gerätereihe, die Aufmerksamkeitsebene.)
  • bei Gasströmen: Y-Stück logischer als T-Stück.

Gesetz der Gleichartigkeit:


Bedeutung und Funktion. Nach [27]

  • Ähnlich aussehenden Geräten wird gleiche Funktion zugeschrieben.
  • Je größer ein Gerät, desto wichtiger erscheint es.
  • Ein Gerät (z. B. Gaswaschflasche) nur in seiner spezifischen Funktion (Gase durch Flüssigkeiten leiten) einsetzen (nicht als Reaktionsgefäß; dafür Erlenmeyer - oder Rundkolben), sonst wird aktuelle und spezifische Funktion vermischt.

Gesetz der Nähe:


Konstruktion von Zusammenhängen am Negativ-Beispiel. Nach [27]

  • Nahe beieinander liegende Geräte werden als zusammengehörig eingestuft. Folgen:
  • gerade nicht benötigte Chemikalien und Geräte (auch aus diesem Grund) an anderem Ort aufbewahren.
  • wichtige Geräte (Reaktionsgefäß) von den weniger wichtigen (Gasentwickler, Aufbereitung...) trennen.

Gesetz der Dynamik von links nach rechts:


Negativ-Beispiel. Nach [27]

  • in unserem Kulturkreis erwarten wir eine Bewegung von links nach rechts (Leserichtung). Alles andere erfordert Umdenken und kostet den Zuschauer/-hörer Verarbeitungskapazität und Zeit.

Gesetz des Figur-Grund-Kontrastes:

  • homogener, farblich kontrastierender Hintergrund, ohne ablenkende Strukturen (z.B. herumstehende, nicht benötigte Gerätschaften)
  • Ideal: ein Stück kontrastierender Karton (dunkelblau, dunkelgrün; bei dunklen Lösungen: weiß) zwischen Stativ und Apparatur.
  • Real: eigener (sauberer) Labormantel, dunkelgrüne Tafel.

Gesetz der Symmetrie:

  • symmetrische Anordnung wird als ausgewogen empfunden und
  • prägt sich besser ein.


Symmetrie. Positiv-Beispiel. Nach [27]

Hinweis: Widerspruch zum Gesetz der Dynamik von links nach rechts?

Andere Grundsätze:

  • Stative hinter die Geräte (aus Schülersicht!)
  • Skalen und zu beobachtende Flüssigkeitsspiegel nicht verdecken.

5 Das Schülerexperiment

Nicht jedes Experiment kann als Schülerexperiment abgehalten werden. Gründe:

  • Gefährdung durch in irgendeiner Form gefährliche Stoffe (schulart- und stufenspezifisch)
  • Ausmaß an gefordertem manuellem Geschick (Pipettieren von Brom oder konz. Schwefelsäure)
  • Apparativer Aufwand für mehrere Gruppen.
  • didaktische Absicht (Anforderungsstufe, Intensitätsgrad, Schwierigkeitsgrad).

Woher weiß man, welche Stoffe zugelassen sind?

Demonstration: Broschüre "Sicherheit..."
Zitat: "Gefahrstoffliste"

Hinweise zur Organisation:

Bei Einsatz von Schüler-Experimenten oder Schülerübungen ist die Zeit immer knapp. Es ist jedoch ein grober fachdidaktischer Fehler, aus "Zeitgründen" auf Schülerexperimente zu verzichten. Es gibt eine Reihe von Maßnahmen, die der Lehrer treffen kann, um den Zeitbedarf zu optimieren:

  • Alle benötigten Geräte (incl. Bruchreserve) bereitstellen.
  • Mündliche Arbeitsaufträge bzw. Hinweise (Sicherheit, Durchführung) VOR dem zugänglich Machen der Arbeitsmaterialien erteilen.
  • Ggf. Substanzen abgewogen bereitstellen (an der einzigen Waage ist stets Stau zu erwarten).
  • Arbeitsanleitung gut verständlich abfassen (dies ist durchaus aufwändig!).
  • Anleitung als Arbeitsblatt austeilen oder als Folie die ganze Zeit über projizieren. Soll mindestens enthalten:

          - Formulierung der Aufgabe bzw. des Problems, des Arbeitsauftrages.
          - Liste der benötigten Chemikalien und Geräte.
          - Skizze des Versuchsaufbaues.
          - Hinweise zur Arbeitssicherheit.
          - Platz für das Notieren von Beobachtungen und Interpretationen.
          - ggf. Hilfen und Hinweise zur Auswertung.

  • Zeitplanung nicht zu knapp; Abbauen und Reinigen mit einkalkulieren.

6 Das Experiment in der schulischen Praxis

Von Vielen wird das Experiment im täglichen Unterricht unterschätzt, sowohl was die Wirkung auf den Lernenden als auch, was den Aufwand für das Einbinden in den Unterricht betrifft. Typische Einbindungsfehler sind:

  • erst das Experiment, dann die Stundenkonzeption "drumherum"; das Experiment ist nicht inhaltlich, sondern nur formell motiviert ("es soll halt eins drin sein");
  • das Experiment ergibt sich nicht aus einer inhaltlichen Frage, sondern wird "zur Auflockerung" eingesetzt;
  • es wird nicht sicher gestellt, dass theoretische und praktische Fähigkeiten sowie die Fertigkeiten zur Durchführung bei Lernenden auch vorhanden sind;
  • Anleitungen sind mangelhaft;
  • das Ziel eines Experimentes ist nicht bekannt;
  • Zeitplanung mangelhaft: Lernende arbeiten unter Zeitdruck;
  • Festigungsphase wird unterschätzt: die Versuchsergebnisse werden nicht diskutiert...

Diese Fehler eines sogenannten "klassischen Experimentalunterrichts" (in dem alle obigen Fehler gemacht werden) erklären meines Erachtens Untersuchungsergebnisse aus den letzten Jahren, nach denen das Experiment "in seiner Wirksamkeit für den Lehr/Lernprozess überschätzt" würde. Ohne diese Fehler ist das Experiment ohne Zweifel hoch wirksam und unverzichtbar. Die Datenlage ist allerdings mager.

In den letzten Jahren sind Bemühungen wirksam geworden, die praktische und theoretische Bedeutung des Experimentes über methodische Bemühungen zu unterstreichen:

  • Das an der Schülervorstellung orientierte Unterrichtsverfahren (SVO-Verfahren, siehe Vorlesung), das den Erkenntnisprozess (auch im Verlauf des Experimentierens) gezielt reflektiert
  • Kompetenzorientiertes Lernen am Experiment (KLEx, siehe Planungs-Seminar), eine methodische Maßnahme, bei der gerade das kreative Problemlösen zum Hauptaugenmerk wird.

Der Einsatz des Experimentes im Unterricht erscheint auch deshalb besonders schwierig, weil in der Fachausbildung Wissenschaftstheorie und die bewusste Reflexion des Experimentes als fachgemäße Arbeitsweise fehlt. Eine der theoretischen Schwierigkeiten sei hier exemplarisch beschrieben: der Weg der Abstraktion im Verlauf der Beschäftigung mit dem Experiment.


Abstraktionsebenen im Chemieunterricht


Übung

Vergleichen Sie Anleitung und Durchführung der folgenden beiden Experimente:


Folien als PowerPoint-Präsentation

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