Examensarbeit Sven Tenhaven November 2005 Entwicklung eines Konzeptes für eine Lehrerfortbildung zum Thema „Umweltchemie Wasser“ Examensarbeit Sven Tenhaven November 2005

Examensarbeit Teil I: Lehrerfortbildung – Theorie und Konzeption a) Lehrerfortbildungssystem NRW (Überblick) b) Lehrerfortbildung Chemie – Forschungsstand c) Konzeption der Lehrerfortbildung (auf Basis der Forschungsergebnisse) Teil II: Skript zur Lehrerfortbildung a) Ziel, Inhalt und Konzeption der Fortbildung b) Theorie zum Thema (Umweltchemie) „Wasser“ c) Methodik (Kumulatives Lernen, Lernen a Stationen) d) Versuchsbeschreibungen e) Zusatzmaterial

Lehrerfortbildung In welchem Ausmaß werden Fortbildungen besucht? Was sind die Gründe für Inaktivität? Welche Inhalte/Themen werden gewünscht? Was versprechen Lehrer(innen) sich von einer Fortbildung? Wie sollte die „perfekte“ Fortbildung aussehen?  Studie (Bader, Melle, Höner 2004)  erprobte und evaluierte Fortbildungskonzepte (Neu 1999, Scheuert 2002)

Lehrerfortbildung – Studie (Bader, Melle, Höner 2004) Lehrerfortbildungszentren Frankfurt, Dortmund und Braunschweig Design: 1) Fragebogen: - knapp 2000 Chemielehrer - Sekundarstufen I und II an allgemein bildenden Schulen - Bayern, Hessen, Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen und Sachsen - Rücklauf: 852 Bögen (43%) 2) Interviews: - 96 Probanden  Validierung der Fragebogen-Ergebnisse  differenziertere Informationen

Studie: Allgemeine Ergebnisse 50% männlich / 40 % weiblich (10%: unbekannt) der größte Teil ist über 45 Jahre alt ( allg. Überalterung des Kolleg.) Zweitfach: Biologie (56,7 %), Mathematik (30,2 %), Physik (17,4 %)

Lehrerfortbildung: Aktivität Annahme: Eine Fortbildungsveranstaltung pro Jahr und Fach ist praktikabel (entspricht fünf in den letzten fünf Jahren).  „fortbildungsaktiv“

Lehrerfortbildung: Aktivität knapp ein Drittel der Lehrer hat keine Veranstaltung besucht! nur 19,6% sind „fortbildungsaktiv“ (nach o. g. Definition) Durchschnitt: 2,8 / Median: 2 (Fortbildungen / 5 Jahren) Gymnasiallehrer sind aktiver als Lehrer an Real-, Haupt- und Mittelschulen: Ø 3,9 (Median: 3) gegenüber Ø 1,7 (Median: 1)

Lehrerfortbildung: Gründe für Nichtteilnahme Fragebogen: Skala: 1 = „keine Bedeutung“ bis 6 = „sehr hohe Bedeutung“ Interview (Nennungen): - Entfernung (fortb.aktiv: ca. 39 % / fortb.inaktiv: ca. 31 %) - Zeitpunkt der Fortbildung (ca. 39 % / ca. 52 %)

Lehrerfortbildung: Aktivität – Ergebnisse - Fortbildungsinaktive Lehrer geben hauptsächlich an, dass die Veranstaltungen unterrichtsfern und unattraktiv seien - Fortbildungsaktive (mindestens 5 Veranstaltungen in den letzten 5 Jahren) schätzen den Wert der Maßnahmen höher ein  Vermutung: selbst verstärkender Effekt; wird der Nutzen der Maßnahmen einmal erkannt, steigt die Aktivität

Auswahl von Unterrichtsinhalten

Unterricht: Experimente Wie hoch schätzen Lehrer den Stellenwert von Experimenten im Unterricht ein? (Interviews)  Die meisten Lehrer schätzen den Stellenwert hoch oder eher hoch ein.

