Chemiedidaktik: Diagnose und Korrektur von Schülervorstellungen Hans-Dieter Barke Kapitel 3: Stoffe und Eigenschaften Fachseminar Chemie Studienseminar Heppenheim 12.12.2017 Referenten: Maximilian Kroworsch und Anna-Sophia Gollas Ausbilder: Dr. Gerd Gräber

Gliederung Einleitung Animistische Sprechweisen Das Umwandlungskonzept Das Mischungskonzept Die Vernichtungsvorstellungen Die Verbrennungsvorstellungen Gase und Substanzbegriff Fazit Literatur Bildverzeichnis

1. Einleitung Zentrales Ziel des Chemieunterrichts: SuS Phänomene aus dem Alltag und der Lebenswelt verständlich zu machen Problem: Naturphänomene sind ohne naturwissenschaftliche Modellvorstellung nicht zu durchschauen Solange Jugendliche solche Modelle nicht kennen, entwickeln sie eigene Vorstellungen Lehrpersonen sollten diese alternativen Vorstellungen bekannt sein, um Präkonzepte diskutieren zu können und mit Hilfe geeigneter Medien zu verändern Basiskonzept: Stoff-Teilchen- und Stoff-Eigenschaften-konzept

2. Animistische Sprechweisen Animismus = mentales Entwicklungsstadium bei Kleinkindern, in dem sie annehmen, dass Dinge „beseelt“ sind (nach Piaget) SuS umschreiben Phänomene konkret-bildhaft und in magisch-animistischer Sprechweise  aus Alltagssprache stammend Die Flamme will ausgehen. Das Holz will nicht brennen. Das Holz brennt, damit man sich wärmen kann. Rost zerfrisst die Autokarosserie. Natrium reagiert mit Wasser „wie bei einer Brausetablette.“

2. Animistische Sprechweisen Püttschneider und Lück: Der bewusste Einsatz von Animismen generiert eine positive affektive Bindung zum Fach Chemie. Animismen führen aufgrund ihrer guten Verständlichkeit zu einem nachhaltigen motivationalen Effekt. Den SuS ist der Modellcharakter der Animismen bewusst.  Animismen sind verständnisfördernd und üben nachhaltigen motivationalen Effekt auf den Lernprozess aus

Unterrichtsvorschlag Frage nach dem vermeintlichen „Willen des Holzes“ diskutieren Bedingungen werden genannt, unter denen sich Holz schwerer oder leichter entzünden lässt Das Holz brennt, wenn der Mensch es will.

3. Das Umwandlungskonzept Bei einer chemischen Reaktion entstehen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften. Problem: SuS nehmen an, dass bei einer chemischen Reaktion keine neuen Stoffe entstehen, sondern neue Eigenschaften angenommen werden  „Eigenschaftsträger“  Alltagssprache fördert Entstehung solcher Präkonzepte Eisen färbt sich rostig braun. Kupferdächer werden grün. Silber läuft schwarz an.

Unterrichtsvorschlag Kupferdächer werden grün. Kupfersulfat (wasserhaltig) Kupfercarbonat

Versuch: Der Kupferbrief Kupferdächer werden grün. Anschließender Versuch: Erhitzen von Kupfer im Vakuum  Kupfer ist rotbraun, Kupferoxid ist eine neue schwarze Substanz.

Unterrichtsvorschlag Silber läuft schwarz an. Sulfidbildungen aus den Elementen: Eisen(III)sulfid Kupfersulfid Silbersulfid

Versuch: Zersetzen von Silbersulfid oder Silberoxid Aus dem schwarzen Pulver entwickelt sich eine silbrig glänzende Metallkugel. Silber läuft schwarz an.

Unterrichtsvorschlag Eisen färbt sich rostig braun. Eisenoxid

4. Das Mischungskonzept Anwendung der Aussagen auf der makroskopischen Ebene schwierig Kohlenwasserstoffe sind aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut. Kupfersulfid enthält Kupfer und Schwefel. Wasser besteht aus Wasserstoff und Sauerstoff.

Unterrichtsvorschlag Unterschied zwischen heterogenen Mischungen und homogenen Reinstoffen herausarbeiten Granit Salz-Sand-Gemisch

Unterrichtsvorschlag Kupfersulfid ist ein homogener Reinstoff definierte Dichte, Schmelz- und Siedetemperatur  Reinstoffe können sowohl Elemente als auch Verbindungen sein!

5. Die Vernichtungsvorstellungen Das sichtbare Verschwinden suggeriert das Präkonzept des Zerstörens von Materie Unterstützt durch die Alltagssprache und der Präfixe „-ver“ „-ent“ und „-zer“ „ver“-rotten „ver“-wesen „zer“-setzen „ent“-fernen „ver“-brennen

Vernichtungsvorstellungen Substanzen können aufhören zu existieren, trotzdem bleiben Geschmack oder Geruch. Substanzen sind zunächst vorhanden, können „problemlos“ verschwinden: es ist halt nicht mehr da. Die Masse von Stoffportionen ist keine entscheidende Eigenschaft für deren Existenz. Vernichtungskonzept vs. Erhaltungskonzept Erhaltungskonzept hinsichtlich der Summe von Masse und Energie oder Teilchenkonzept notwendig!

Unterrichtsvorschlag  

6. Verbrennungsvorstellungen Das jahrelange Beobachten faszinierender Flammen führt zu drei Fehlvorstellungen Bei Verbrennungen bleibt ein wenig Asche übrig Bei Verbrennungen wird etwas in die Luft abgegeben Bei Verbrennungen geht etwas verloren Schülerbefragung Was geschieht denn mit den Teilchen des Magnesiums bei der Verbrennung des Metalls an der Luft?

