Chemie mit Licht: Innovative Didaktik für Studium und Unterricht

277 Pages·2019·19.834 MB·German

by  Michael Tausch

Michael Tausch
Chemie
mit Licht
Innovative Didaktik für Studium
und Unterricht
Chemie mit Licht
Michael Tausch
Chemie mit Licht
Innovative Didaktik für Studium
und Unterricht
Michael Tausch
Fakultät 4 – Mathematik und
Naturwissenschaften – Chemie und ihre
Didaktik, Bergische Universität
Wuppertal, Deutschland
ISBN 978-3-662-60375-8 ISBN 978-3-662-60376-5 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-60376-5
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Einbandabbildung: Bildmotiv mit freundlicher Genehmigung von Nico Meuter, Universität Wuppertal
Planung/Lektorat: Rainer Münz
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Vorwort
Die Sonne strahlt jedes Jahr das 100-Fache von der Energie auf die Erde ein, die
aus den gesamten Weltreserven an Kohle, Erdöl, Erdgas und Uran verfügbar wäre.
Hinzu kommt, dass die Solarstrahlung unserem Planeten kostenlos und über astro-
nomische Zeiträume hinweg zur Verfügung steht. Langfristig führt kein Weg zur
Lösung der globalen Probleme Energie, Klima, Ernährung, Wasser und Mobilität
daran vorbei, diese sauberste und nachhaltigste aller Energiequellen zu nutzen.
Aber sind da nicht in erster Linie die Fachwissenschaften und die Technik, weniger
die Didaktik und der Chemieunterricht gefordert? Alle sind gefordert. Dieses Buch
will einen Chemieunterricht katalysieren, der dieser Forderung gerecht wird. Die
Devise lautet: „Mehr Licht! Auch im Chemieunterricht!“ Das ist die science for
future, für die an den fridays for future im Jahr 2019 demonstriert wurde.
„Chemie mit Licht“ bedeutet Klimaschutz, Nachhaltigkeit und Wohlstand
durch naturwissenschaftliche Bildung und technologischen Fortschritt. Dieses
Buch schließt an die gewachsenen und etablierten Inhalte, Methoden und Materi-
alien des Chemieunterrichts und des Lehramtsstudiums an. Es will in mehrfacher
Hinsicht Innovationsschübe auslösen und vorantreiben, indem es:
• die zukunftsrelevante Bedeutung, die konzeptionellen Grundlagen und die
curriculare Einbindung von Prozessen mit Lichtbeteiligung fachlich begründet
und erläutert, didaktisch reduziert und strukturiert,
• ein breites Repertoire an Experimenten und Lehr-/Lernmaterialen in Print- und
Elektronikformaten über die assoziierte Internetplattform vernetzt und kostenlos
zur Verfügung stellt,
• die Potenziale der „Chemie mit Licht“ für die interdisziplinäre und kohärente
Lehre in den MINT-Fächern analysiert und dokumentiert,
• Lerneinheiten in Praktika, Workshops, Vorträgen und Lehrerfortbildungen
anbietet und
• chemiedidaktische Forschungsfragen und -ansätze der letzten Dekaden aufgreift,
reefl ktiert und für die Diskussion in Seminaren zur Fachdidaktik aufbereitet.
Die Internetplattform http://chemiemitlicht.uni-wuppertal.de ist die digitale Assistenz
zu diesem Buch. Sie enthält die E-Book-Version dieses Werkes sowie zusätzliche
Experimente, Videos, Filme, Modellanimationen, Unterrichtsbausteine, Kontexte,
Anwendungen, Materialienpakete und weitere elektronische Medien für Studium
V
VI Vorwort
und Unterricht. Im E-Book führen Links zu den jeweils angegebenen Zielseiten auf
der Plattform. Diese Seiten können auch aus der vorliegenden Druckversion mithilfe
von QR-Codes aufgerufen werden. Sie sind kapitelweise nummeriert und an den
Enden der Teilkapitel platziert.
Der Fließtext im Buch wird durch zahlreiche Abbildungen unterstützt, deren
Nummerierung in jedem Kapitel neu beginnt. Gleiches gilt für die im Fließtext
zitierte Literatur, die jeweils am Kapitelende als Liste vorliegt.
Die Hervorhebungen als Kursivdruck im Text kennzeichnen:
• wichtige Fachbegriffe aus den zentralen Inhaltsfeldern dieses Buches (allgemeine
Chemie, Photochemie, Chemiedidaktik, Wissenschafts- und Erkenntnistheorie),
• wörtliche Literaturzitate,
• aus anderen Sprachen (Englisch, Französisch, Latein) übernommene Formulie-
rungen.