Unterricht: Experimente 54 von 96 Probanden äußerten sich zum gewünschten Stellenwert: 68,5% von ihnen wünschen sich einen noch höheren Stellenwert. Hinderungsgründe: - Sicherheitsaspekte (33 %) - Klassengröße (24,2 %; beides vor allem bei Schülerexperimenten) - mangelhafte Ausstattung (15,4 %) - Voraussetzungen der Schüler (15,4 %) - Zeitmangel (12,1 %)

Notwendigkeit von Fortbildungen (Interview) 93 von 96 Probanden äußerten sich zu dem Thema  krasser Gegensatz zum tatsächlichen Fortbildungsverhalten (auch die Interviews bestätigen: ca. 1/3 der Lehrer ist fortbildungsinaktiv!)

Lehrerfortbildung: Wünsche - Allgemein - (Fragebogen) Skala: 1 = „keine Bedeutung“ bis 6 = „sehr hohe Bedeutung“

Lehrerfortbildung: Wünsche - sonstiges / allgemein - Sonstige Wünsche (Interviews): neue Inspirationen (88,5%) Umsetzbarkeit/Bezug Schule (61,5%) Durchführen von Experimenten (54,2%) Kommunikation mit Kollegen (43,8%) viel Praxis (34,4%) Bereitstellen von Unterrichtsmaterialen (28,1%) [Weitergabe von Kopien im Kollegium (53,2%)]

Lehrerfortbildung: Wünsche - Themen/Inhalte -

Lehrerfortbildung: Wünsche - Themen/Inhalte - das Thema „Umweltchemie“ (42,6%) wird (zusammen mit „Lebensmittelchemie“) am zweithäufigsten genannt (nach „Arzneimittel und Drogen“; 45,4%) bei den am häufigsten genannten Themen überwiegen stufenübergreifende (Sek. I/II) Themen einige andere genannte Themen lassen sich im Bereich der Umweltchemie erweitern / wiederholen / anwenden: Saure und alkalische Lösungen (Sek. I) Analytische Methoden (Sek. II) Chemisches Gleichgewicht (Sek. II) Biotechnologie (Sek. II) Fette/Seifen/Waschmittel (Sek. I/II)

Lehrerfortbildung: Wünsche - Methoden, Medien, U-Organisation - (Fragebogen) (Interview)

Lehrerfortbildung: Wünsche - Methoden, Medien, U-Organisation - Projektorientierter Unterricht (++) Stationenlernen (+++) Unterrichtsorganisation: Übungen im Chemieunterricht (++; Fragebogen) Medien: Internet (+++) Simulation / Animation (++) Messwerte-Erfassung (+)

Lehrerfortbildung: Wünsche - Umfang, Zeitpunkt - Regionale Veranstaltungen (< 50 km): Beliebteste Wochentage: - Montag bis Donnerstag (59,4% bis 64,0%) - Freitag (41,0%) - Samstag (15,3%) - Sonntag (3,2%) Überregionale Veranstaltungen (> 50 km): (Fragebogen)

Lehrerfortbildung: Wünsche - Aufbau -  darf auf Grund von Befragungen unter den Teilnehmern der Essener Fortbildungen bezweifelt werden (soziale Erwünschtheit?) (Fragebogen) Allgemein: Verbindung aus (großem) praktischem Anteil und Theorie-Vermittlung

Fazit / Ausgangslage Trotz der Einsicht der Notwendigkeit von Fortbildungen ist die tatsächliche Aktivität allgemein sehr gering Als Grund für Inaktivität wird vor allem mangelnder Schulbezug, schlechte Anwendbarkeit und Desinteresse am Thema genannt; dies überraschenderweise hauptsächlich von Inaktiven gerade im Hinblick auf die Debatte um den NaWi-Unterricht (schlechtes Abschneiden bei TIMSS, PISA) erscheint Lehrerfortbildung wichtig These: Interessante, an den Wünschen der Lehrer orientierte, Maßnahmen könnten wieder mehr Lehrer in das Fortbildungssystem integrieren (vgl. Melle et al. 2004).

