Annemarie Gartz, Sven Heckwolf, Stefanie Lamberth 20.09.2011 Peter Euler; Arne Luckhaupt: Historische Zugänge zum Verstehen systematischer Grundbegriffe und Prinzipien der Naturwissenschaften AFL-Frankfurt, 12/2010 Diese Vorlage kann als Ausgangspunkt für die Präsentation von Schulungsmaterialien in einer Gruppensitzung dienen. Abschnitte Abschnitte durch Klicken mit der rechten Maustaste auf eine Folie hinzufügen Abschnitte können Sie bei der Gliederung Ihrer Folien unterstützen oder die Zusammenarbeit zwischen mehreren Autoren erleichtern. Notizen Verwenden Sie den Notizenbereich für Vortragsnotizen oder optionale Detailinformationen für Ihr Publikum. Zeigen Sie diese Notizen während der Präsentation in der Vortragsansicht an. Achten Sie auf den Schriftgrad (für Barrierefreiheit, Sichtbarkeit, Videoerstellung und Onlineproduktion wichtig) Abgestimmte Farben Achten Sie besonders auf Diagramme, Illustrationen und Textfelder. Bedenken Sie, dass Teilnehmer schwarzweiß oder in Graustufen drucken. Erstellen Sie einen Probedruck, um sicherzustellen, dass Ihre Farben funktionieren, wenn Ihre Teilnehmer in schwarzweiß und Graustufen drucken. Grafiken, Tabellen und Diagramme Gestalten Sie einfach: Verwenden Sie möglichst einheitliche Formate und Farben, die nicht vom Inhalt ablenken. Beschriften Sie alle Diagramme und Tabellen. Annemarie Gartz, Sven Heckwolf, Stefanie Lamberth 20.09.2011

Gliederung Bildungspolitischer Kontext, Begründung und pädagogische Erläuterung des Konzepts Fachpädagogische Diagnostik Historische Zugänge Feuer im Altertum Stoffbegriff Alchimie Verbrennung – Phlogistontheorie Sauerstofftheorie Einsatz der Waage in der Chemie „Der gefesselte Prometheus“ im Chemieunterricht Geben Sie eine kurze Übersicht der Präsentation. Beschreiben Sie den Schwerpunkt der Präsentation und seine Relevanz. Stellen Sie jedes der Hauptthemen vor. Um Ihrem Publikum einen Ablaufplan an die Hand zu geben, können Sie diese Übersichtsfolie in der Präsentation durchgängig wiederholen und dabei das jeweils nächste Thema besonders hervorheben.

Ausgangspunkt der Reform Verbesserung des Unterrichts durch schlechte Ergebnisse in Naturwissenschaften Wieder aufgekommen durch TIMSS und PISA Existiert schon seit den 60er Jahren Klage über geringe Wirksamkeit, sinkende Motivation, breite Inkompetenz

Umsteuerung auf kompetenz-orientierte Bildungsstandards Durch TIMSS und PISA gewinnt die eklatante Schwäche der Naturwissenschaften wieder an öffentlicher Aufmerksamkeit Klage der Wirtschaft und der Bildungspolitik um Nachwuchsmangel ökonomisch-politische Auswirkungen Soll Kompetenzniveau angehoben werden Umsteuerung auf Output und Kompetenzorientierung  Paradigmenwechsel

Umsteuerung auf kompetenz-orientierte Bildungsstandards KMK hat 2004 Bildungsstandards für Sek I im Bereich Naturwissenschaften verabschiedet Charakteristikum besteht in der fach- bzw. domänenspezifischen Kompetenzausrichtung Versucht sich an verlässlichen und kontrollierbaren Größen zu orientieren  Outputorientierung Probleme: päd. Kriterien eines veränderten Inputs für gewünschten Output wird nicht das notwenige Gewicht eingeräumt

Kompetenzstruktur innerhalb der Bildungsstandards Werden jeweils 4 Kompetenzbereiche unterschieden: Fachwissen (chemische Phänomene, Gesetzmäßigkeiten kennen und Basiskonzepten zuordnen) Erkenntnisgewinnung (experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle benutzen) Kommunikation (Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen) Bewertung (chemische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten)

