6. Schülerexperimente

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KAPITEL 6
SCHÜLEREXPERIMENTE
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6.1 Zielsetzungen der Schülerexperimente
Die Neurophysiologen HELD und HEIN
führten 1963 ein Experiment durch, das
unter der Bezeichnung „Körbchenkätzchenexperiment“ in die Literatur
eingegangen ist:
Zwei Kätzchen aus dem gleichen Wurf
verbrachten mehrere Stunden in einer
Anlage (siehe Abbildung). Das eine
Kätzchen wurde in einer Schaukel
aufgehängt, die durch eine einfache
Mechanik in allen Richtungen von dem
fast völlig freien, aktiv explorierenden
Geschwisterchen bewegt wurde. (Wenn
sich die Kätzchen nicht in der Anlage
befanden, wurden sie in Dunkelheit bei
ihrer Mutter gehalten.)
Nach einigen Wochen zeigten Tests,
dass das aktive Kätzchen gelernt hatte,
sich mit Hilfe seiner Gesichtsfelder ein
gültiges Bild der äußeren Welt in
Hinsicht auf ein Sich-Bewegen zu
verschaffen. Es verhielt sich genauso
wie ein normales Kätzchen. Dagegen
hatte das Körbchenkätzchen nichts
gelernt. Das zeigte sich z. B., wenn man
beide Tiere auf ein schmales Brett
setzte, das sie auf einer Seite durch
einen harmlosen kleinen Sprung, auf
der anderen Seite nur durch einen
furchterregenden Sturz (allerdings
ebenso
ohne
Verletzungsgefahr)
verlassen konnten. Das aktive Kätzchen
wählte für den Abgang immer die
einfache Seite, während das passive
Körbchenkätzchen in wahlloser Weise
eine der beiden Seiten benutzte.
⇓?
Schülerexperimente
6/2
Außerhalb des Unterrichts sind viele Schüler fortwährend am Experimentieren: Sie
experimentieren mit offenem Feuer, sie entwerfen neue Papierschwalben, neue Techniken des
Anbändelns und Provozierens. Diese Beispiele zeigen, dass es nicht ausreichen würde, die
hierfür notwendigen Informationen ausschließlich vermittelt zu bekommen, sondern dass in
der Selbsttätigkeit deutlich werden muss, welche Konsequenzen das eigene Handeln erzeugt.
Insofern ist die allgemeine Forderung an den Chemieunterricht verständlich, dass er
Experimentalunterricht sein müsse.
Schülerexperiment oder Lehrerdemonstrationsexperiment?
Bewerten Sie:
In vielen Publikationen ist zu lesen, dass das Experimentieren - insbesondere das
Experimentieren der Schüler - das einzige „Heilmittel“ für den Chemieunterricht sei.
Es gilt die Theorie: Chemieunterricht, in dem Schüler selbst experimentieren, ist
interessant und lehrreich und steht im Gegensatz zur unrühmlichen „Kreidechemie“.
Häufig wird die Meinung vertreten, dem Schülerversuch sei, wann immer möglich, der
Vorzug zu geben. Begründet wird dies
psychomotorisch:
Manuelle Fertigkeiten werden eingeübt. Eine Erziehung zu exaktem Arbeiten wird erreicht.
pädagogisch:
Soziale und kommunikative Bedeutung erlangt das Schülerexperiment durch die
Kooperation innerhalb der Gruppe.
lernpsychologisch und affektiv:
Durch „learning by doing“ wird eine Motivationssteigerung angenommen. Dies führt zu
positiven Einstellungen der Schüler zum Fach Chemie.
kognitiv und erkenntnistheoretisch:
Durch praktischen Umgang mit Geräten und Chemikalien erweitern Schüler ihr
theoretisches Wissen über die materielle Umwelt und gelangen zu einem vertieften Verständnis der Inhalte und Methoden der Chemie.
Fachdidaktische Forschungen waren ab 1980 um einen Nachweis der angenommenen
Wirkungen von Schülerexperimenten bemüht. Welche Untersuchungen liefern Aussagen
hinsichtlich der genannten Aspekte?