Heftauszug eines Schülers der Klassenstufe 9 Reaktionsgleichung: 2 Mg + O2 2 MgO Argumentation: Magnesium besteht aus zwei Teilchenarten, eine verdampft beim Verbrennen, die andere bleibt als Magnesiumoxid zurück. Modellvorstellung: X X X X X X OX = Magnesium X = Magnesiumoxid O = Gas XOXOXOXOXOXOXOXOXOXOXOXOXOXOXOXOXOXO OOOOOOOOOOOOOOO

Unterrichtsvorschlag Umlenkung der Schüleraufmerksamkeit auf die Luft Brandbekämpfung als Maßnahme des Fernhaltens von Luft Mit welchem Luftbestandteil tritt Eisen bei der Verbrennung in Reaktion? Ich weiß, das ist ein Glimmspan

Teilchenkonzept Magnesium + Sauerstoff Magnesiumoxid 2 Mg + O2 2 MgO Je nach Beispiel alternative mit Eisen…

Alternativer Zugang Klassischer kognitiver Konflikt zur üblichen Erfahrung des „Leichterwerdens“ durch Wägung „Zunahme der Masse“ bei Verbrennung unter Verwendung offener Apparaturen Überzeugung: Massenzunahme durch Sauerstoffanteil im Metalloxid Quelle: Chemie heute S1

Alternativer Zugang Nachschaltung der Metallverbrennung bei geschlossener Apparatur = Vermeidung resultierender Fehlvorstellungen Experimenteller Zugang zum Satz von der Erhaltung der Massen Quelle: Elemente der Chemie S1

7. Gase und Substanzbegriff Luft wurde Jahrhunderte lang nicht als Substanz angesehen Fehlvorstellung: Scheinbare Schwerelosigkeit suggeriert Masselosigkeit der Luft und anderer Gase Farblose Gase sind Luft oder luftähnlich. Wasser verdunstet zu Luft. Gase sind brennbar, sind zum Kochen und Heizen da. Gas ist unsichtbar und ist in der Luft enthalten Gase sind gefährlich, explosiv und giftig.

Unterrichtsvorschlag Eine der hartnäckigsten Präkonzepten, an denen so lange wie möglich festgehalten wird Experimenteller Zugang 1) Luft als Substanz deutlich machen durch Massennachweis 2) Luft als Gasgemisch von ihren farblosen Bestandteilen abgrenzen

Unterrichtsvorschlag Massenbestimmung einer bestimmten Luftportion und damit die Dichte der Luft Dichtebestimmung anderer Gase zur Abgrenzung von Luft und Charakterisierung (am Beispiel CO2) Befüllen mit Luft Befüllen mit Luft ρ = 1,2 g/L Gaswägekugel evakuiert (1L): (m1 = 113,08g) Gaswägekugel luftgefüllt (1L): (m2 = 114,28g) Befüllen mit CO2 ρ = 1,98 g/L Gaswägekugel evakuiert (1L): (m1 = 113,08g) Gaswägekugel luftgefüllt (1L): (m2 = 115,06g)

Fazit Lehrkräfte müssen ein Bewusstsein über vorhandene Präkonzepte seitens ihrer Schülerinnen und Schülern entwickeln Diskussion, experimenteller Vergleich, Verwirrung auf phänomeno-logischer Ebene (Desillusionierung) Selbstständiger Durchführung der Experimente Nachhaltige Wirkung: Generierung neuer gültiger Vorstellungen und Festigung durch permanenten Rückbezug nach dem kumulativen Lernprozess = Entwicklung integraler kognitiver Strukturen

9. Literatur Barke, Hans-Dieter: Chemiedidaktik – Diagnose und Korrektur von Schülervorstellungen, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 2006 Bildungsstandards und Inhaltfelder. Das neue Kerncurriculum für Hessen Sekundarstufe I -Gymnasium- Chemie, Hessisches Kultusministerium, 2011

10. Bildverzeichnis Kupferdach: https://weserreport.de/2016/05/panorama/bund-hilft-bremen-mit-sanierung-des-rathausdachs/ Kupfersulfat: https://www.ebay.de/b/Kupfersulfat/124715/bn_55204594 Kupfercarbonat: https://www.amazon.de/Kupfer-Carbonat-Hohe-Reinheit-Malachit-Puder/dp/B012J8FKU0 Kupferbrief: http://www.chemieunterricht.de/dc2/grundsch/versuche/gs-v-091.htm Eisen(III)sulfid: https://de.wikipedia.org/wiki/Eisen(II)-sulfid Kupfersulfid: http://www.seilnacht.com/versuche/cus.html Chemiedidaktik Buch: https://www.buecher.de/shop/allgemeine-chemie/chemiedidaktik/barke-hans-dieter/products_products/detail/prod_id/20793118/

10. Bildverzeichnis Zersetzen von Silbersulfid oder Silberoxid: http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_ag2o.htm Verrostete Schere: https://top-farbveredelung.de/rost-oberflaechen/ Eisenoxid: http://www.sehestedter-naturfarben.de/a-358/eisenoxid-braun-bayferrox-610-100g Granit: https://de.wikipedia.org/wiki/Granit Salz-Sand-Gemisch: https://www.quarzsand-shop.de/sand-salz-gemisch-90-10.html Lithium in Wasser: http://www.seilnacht.com/versuche/expalkal.html