Neue Fortbildungskonzepte - Neu 1999 (Frankfurt) - Das flexibel-strukturierte Fortbildungsmodell flexible Organisationsstruktur: mehrere Fortbildungsblöcke innerhalb eines Schuljahres; Lehrer können an einem oder mehreren eintägigen Terminen kommen (umfangreiches Angebot komplett abarbeiten oder Schwerpunkte setzen) kurzfristige telefonische Anmeldung; kleine Gruppen (10-15 Personen); getrennt nach Schularten; Betreuung durch Institut flexible inhaltliche Gestaltung: weit gefasstes, experimentell ausgerichtetes Rahmenthema flexible methodische Gestaltung: Begleitmaterial, Versuchsvorschriften, wichtige Fachliteratur (Kopien) einleitender Vortrag zur Vermittlung der wichtigsten Inhalte Praktikum in Partner-/Kleingruppenarbeit; Schwerpunktsetzung möglich (reichhaltiges Versuchsangebot); Austausch

Neue Fortbildungskonzepte - Neu 1999 (Frankfurt) - Das flexibel-strukturierte Fortbildungsmodell Basis: Studie zu Fortb.-Verhalten und -Wünschen (Melle/Neu 1998) Durchführung und Evaluation über zwei Schuljahre (6 Blöcke / 5 Themen) Das Konzept wird gut angenommen und fast durchweg positiv bewertet offene Zusatzangebote bzw. ein offenes Alternativkonzept mit Selbststudium und Nutzung der Instituts-Infrastruktur werden nicht gut angenommen (Vermutung (vgl. Neu 1999): traditionelle, verkrustete Fortbildungsstrukturen werden nur langsam überwunden) Stammklientel: Viele Lehrer kommen immer wieder (verschiedene Blöcke/Themen) auch Lehrer, die vorher wenig fortbildungsaktiv waren, werden erreicht und bilden sich regelmäßig fort

Neue Fortbildungskonzepte - Scheuert 2002 (Essen) - Lehrerfortbildung zum Konzept der Alltagschemie Dreitägige Fortbildung Thema: „Textilien/Kleidung – sich richtig kleiden lernen“ unterschiedliche Methodik: Vortrag/Demonstrationsexperimente mit anschließender Diskussion und Praxisphase (Versuche selbst ausprobieren) Vortrag mit anschließender Diskussion und/oder Erarbeitung eigener Ideen (Seminar-Form) Lernen an Stationen (offene Methode; Verbindung Theorie/Praxis)

Neue Fortbildungskonzepte - Scheuert 2002 (Essen) - Lehrerfortbildung zum Konzept der Alltagschemie dreimalige Durchführung und Evaluation (1999/2000) positive Bewertung der abwechslungsreichen Methodik Lernen an Stationen gut geeignet zur Verbindung von Praxis und Theorie (vgl. Melle/Neu 1998; auch Melle et al. 2004) Lernen an Stationen beliebt, da es die Möglichkeit bietet, neue Inhalte und eine neue Methode gleichzeitig kennen zu lernen (wird aber nicht als alleinige Methode bei mehrtägigen Maßnahmen gewünscht)

Fortbildungskonzept auf Basis der Forschungsergebnisse Thema (vorgegeben): Umweltchemie Wasser (gute Wahl  ; vgl. Melle et al. 2004) Dauer (vorgegeben): Ein Tag  regionale Veranstaltung (vgl. Melle et al. 2004) Evtl. mehrere Alternativ-Termine (vgl. Neu 1999) Methodik: Lernen an Stationen; evtl. einleitender Vortrag (vgl. Neu 1999, Scheuert 2002, Melle et al. 2004)