Kompetenzstruktur innerhalb der Bildungsstandards Wachsende Bedeutung der Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung Dadurch Ansatzpunkte für ein am Verstehen orientiertes Unterrichten Missverständnis: es handle sich um selbstständige Teilkompetenzen, die isoliert voneinander entwickelt werden können Das Zusammenspiel der Teile macht die Kompetenz aus

Kompetenzstruktur innerhalb der Bildungsstandards Fachwissen nimmt Sonderstellung ein Scharfe Unterscheidung zwischen Fachwissen und Handlungsdimension kann zum Herabsetzen oder zur Priorisierung von Fachwissen führen  widerspricht einer Verstehensorientierung Erkenntnisgewinnung muss im Zentrum stehen, da ein Verstehen der Prinzipien im Sinne der Wegfindung von Erkenntnissen verbunden ist

Bedeutung und Funktion der Basiskonzepte Basiskonzepte im Bereich Fachwissen verankert Basiskonzepte in der Chemie: Stoff-Teilchen-Beziehung Struktur-Eigenschafts-Beziehung Chemische Reaktionen Energetische Betrachtungen bei Stoffumwandlungen Zweck der Basiskonzepte: Lernprozess zwischen Wissenschaft und den Lernenden zu vermitteln

Bedeutung und Funktion der Basiskonzepte Funktion ist weder dem Umfang nach vollständig beschrieben, noch begründet bzw. ihre Vermittlungsfunktion explizit entwickelt Unklar: welche Rolle sie im Unterrichtsgeschehen einnehmen sollen, also Planungsmittel Unterrichtsgegenstand Regulative Idee Beurteilungskriterium Im Kompetenztest sind

Bedeutung und Funktion der Basiskonzepte Weiter unklar: dass die Lernenden die Grundlage eines systematischen Wissensaufbaus unter fachlicher und gleichzeitig lebensweltlicher Perspektive erwerben  Es muss geklärt werden, was im Zusammenspiel der Kompetenzbereiche „Verstehen“ heißt

Wagenscheins Verstehenskonzept Gliedert sich in: das Exemplarisch, das Genetische, das Sokratische Ist das Erwachen und Werden geistiger Kräfte eines, das sich an ausgewählten Themenkreisen im Gespräch vollzieht, wobei entscheidend ist, dass der Einzelne die Tatsachen und Theorien entdecken kann, in sich entwickelt bzw. nachvollzieht Die Auffassung von Wissen und Wissenschaft ist keine zu verwaltende tote Wissenschaft fertig und unnahbar, sondern eine lebendigem die den Sachen der Welt Aufforderungscharakter zuschreibt

Wagenscheins Verstehenskonzept die Annäherungsarbeit macht die pädagogische Erschließungsarbeit der Sachen aus, die einer domänenspezifischen Kompetenzentwicklung eigen sein sollte Die Lebendigkeit und die geistigen Prozesse, die in die Resultate der Wissenschaften eingegangen sind, zeigen sich in der Geschichte der Wissenschaft  Voraussetzung für die Ermöglichung von Verstehen Geht um die Genesis der Sache, über die man aus der Geschichte Entscheidendes lernen kann

Fachsystematik oder Kontextbezug? Grund für Verstehensprobleme ist die strikte Orientierung an der Fachsystematik Kontext-Ansatz: Verstehen heißt, handeln zu können, wie ein Wissenschaftler im Labor Konflikt: Trivialisierung des Fachs Geht eher um Verstehen, wie naturwissenschaftliches Denken und Erkennen tickt Zentrale Einsicht in Erkenntnisgewinnung, Bedinungen und Geltungsgründe der Erkenntnis, kulturelle Bedeutung

Verstehen der Wissenschaft heißt, die Wissenschaftlichkeit der Wissenschaft verstehen Traditionelle Naturwissenschaft: beruht auf methodisch unterstützen Deutung des anschaulich Gegebenen Zäsur: systematische Organisation reproduzierbarer Sachverhalte mittels theoretischer Begriffe und Prinzipien Unterscheidung der Ebene der Erscheinungen und den bedingenden Gesetzmäßigkeiten  Der Dreh naturwissenschaftlicher Erkenntnis besteht im spezifischen Zusammenspiel von Denken, Nachdenken und zu erzeugenden empirischen Reaktionen