Hinweise zu den Kapiteln des Buches:
Licht als Phänomen, Energieform, Chemikalie, Kunstelement, religiöse und
philosophische Kategorie hat ganze Epochen kulturhistorisch geprägt. Dazu liefert
Kap. 1 Beispiele, die Denkanstöße auslösen und Bögen zur Literatur, Geschichte,
Physik und Kosmologie aufspannen.
In Kap. 2 wird die Relevanz der Photoprozesse für den Chemieunterricht und
die anderen MINT-Fächer hergeleitet. Sie ergibt sich aus einer reflektierenden
Rundschau, die den Forschungsgegenstand der Chemie, ihr ambivalentes Bild in
der Öffentlichkeit, ihre Rolle als Innovationsmotor sowie die Relevanz von Solar-
licht in der Biosphäre, Forschung und Technosphäre beinhaltet.
Im Brennpunkt des 3. Kapitels steht die Chemiedidaktik als Wissenschaft der
Chemie-Lehrenden. Verschiedene Forschungsschwerpunkte und aktuelle Entwick-
lungen werden pointiert herausgestellt. Das eigene didaktische Credo wird allego-
risch mit den fünf Sinnen des Menschen untermalt.
In Kap. 4 werden die allgemeinen Schlüsselkonzepte in der Chemie und die
in allen Bundesländern gültigen Basiskonzepte des Chemieunterrichts einer kriti-
schen Reflexion unterzogen. Daraus resultiert Diskussionsmaterial für fachdidakti-
sche Seminare im Studium und im Referendariat.
Licht in Kombination mit dem Konzept vom Grundzustand und dem elektro-
nisch angeregten Zustand wird in Kap. 5 als neues Schlüsselkonzept für die Lehre
der Chemie vorgeschlagen. Die Kohärenz dieses Konzepts mit den obligatorischen
Basiskonzepten, Kompetenzen und Fachinhalten des Chemieunterrichts sowie mit
den chemiedidaktischen Kategorien wird begründet.
Die konzeptionellen Grundlagen der Photochemie werden in Kap. 6 anknüp-
fend an Inhalte der allgemeinen Chemie zunächst für Studierende des Lehramts,
Referendare und Chemie-Lehrende aus der Schulpraxis komprimiert. Dabei wird
zwischen Photoprozessen ohne und mit chemischer Reaktion differenziert. Es
folgen jeweils didaktische Reduktionen der Konzepte für den Gebrauch in der
Sekundarstufe II und in der Sekundarstufe I.
Vorwort VII
Unter der Überschrift „Experimente mit Licht“ sind in Kap. 7 zunächst die
didaktischen Funktionen von Experimenten im naturwissenschaftlichen Unter-
richt erläutert und alle photochemischen Experimente von der Internetplattform in
einer Tabelle zusammengefasst. Die folgenden zehn Unterkapitel enthalten jeweils
Experimente, didaktische Hinweise und Lehr-/Lernmaterialien zu Kontexten, die
Themengebiete der Chemie und anderer MINT-Fächer umfassen.
Wuppertal Michael W. Tausch
im Herbst 2019
Danksagungen
In dieses Werk sind Ergebnisse aus Promotionsvorhaben, Postdoc- und Koope-
rationsprojekten eingeflossen. Für die kreative und erfolgreiche Zusammenarbeit
danke ich allen, die daran beteiligt waren und aktuell in der curricularen Innova-
tionsforschung an Universitäten und Schulen aktiv sind. Ihre Namen nenne ich im
Buch jeweils an den Stellen, wo ihre Beiträge eingebaut sind.
An dieser Stelle danke ich Nico Meuter, dem Administrator der Internetplatt-
form http://chemiemitlicht.uni-wuppertal.de, der auch das gesamte Layout erstellt
hat und den IT-Support leitet. Darüber hinaus hat er zahlreiche Abbildungen im
Buch gefertigt oder überarbeitet.
Der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG danke ich für die Förderung
der Forschungsprojekte Photo-Lena (Photoprozesse in der Lehre der Naturwis-
senschaften, TA 228/4-1) und Photo-MINT (Photoprozesse in der Lehre der
MINT-Fächer, TA 228/4-2), im Rahmen derer wesentliche Teile dieses Werkes
entstanden sind.
Für die Förderung bei der Entwicklung, Erprobung und Evaluation von
Experimentiersets für die Wuppertaler Chemie-Labothek und für Workshops in
der Lehrerfortbildung danke ich der Gesellschaft Deutscher Chemiker GDCh, dem
Fonds der Chemischen Industrie FCI und der Initiative durch Innovation ZdI für
MINT-Nachwuchs.
Der Bergischen Universität Wuppertal danke ich für das Hosting der Inter-
netplattform und die Unterstützung der curricularen Innovationsforschung in der
Chemiedidaktik.