Fortbildungskonzept Inhalte: Theorie-Vermittlung: „Umweltchemie Wasser“ Projekt: „Analyse von Fließgewässern“ Durchführung von Experimenten (nutzbar für Projekte und „normalen“ Unterricht) Methodik (Theorie und Praxis): „Lernen an Stationen“ Methodik (Theorie): „Kumulatives Lernen“

Fortbildungskonzept Inhalte: Oberthema: Umweltchemie Wasser Unterthemen (Kreislauf): Ziel/Intention: ganzheitliche Betrachtung des Themenkomplexes Möglichkeit zur Vernetzung im Sinne des Spiralcurriculums

Fortbildungskonzept Vernetzung und Kumulatives Lernen: Horizontale Vernetzung:  fächerübergreifender Unterricht; gemeinsame Projekte Vertikale Vernetzung:  Verknüpfung der Inhalte innerhalb eines Faches (Spiralcurriculum; anknüpfen/erweitern/vertiefen)

Fortbildungskonzept Vernetzung und Kumulatives Lernen:  Aufbau vielfach verknüpfter Wissensstrukturen; Anknüpfen an Vorwissen Methoden: - Wissensnetze / Concept-Maps - Anlegen von Basiswissen-Katalogen - Abfrage- / Lernkärtchen; Quiz-Spiele

Fortbildungskonzept Inhalte: Lehrplanbezug Sekundarstufe I Jahrgangsstufe 7: - Trennverfahren (Sieben, Filtrieren, Absetzen); praxisorientiertes Beispiel - Wasser als Lösemittel (z. B. Sauerstoffgehalt, Wasserhärte) - Wasserverschmutzung, Abwasserreinigung (Kläranlage: v. a. mechanische Reinigungsstufe) - Trinkwasser-Aufbereitung Jahrgangsstufe 9/10: - Salze, Ionen-Nachweise, Leitfähigkeit - Thema: Fette - Seifen - Waschmittel (Umweltaspekte: z. B. Gewässerbelastung)

Fortbildungskonzept Inhalte: Lehrplanbezug Sekundarstufe II Jahrgangsstufe 11: - Stoffkreislauf in der Natur (Stickstoff-, Phosphat-, Kohlenstoff- dioxid/Carbonat-Kreislauf) fachübergreifend: Gewässergüte-Bestimmung, Abwasserreinigung / Selbst- reinigung von Gewässern (Bakterien) und Düngemittel (Nitrat / Phosphat) Jahrgangsstufe 12: - Themenfeld B: Reaktionswege zur Herstellung von Stoffen in der organischen Chemie (z. B. Herstellung eines Ionenaustauscher-Harzes) - Themenfeld C: Analytische Verfahren zur Konzentrationsbestimmung (z. B. Säure-Quantifizierung mittels Titration, potentiometrische Ionen- Bestimmung in Gewässern, Puffer / Puffersysteme) Jahrgangsstufe 13: - Themenfeld I: Umweltchemie Wasser (Luft, Boden) - Themenfeld F: Analytische Verfahren in der Anwendung (z. B. Photometrie)

Fortbildungskonzept Inhalte: Lehrplanbezug (fächerübergreifend) Biologie: - Bakterien in der (Ab-) Wasserreinigung, Gewässergüte-Bestimmung mittels Zeigerorganismen bzw. Saprobien, Düngemittel, Landwirtschaft Geographie: - Standortfaktoren für Kläranlagen, Kartographie, Entstehung / Veränderung von Gewässern, Landwirtschaft Physik: - Schwimmen, Schweben, Sinken (mechanische Abwasserreinigung) Informatik: - Computersimulation zur Abwasser-Behandlung, Messwert-Erfassung und -Verarbeitung Sozialwissenschaften / Politik: - Gesetzliche Grundlagen der Trinkwassergewinnung und Abwasserreinigung, Betrachtung der kommunalen Wasserwirtschaft