HPS, STS, Nature of Science HPS = History and Philosophy of Science STS = Science Technologie and Society Programme sind durch Wissen und Nachdenken über Naturwissenschaften bestimmt Wissenschaftliche Forschung und Erkenntnisgewinnung aus erkenntnistheoretischen Annahmen und Werthaltungen in historisch-politischen Kontexten besteht Bedingung: historische Kenntnisse wissenschaftlicher Entwicklungen und deren systematische Reflexion  Chemie als Kulturwissenschaft und Problemgeschichte

2. Fachpädagogische Diagnostik Verstehensprobleme zu erkennen und im Unterricht zu behandeln Voraussetzung: Lehrer kennen die Wege, Gründe und Probleme der Erkenntnis Zugang zur Erkenntnisentwicklung findet man nur über die Auseinandersetzung mit der Geschichte der Wissenschaften, wenn diese zum Erwerb von Wissen über die Entstehung-, Begründungs- und Verwertungszusammenhänge betrieben wird

2. Fachpädagogische Diagnostik Inhaltlich mit eingefleischten Selbstverständlichkeiten kritisch auseinandersetzen Erschließung verstreuter Quellen Funktionen der vorliegenden Materialien Die Bedeutung für die Lehrenden und ihr Bewusstsein von Fach in pädagogischer Absicht Die Bedeutung für die Analysen von geäußerten Vorstellungen der Lernenden Die Bedeutung als Gegenstände für einen die Probleme einschließenden Unterricht

Peter Bulthaup: Chemie nicht als Lehre von Stoffen und deren Reaktionen, sondern… Chemie als Lehre von der Gewinnung der Stoffe und der Herstellung der jeweiligen Bedingungen, unter denen Reaktionen kontrolliert ablaufen. Feuer als erster chemischer Prozess, den der Mensch unter Kontrolle bekam. Selbstbefreiung des Menschen von unbegriffenen Naturmächten

Martin Wagenschein: Genetisch-sokratisch-exemplarische Methode Genetisch (selbstständiges Lösen von Problemen in Hinblick auf die Wissenschaftsgeschichte) Sokratisch (Art der Gesprächsführung) Exemplarisch (Stoffbeschränkung, Arbeitsmethoden, Problemlösestrategien)

Stoffumgang Beherrschung des Feuers als Quell von Wärme und Schutz Produktion unterschiedlichster Güter Eingriff in das Vorgefundene z.B. Kochen, Brennen, Schmelzen, Gerben, Metall-, Glas- und Farbherstellung

Feuer als Beginn der Chemie Antike Schöpfungsgeschichte Prometheus von Aischylos Herausragender Stellenwert des Feuers Herrschaft des Menschen über Naturkraft

Feuer als Beginn der Chemie Wärme- und Lichtquelle Bereitung von Nahrung Vorbehandlung mineralischer Rohstoffe für häuslichen Gebrauch Ton und Lehm -> Ziegelsteine und Gefäße Konservieren von Lebensmittel Abscheiden von Fetten Auslaugen von Kräutern Gewinnung von Ölen und Talg (Beleuchtung) Heilkunst

Feuer als Beginn der Chemie Gewinnung von Metallen als neue Art von „Erde“ Metallerze zeigen anderes Verhalten als Lehm- und Tonerde (Aluminiumoxid) Metallschmelzen 3000 v. Chr. Formung von Werkzeugen und Waffen Versuch: Verbrennung von Kupfersulfid; anschließend Reduktion mit Holzkohle

Feuer als Beginn der Chemie Versuch: Kalkkreislauf Kalkbrennen, Kalklöschen und Kalkhärten Versuch: Kalkmörtel und Zementmörtel im Vergleich

Stoffbegriff Kein Gegenbeispiel zum Begriff „Stoff“ Es gibt in der Natur keine Reinstoffe. Reinstoffe sind nur das Resultat menschlicher Tätigkeit

Alchimie Früheste Betrachtung der Stoffe und stofflicher Vorgänge unter systematischen Gesichtspunkten „hermetische Kunst“, Schutzgeist Hermes Trismegistos Chemie gebunden an religiöse Rituale ohne rationale Durchsichtigkeit mit geheimnisvollen Zauber

Alchimie Metallveredelung – Umwandlung unedler Metalle in Gold (Metalltransmutation) Metalle nicht Erzeugnis der Menschen, sondern sie wachsen aus der Erde und wandeln sich in Gold (streben in den Goldzustand) Scheinbeweis: Abscheidungsreaktion Eisen in Kupfersulfat-Lösung

Alchimie Existenz eines einzigen Urstoffes, aus dem alle Substanzen sich bilden. Durch Hinzufügen von „Qualitäten“ werden die verschiedenen Stoffe gewonnen und durch Modifizierung der Qualitäten ineinander umgewandelt.