Wuppertal Michael W. Tausch
im Herbst 2019
IX
Inhaltsverzeichnis
1 Licht und Chemie – kulturhistorische Meilensteine............... 1
1.1 Licht – eine biblische Urschöpfung ........................ 2
1.2 Licht – eine Eigenschaft des Sonnengottes Re................ 3
1.3 Licht – Elixier des Feuers?............................... 4
1.4 Licht – offenbaren Farben sein Wesen? ..................... 5
1.5 Licht – Teilchen oder Wellen? ............................ 8
1.6 Licht – Interpretationen und Arbeitshypothesen............... 10
1.7 Licht – vernachlässigte Energie in der Chemie ............... 11
Literatur ................................................... 13
2 Chemie mit Licht – eine didaktische Herausforderung............ 15
2.1 „Chemie ist die Lehre von den stofflichen
Metamorphosen der Materie“............................. 16
2.2 Chemie – ambivalentes Bild in der Öffentlichkeit ............. 17
2.3 Chemie – Innovationsmotor für neue
Produkte und Methoden ................................. 20
2.4 Solarlicht – Antrieb für die Biosphäre ...................... 21
2.5 Solarlicht – Relevanz für die Energieversorgung
im 21. Jahrhundert ..................................... 24
2.6 Photoprozesse – Relevanz für die Forschung und
Entwicklung im 21. Jahrhundert........................... 26
2.7 Photoprozesse – Relevanz für die Chemiedidaktik
im 21. Jahrhundert ..................................... 29
Literatur ................................................... 32
3 Chemiedidaktik – Wissenschaft der Chemie-Lehrenden........... 35
3.1 Die sieben W-Fragen.................................... 35
3.2 Chemiedidaktische Forschung – zwischen
Chemie und Didaktik.................................... 36
3.3 Didaktische Integration – Kohärenz von
sinnstiftenden Kontexten und Fachinhalten .................. 40
3.4 Curriculare Innovationsforschung – ein Imperativ
für die Fachdidaktik .................................... 42
3.5 Sprachsensibler Chemieunterricht – Katalyse von
Sprachlernen und Fachlernen ............................. 48
XI
XII Inhaltsverzeichnis
3.6 Didaktisches Credo – Sinn(e) der Chemiedidaktik............. 50
Literatur ................................................... 53
4 Schlüsselkonzepte in der Chemie.............................. 55
4.1 Was sind Schlüsselkonzepte? ............................. 55
4.2 Axiome, Postulate und Prinzipen .......................... 57
4.3 Hypothesen und Paradigmen ............................. 60
4.4 Konstruktivistische Lernschleifen.......................... 63
4.5 Basiskonzepte und Schlüsselkonzepte ...................... 65
Literatur ................................................... 68
5 Licht – das neue Schlüsselkonzept in der Chemiedidaktik ......... 71
5.1 Die Basiskonzepte des Chemieunterrichts und das Licht........ 72
5.2 Die chemischen Schlüsselkonzepte und das Licht ............. 74
5.3 Die MINT-Fächer und das Licht........................... 77
5.4 Die Kompetenzen und das Licht........................... 79
5.5 Die Allgemeinbildung und das Licht ....................... 82
5.6 Die Methoden und das Licht.............................. 83
5.6.1 Methoden der Vorgehensweise bei der
didaktischen Strukturierung der Inhalte ............... 83
5.6.2 Methoden des Unterrichtsdesigns bei der
Gestaltung von Lehr-/Lernumgebungen............... 89
5.7 Die „Fehlvorstellungen“ und das Licht...................... 90
5.8 Modelle in der Chemie .................................. 91
5.9 Die Lehrpläne und das Licht.............................. 99
5.10 Die Curricula und das Licht .............................. 101
5.11 Die Digitalisierung und das Licht.......................... 103
Literatur ................................................... 109
6 Konzeptionelle Grundlagen der Photochemie.................... 111
6.1 Elektronische Anregung, elektronisch angeregte Zustände
und ihre Desaktivierung ohne chemische Reaktion ............ 113
6.1.1 Das quantenchemische MO-Modell im
Lehramtsstudium................................. 113
6.1.2 Auswahl und didaktische Reduktionen
für die Sekundarstufe II ........................... 123
6.1.3 Auswahl und didaktische Reduktionen für
Sekundarstufe I.................................. 129
6.2 Desaktivierung des angeregten Zustands mit chemischer
Reaktion ............................................. 133
6.2.1 Auswahl und didaktische Reduktionen
für das Lehramtsstudium........................... 133
6.2.2 Auswahl und didaktische Reduktionen
für die Sekundarstufe II ........................... 141
6.2.3 Auswahl und didaktische Reduktionen
für Sekundarstufe I ............................... 151