Der erste Aspekt, der sich auf psychomotorische Lernziele bezieht, ist schwerlich zu
widerlegen und spricht für den Vorzug des Schülerexperiments. Leider wird es tatsächlich
oftmals als zweitrangig angesehen, dass die Chemie eines der wenigen Unterrichtsfächer ist,
in denen auch manuell-technisches Geschick vermittelt wird und erst durch regelmäßiges
Experimentieren erworben werden kann. Versuche können die Schüler letztlich zu Ausdauer,
Zielstrebigkeit und diszipliniertem Arbeiten erziehen. Gleichzeitig muss betont werden, dass
die Selbsttätigkeit der Schüler nicht nur auf eine praktische, sondern auch auf eine geistige
Auseinandersetzung mit dem Unterrichtsstoff zielt. Wenn also vom Lehrer nicht die Vermittlung einer neuen Arbeitstechnik (z. B. Titration) beabsichtigt wird, sollte pure Geschäftigkeit
möglichst vermieden werden und die Bedeutung auf kognitiver Ebene für die Schüler erkennbar sein. Hiermit verbunden ist die Forderung, dass auch das Schülerexperiment didaktisch
richtig ausgewählt und gemäß der Kriterien aus Kapitel 3 richtig platziert sein muss.
Schülerexperimente
6/3
In vielen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass Schülerversuche bei Schülern
durchaus beliebt sind und eine positive Schülereinstellung zum Fach begünstigen. Ihre
unmittelbare Motivationswirkung darf aber nicht überschätzt werden. Es kann nicht erwartet
werden, dass Schülerversuche an und für sich motivieren und für alle Jugendliche in gleicher
Hinsicht wirken. Wichtig ist mal wieder das methodische und thematische Arrangement, die
Aufgabenform, das Problem, die Fragestellung, … Ein Demonstrationsversuch wird die
Einstellung stärker positiv verändern, als es ein Schülerexperiment vermag, wenn der
Demonstrationsversuch die Neugier wecken, einen Widerspruch erzeugen oder Spekulationen
ermöglichen würde und wenn ein entsprechendes Schülerexperiment dies nicht leistete.
Zur Effektivität von Schülerübungen auf kognitiver Ebene liegen widersprüchliche Ergebnisse
vor. Zum einen ist eine im Vergleich zu anderen Unterrichtsformen deutliche Leistungssteigerung festgestellt worden; anderen Quellen zufolge sollen Schüler durch experimentelle
Eigenaktivitäten jedoch nicht mehr und nicht weniger lernen als durch andere Unterrichtsformen wie etwa durch ein sorgfältig vorbereitetes, durchgeführtes und ausgewertetes
Demonstrationsexperiment.
Damit stellt sich die Frage:
In welchen Situationen ist welche Form des Experimentierens vorzuziehen: wann Schülerexperiment, wann Lehrerdemonstration? Sollen Schüler- und Lehrerexperimente im Verhältnis
3 : 1 oder 1 : 1 realisiert werden?
Anstelle einer eindeutigen Antwort:
Gewarnt wird vor generalisierenden Schlüssen, weil sie die komplexe unterrichtliche
Feldsituation außer acht lassen. Es scheint dringender zu prüfen, ob überhaupt in der täglichen
Unterrichtspraxis Schüler die Möglichkeit erhalten, selbstständig zu experimentieren.
Schülerexperimenten kommt nämlich ein geringer Stellenwert zu, wenn man die Unterrichtszeit heranzieht, die durchschnittlich für Schülerexperimente genutzt wird. Vor diesem
Hintergrund stellt sich auf keinen Fall die Frage, Schülerexperimente zugunsten von
Demonstrationen zu verringern. Vielmehr muss die Forderung erhoben werden, Schülerexperimenten erst einmal einen gleichen Rang wie Demonstrationsversuchen einzuräumen.
Als Gründe, warum Lehrer auf Schülerversuche verzichten, werden von diesen genannt:
- hohe Klassenfrequenzen;
- Fachraum- und Gerätemangel;
- Umfangreiches Stoffpensum, Schülerversuche sind arbeitsintensiv;
- Schülerversuche sind gefährlich;
- Schülerversuche reproduzieren nur vage und ungenau fachwissenschaftliche Erkenntnis;
- In der Lehrerausbildung wurde keine Veranstaltung zur Methodik von Schülerübungen
besucht.
Solche Vorbehalte gegenüber Schülerversuchen sollten nicht zur Beruhigung eines schlechten
Berufsgewissens führen!
Leistungsbeurteilung
Schülerversuche können auch zur Leistungsbeurteilung herangezogen werden. Voraussetzung
ist, dass die Schüler im Unterricht regelmäßig selbst Experimente durchführen konnten und
somit ausreichend Gelegenheit zum Erlernen der experimentellen Techniken gegeben war.
Häufiger findet man Experimente in Klausuren eingebunden. Diese beinhalten meist die
Deutung kleiner Handversuche oder die Anwendung analytischer Verfahren. Die
„Einheitlichen Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Chemie“ unterstützen den
Einsatz des Experiments ausdrücklich.
Schülerexperimente
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Auftrag zu Beispiel 1:
Bearbeiten Sie zunächst nur skizzenhaft und rein fachlich die Grundkursaufgabe
zum schriftlichen Abitur.