Alchimie Element als dynamischer Begriff Ähnlichkeitsklassen Mercurius: Ursache Metallglanz und Schmelzbarkeit Sulphur: als Möglichkeit der Verbrennung und leichte Veränderlichkeit

Chemische Theoriebildung: Verbrennung – Phlogiston-Theorie Phlogiston (Feuerstoff) ist in allen brennbaren Stoffen enthalten. Bei der Verbrennung verlässt ein Phlogiston den Stoff. Luft nimmt den Feuerstoff auf. Redoxreaktion als erste chemische Reaktionen, die genauer betrachtet wurden. Oxidationstheorie nicht induktiv aus Experiment ableitbar. Versuch: Unterschiedlich starke Verbrennung von verschiedenen Stoffen Versuch: Vergleich Verbrennung Metall/Nichtmetall

Chemische Theoriebildung: Verbrennung – Phlogiston-Theorie Verbrennung als Zerlegung des Stoffes in seine Bestandteile Verbrennung von Holzkohle: HØ → H + Ø Verkalkung von Blei: BØ → B + Ø Bearbeitung von Metallen im Feuer Einteilung in edel/unedel Verkalkung, Veraschung

Chemische Theoriebildung: Verbrennung – Phlogiston-Theorie Zusammenwirken von Spekulation und Empirie Irrtümer erweisen sich als tragfähig, an experimentelle Praxis gebunden und können überwunden werden. Gewichtszunahme und -abnahme bei Verbrennung und Gewichtszunahme bei Verkalkung (Waage) Phlogiston als negatives Gewicht Sauerstoff als „dephlogistisierte Luft“ Wasserstoff als „brennbare Luft“

Phlogistontheorie: Konnte sich nicht halten, da  Quantitative Analysen an Einfluss gewannen.  Ein grundlegender Wandel des Selbstverständnisses der Chemie eintrat. Phlogistontheorie Stoff- und Substanzchemie „Phlogiston ließ sich nicht auf Flaschen ziehen“ „Phlogiston erwies sich als überflüssig für den Aufbau der Materie“  Übergang von „Prinzipien“ zu „Stoffen“!!

Lavoisier (1743 - 1794): Sauerstofftheorie!  Warum? „Phlogiston ist das brennbare Prinzip, das nur durch die Verbrennung nachweisbar ist“  logischer Zirkelschluss!!! Unchemisches Herangehen an die Chemie  Revision der chemischen Denkart gegenüber der Materie

Lavoisier (1743 - 1794): Systematische (!!!!) Benutzung der Waage in der Chemie: War ein fundamental neuer Ansatz, da:  Keine neuen Stoffe hergestellt wurden, sondern  Die Zusammensetzung (auch) bekannter Stoffe quantitativ untersucht wurde Phlogiston = Stoff mit negativer Masse Gesetz von der Erhaltung der Masse Erhaltungsannahme ist die essentielle Vorraussetzung für die weitere Entwicklung der Chemie!

Experiment von Boyle (1627-1691): Spekulation ist wesentlich für die chemische Erkenntnis: Experiment von Boyle (1627-1691): Eine genau abgewogene Menge Zinn wird in abgeschlossener Retorte „verkalkt“  Gewichtszunahme! Deutung der Phlogistoniker: Die Feuermaterie kann die Glaswand durchdringen hat ein negatives Gewicht ist verschwunden aus dem Gemisch „Zinn“ wurde der Reinstoff „Zinnkalk“ Deutung Lavoisiers: Das Gefäß mit Inhalt wiegt vor und nach der Verbrennung gleich viel. gewinnt nach dem Öffnen der Ampulle an Masse. verhält sich unter einer Sperrflüssigkeit genauso.  Verbindung des Zinns mit dem Sauerstoff der Luft