Versuche I Nr. Versuchstitel Einsatz Quelle 1 Bestimmung der Gesamthärte nach Boutron-Boudet (mit Seifen-Lösung) T, W Pfeifer & Pfeifer 2003 (verändert) 2 Titrimetrische Bestimmung der Gesamthärte (mit Na-EDTA) Wiskamp 1996 3 Bestimmung der Carbonathärte (temporäre Härte) 4 Lösen und Austreiben von CO2 in bzw. aus Wasser Chemie heute S I 2001 (verändert) Pfeifer & Pfeifer 2003 5 Einleiten von CO2 in Kalkwasser Cahay et al. 2002 (verändert) 6 Nachteile harten Wassers: Kalkseife, -ablagerungen T 7 Verringerung der Wasserhärte (durch verschiedene Zusätze) 8 Verringerung der Wasserhärte durch Torf Blume et al. 1996

Versuche II Ammoniumionen-Nachweis T, W, A 9 Ammoniumionen-Nachweis T, W, A Pfeifer & Pfeifer 2003 10 Nitrationen / Nitritionen -Nachweis (kombiniert) Blume & Bader 1990 Schmidt, R. 2004 11 Phosphationen-Nachweis 12 Sauerstoff-Bestimmung (vereinfacht: nach Hofer) T, W, A Pfeifer & Pfeifer 2003 (verändert) 13 Sauerstoff-Bestimmung (nach Winkler) Wiskamp 1996 14 Bestimmung des biologischen Sauerstoff-Bedarfs (BSB) Prigge 1993, 1997 15 Bestimmung des chemischen Sauerstoff-Bedarfs (CSBMn bzw. Pseudo-CSB) Schöneich 1999 16 Leitfähigkeitsbestimmung Pfeifer & Pfeifer 2003 17 Modellversuch zur mechanischen Reinigung (Kläranlage) A (,W) Becks 1999 (verändert) 18 Modellversuch zur biologischen Reinigung: Enzymatische Harnstoff-Spaltung A, W 19 Betrieb einer biologischen Modell-Kläranlage A Blume et al. 1996

Versuche III 20 Phosphat-Fällung in der chemischen Reinigungsstufe (Kläranlage) A Blume et al. 1996 21 Modellversuch zur Flockung von Kolloiden (Kläranlage) Blume et al. 1996, Blume & Bader 1990 22 Demonstration eines Flockungshilfsmittels (Kläranlage) Blume & Bader 1990 23 Wasserverschmutzung: Verdünnungsreihe mit Dieselöl T, W, A 24 Binden von Mineralöl durch Polyurethan- (PU-) Schaum T, W 25 Aktivkohle gegen Dieselöl-Verschmutzung 26 Emulsionstrennung durch Elektroflotation / Ionen-Zusatz Blume et al 1996 27 Synthese eines (chelatisierenden) Ionenaustauschers T, A 28 Demonstration und Regeneration des (chelatisierenden) Ionenaustauschers

Demonstration einiger Versuche Bestimmung des Sauerstoffgehalts einer Wasserprobe (nach Hofer/Winkler; V12 / V13) Phosphationen-Nachweis (qualitativ bzw. „halbquantitativ“) (V11) Modellversuch zur biologischen Reinigung: Enzymatische Harnstoff-Spaltung (V18)

Sauerstoff-Bestimmung (Hofer) Sauerstoff-Gehalt (Abschätzung; vereinfacht nach Hofer)

Sauerstoff-Bestimmung (Winkler) Sauerstoff-Gehalt (iodometrisch; nach Winkler): „System. Lsg.“: 1 mL Thiosulfat-Titer entspricht 20 mg/L Sauerstoff Manganchlorid + Lauge: Mn2+ + 2 OH-  Mn(OH)2 (weiß-rosa) Bei Anwesenheit von Sauerstoff: 2 Mn(OH)2 + O2  2 MnO(OH)2 (braun) Ansäuern: MnO(OH)2 + Mn2+ + 4 H+  2 Mn3+ + 3 H2O Reduktion von Iodid: 2 Mn3+ + 2 I-  2 Mn2+ + I2 Sichtbarmachen des elementaren Iods als blauer Iod-Stärke-Komplex Titration mit Thiosulfat: I2 + 2 S2O32-  2 I- + S4O62- (blau  farblos)