Welche Chemikalien und Geräte würden Sie den Schülern zur Verfügung stellen?
Beispiel 1: Schriftliches Abitur (Grundkursniveau) 1
Beschreibung auf der Verpackung:
Hirschhorn Salz (Ammoniumhydrogencarbonat E 503)
ist ein Backtriebmittel, das seine volle Aktivität bei
Backtemperaturen von über 60 °C entfaltet. Es dient
damit der Lockerung und Verfeinerung von Dauerbackwaren wie Leb- und Honigkuchen, Printen,
Makronen, Hart- und Weichkeks sowie Biskuits.
Aufgabenstellung:
1. Entwickeln Sie einen Plan zur Durchführung eines Modellexperiments für die Wirkung
von Hirschhornsalz beim Backen. Entwerfen Sie eine Skizze für eine geeignete
Experimentieranordnung.
Planen Sie den Nachweis zweier Reaktionsprodukte.
Führen Sie die entsprechenden Experimente durch und werten Sie Ihre Beobachtungen
aus.
2. Überprüfen Sie die wässrige Lösung von Hirschhornsalz mit einem geeigneten Indikator.
Begründen Sie Ihre Beobachtungen.
3. Neben Hirschhornsalz enthalten einige andere Backtriebmittel auch feste Säuren, z. B.
Citronensäure. Beim Lösen dieses Gemisches in Wasser ist eine Gasentwicklung zu
beobachten, die zum Auftreiben des Teigs führt.
Erläutern Sie diesen Sachverhalt unter Einbeziehung von Reaktionsgleichungen
(verkürzte Ionenschreibweise).
Begründen Sie die besondere Eignung dieses Stoffgemisches als Backtriebmittel.
Beispiel 2: Mündliches Abitur 2
Gegeben ist ein Stoff mit der Summenformel C3H6O. Nach Aufstellung verschiedener
möglicher Strukturformeln soll dem Stoff durch eigene Versuche eine mögliche
Strukturformel zugeordnet werden bzw. sollen andere der theoretisch möglichen Formeln
ausgeschieden werden. Falls einige Versuche aus technischen oder zeitlichen Gründen
ausscheiden, so ist wenigstens der einzuschlagende Weg zu erläutern.
1
2
aus: Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Chemie, in der Fassung vom 05.02.2004, S. 44-47
Aus: H. ZANDER, Chemische Experimente in Klassenarbeiten und Klausuren – Aulis Verlag (1994), S. 142
Schülerexperimente
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6.2 Organisation und Auswertung
Bereitstellung der Materialien
Wie können den Schülern die Versuchsmaterialien bereitgestellt werden?
Folgende Organisationsmodelle bieten sich an:
1. Einteilung nach Versuchsvorschrift:
Für jede Schülergruppe wird vor jedem Schülerexperiment neu eine Kiste mit einem
vollständigen Satz der notwendigen Geräten und Chemikalien vom Lehrer zusammengestellt (analog zu den Kistenversuchen im Schulversuchspraktikum).
Diese Vorgehensweise ist mit relativ viel Aufwand für den Lehrer verbunden, der Ablauf
während der Unterrichtsstunde aber reibungsloser. Ein entscheidender Nachteil ergibt sich
bei einer selbstständigen Versuchsplanung, da Schülerentscheidungen von der Geräteauswahl beeinflusst bleiben.
2. Einteilung nach Geräten (zentral aufbewahrte Geräte):
In jeder Kiste befindet sich die benötigte Anzahl einer einzigen Gerätesorte oder einer
Chemikalie, z. B. zehn Reagenzglasständer in einer Kiste, zehn Flaschen mit 1 M Salzsäure in einer anderen Kiste. Die Kisten werden zentral (z. B. auf dem Lehrertisch) bereitgestellt, so dass sich die Schüler selbständig das notwendige Material für den Versuch
abholen. Effektiver als auf dem Lehrertisch gestaltet sich eine ständige Aufbewahrung der
Kisten in einem Materialschrank im Übungsraum selbst. Der Lehrer hat dann nur im
Anschluss an die Versuche die Aufgabe, die Schränke auf Vollständigkeit und Sauberkeit
zu prüfen. Diese Variante erfordert entsprechende Räumlichkeiten.
3. Einteilung nach einer festgelegten Grundausstattung:
In jeder Kiste oder in dem Unterschrank eines jeden Schülerarbeitstisches befindet sich
jeweils eine festgelegte, stets gleichbleibende Grundausstattung an Geräten. Nur
Chemikalien dürfen in den Schülerarbeitstischen nicht aufbewahrt werden. Diese Variante
birgt das Risiko einer unüberschaubaren Kontrolle der Geräte nach dem Versuch in sich
und erfordert eine zeitintensive Instandhaltung.