Lavoisiers folgenschwerer Fehlschluss: Die Verkalkung von Metallen in Säure bedeutet: Aufnahme eines Säurebestandteils Sinnvolle Annahme, da gezeigt werden konnte, dass in (damals bekannten) Säuren „air pure“ enthalten ist bei der Reaktion Wasserstoff frei wird, der also mit der Säurewirkung nichts zu tun hat.  Dieser Fehlschluss wirkt bis heute nach: Sauerstoff

Lavoisiers alltägliches Vermächtnis: Entwicklung einer chemischen Systematik: Benennung von Säuren nach ihren „Radikalen“: - acide carbonique - acide sulfurique - acide phosphorique Benennung von Metalloxiden als Verbindungen von Metallen mit Sauerstoff: oxyde de plombe oxyde de zinc Benennung von Salzen durch genitivische Bildung des Namens aus Säurerest und Metall: - sulfate de zinc - ....

Der gefesselte Prometheus: Eine der Hauptfiguren der Weltliteratur „Ich Dich ehren? Wofür?“ (Goethe) „Frankenstein“ oder „Der moderne Prometheus“ (Shelley) „Die Sage versucht das Unerklärliche zu erklären.“ (Kafka) Antiker Held Scheitern und Ausbleiben der Erlösung als Hauptmotiv tragischer / romantischer Helden („Antiheld“) Luzifer („Lichtbringer“)

Der Autor: Aischylos (525 v. Chr. - 456 v. Chr.) Hatte ein sehr bewegtes Leben. Er: nahm an der Schlacht bei Marathon teil. nahm an der Seeschlacht bei Salamis teil. verlor in den Perserkriegen seinen Bruder. reiste oft im Mittelmeer. Verlor bei den Dionysien gegen Sophokles. Nahm mit 25 erstmals an den Dionysien teil. Führte den zweiten Schauspieler auf der Bühne ein: Erfinder des Dialogs! Verwendete meist mythologische Gestalten in seinen Stücken, die eine sehr erhabene Sprache verwenden. Wurde der Legende nach von einer Schildkröte, die ein Raubvogel fallen lies, erschlagen.

Bezüge zum Chemieunterricht Hephaistos, Gott der Schmiede: Antike Gewinnung von Kupfer (Malachitreduktion) oder Eisen (Rennofen), Bronzeherstellung. Kratos, Knecht des Zeus, Verkörperung der Macht:  Soll Prometheus bestrafen  Fortschrittsfeindlichkeit? Die Elemente Erde, Wasser und Wind werden personifiziert von Prometheus angerufen Widerspruch zum Element Feuer, das als Substanz an die Menschen gegeben wurde? Auch der Himmel (Uranos) und die Erde (Gaia) werden als Personen benannt.

Bezüge zu kompetenzorientierten Basiskonzepten: Stoff-Teilchen-Beziehung chemische Reaktionen als Umgruppierung von Atmen am Beispiel der Verbrennung. Chemische Reaktionen Stoffumwandlungen bei der Verbrennung. Energetische Betrachtungen bei Stoffumwandlungen: Feuer als sichtbares Phänomen bei exothermen Reaktionen.

Bezüge zur Kompetenzstruktur der Basiskonzepte: Fachwissen (chemische Phänomene, Gesetzmäßigkeiten kennen und Basiskonzepten zuordnen) Die Entwicklung der Wissenschaft Chemie seit der Antike am Beispiel der Redoxreaktionen nachvollziehen Erkenntnisgewinnung (experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle benutzen)  Experimente zum Thema: „Hephaistos, Gott der Schmiede“ Kommunikation (Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen) Aufführung des Theaterstückes Bewertung (chemische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten)  Stellung nehmen zur Sicht der Natur in der Antike und heute

Literatur Peter Euler und Arne Luckhaupt: Historische Zugänge zum Verstehen systematischer Grundbegriffe und Prinzipien der Naturwissenschaften, AFL Frankfurt, 2010 Ernst F. Schwenk: Sternstunden der frühen Chemie, Verlag C. H. Beck, 1998 Bilder von www.wikipedia.org (17.09.2011)

Vielen Dank! Verwenden Sie eine Abschnittsüberschrift für jedes der Themen, damit das Publikum eine klare Orientierung erhält.