Sauerstoff-Sättigung

Phosphationen-Nachweis Ortho-Phosphate werden in saurer Lösung durch Ammoniummolybdat als Ammoniummolybdophosphat gefällt (gelbes, schwerlösliches Salz der Molybdophosphorsäure): HPO42- + 23 H+ + 3 NH4+ + 12 MoO42-  (NH4)3[P(Mo3O10)4 · aq]  + 12 H2O Durch Ascorbinsäure wird dieses Salz in statu nascendi zum anorganischen Farbstoff Molybdänblau reduziert: Genaue Zusammensetzung unbekannt: Es enthält Molybdän in den Oxidationsstufen +VI bis + IV: z. B. als MonO3n-1 mit n = 4,5,8,9 oder MoO3-x(OH)x mit x = 0, 1 ,2.

Modellversuch zur biologischen Reinigung: Enzymatische Spaltung von Harnstoff Harnstoff (Urea) wird durch Urease (harnstoffspaltendes Enzym) zu Ammoniak und Kohlenstoffdioxid abgebaut: NH2CONH2 + H2O  2 NH3 + CO2 Der Abbau wird gezeigt durch: beginnende elektrische Leitfähigkeit (Ionen) NH3 + H2O  NH4+ + OH- Ammoniumionen-Nachweis: Vermehrtes Ausgasen von Ammoniak durch Zugabe von Lauge; Ammoniak wird im feuchten pH-Papier nach obiger Gleichung über Hydroxidionen- Bildung nachgewiesen NH4+ + OH-  NH3 + H2O

Betrieb einer biologischen Modell-Kläranlage (V19) Weitere Versuche Betrieb einer biologischen Modell-Kläranlage (V19)

Demonstration eines Flockungshilfsmittels (Kläranlage) (V22) Weitere Versuche Demonstration eines Flockungshilfsmittels (Kläranlage) (V22)

Aufbau des Praktikums Vier Themenbereiche: A (Roh-) Wasser (7 Stationen) B Trinkwasser (4 Stationen) C Abwasser (5 Stationen) D Themenübergreifende Stationen (4 Stationen)

Aufbau des Praktikums Themenbereich A: (Roh-) Wasser Station A1: Wassergüte-Bestimmung (allgemein / chemisch) Station A2: Gewässergüte-Bestimmung (biologisch) Station A3: Ammoniumionen und Leitfähigkeit Station A4: Nitrat- / Nitritionen Station A5: Phosphationen Station A6: Sauerstoff-Bestimmung Station A7: Chemischer Sauerstoff-Bedarf (CSB)

Aufbau des Praktikums Themenbereich B: Trinkwasser Station B1: Trinkwasser-Gewinnung Station B2: Wasserhärte (Bestimmung) Station B3: Wasserhärte (Ursprung) Station B4: Nachteile von hartem Wasser / Enthärter

Aufbau des Praktikums Themenbereich C: Abwasser (Abwasserreinigung) Station C1: Kläranlage (Überblick) & Kläranlage: mechanische Reinigung Station C2: Kläranlage: biologische Reinigung Station C3: Kläranlage: chemische Reinigung und Flockung Station C4: Besondere Abwässer I: Emulsionstrennung Station C5: Besondere Abwässer II: Ionenaustausch

Aufbau des Praktikums Themenbereich D: Themenübergreifende Stationen Station D1: Lehrfilme zum Thema „Umweltchemie Wasser“ Station D2: Computergestützte Auswertung von Gewässeruntersuchungen Station D3: Multimediale Präsentationen zum Thema „Umweltchemie Wasser“ Station D4: Kumulatives Lernen durch umweltchemische Themen

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!