Zur Reinigung der Geräte müssen den Schülern Reagenzglasbürsten und Spülmittel, aber
auch Unterrichtszeit zur Verfügung gestellt werden.
Gruppenarbeit?
Es ist im Chemieunterricht üblich, die Schüler in Zweier- bis Vierergruppen (je nach den
Anforderungen an die praktische Arbeit und die Protokollierung) experimentieren zu lassen.
Das Arbeiten in Gruppen hat einmal aufgrund des Material-, Chemikalien- und Platzbedarfs
pragmatische Gründe. Andererseits sprechen die allgemein für Gruppenarbeit gültigen
Argumente - wie die Förderung kommunikativer Fähigkeiten und sozialer Kompetenzen - für
diese Organisationsform: Sowohl beim Aufbau als auch bei der Durchführung und
Auswertung der Experimente können sich die Mitglieder einer Arbeitsgruppe gegenseitig
unterstützen. Dabei lernen sie, in einem Team zu arbeiten, Rücksicht zu nehmen und Erfolg
sowie Misserfolg gemeinsam zu erleben.
Schülerexperimente
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Es sprechen auch Gründe dafür, Schüler ab und zu alleine experimentieren zu lassen:
Die Benotung einer experimentellen Tätigkeit kann so am einfachsten und am gerechtesten
durchgeführt werden.
Individuelle Interessen können berücksichtigt werden.
Es ist auf diese Weise möglich, Schüler, die sich beim praktischen Arbeiten in Gruppen
nicht beteiligen, zu aktivieren und eine fest gefahrene Rollenverteilung zu vermeiden: Bei
Gruppenexperimenten führt nämlich oft der manuell geschicktere Schüler die Experimente
aus, der fleißige und saubere Schreiber dagegen protokolliert, der „Theoretiker“
interpretiert und der „Zuschauer“ ist froh über die Aktivitäten der anderen.
Dem kann außer durch Einzelexperimente auch entweder durch eine gezielte Änderung der
Gruppenzusammensetzung oder durch ein klar strukturiertes Variieren in der Rollenzuteilung, nach der jeder Schüler seinen bestimmten, aber bei mehreren Gruppenexperimenten andersartigen Auftrag ausführt, begegnet werden.
Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft Rollenkarten, die in der Gruppe vergeben
werden (die Abbildung muss durch die Rolle des Experimentators erweitert werden):
Experimentator:
… führt die Versuche entsprechend der Versuchsanleitung durch.
… beachtet die Sicherheitshinweise bei der Versuchsdurchführung
Schülerexperimente
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arbeitsteilig?
Die einfachste Form der Schülerversuche besteht darin, alle Gruppen jeweils dasselbe
Experiment durchführen zu lassen. Dabei ist der Vorbereitungsaufwand für den Lehrer
gegenüber anderen methodischen Varianten geringer (Erstellung der Arbeitsvorschriften,
Ausgabe des benötigten Materials).
Man wird diese Organisationsform besonders dann wählen, wenn bisher in einer Klasse selten
Schülerexperimente durchgeführt worden sind. Für den Lehrenden ist es dann einfacher, den
Überblick zu bewahren. Außerdem können sich die Gruppen gegenseitig unterstützen.
Auch inhaltliche Erwägungen können dazu führen, arbeitsgleiche Gruppen zu bilden, etwa
wenn allen Schülern die gleichen Erfahrungen beim Einüben von Arbeitstechniken
zukommen sollen. So kann ein Messwert – etwa der Siedepunkt einer Flüssigkeit – von allen
Arbeitsgruppen ermittelt und die Ergebnisse verglichen werden, um mögliche Fehler bei der
experimentellen Bestimmung zu erarbeiten.
Worin liegen die Chancen des arbeitsteiligen Gruppenunterrichts beim Experimentieren, bei
dem die Schülergruppen unterschiedliche Arbeitsaufträge erhalten?
Zu einem Stoffgebiet können mehrere unterschiedliche Experimente in kurzer Zeit durchgeführt werden, so dass sich eine größere Breite der stofflichen Präsentation ergibt. Etwa
zur Erarbeitung einer allgemeinen Gesetzmäßigkeit und zur Systematisierung bietet es sich
an, von jeder Gruppe ein Experiment durchführen zu lassen, das sich von den anderen nur
wenig unterscheidet. Dies kann gerade im Hinblick auf eine induktive Vorgehensweise als
wichtiger Gesichtspunkt erachtet werden (wahrscheinlich lässt sich sogar im Nachhinein
rekonstruieren, welche Gruppe schluderig gearbeitet hat).
Verschiedene Gruppenaufträge bieten die Möglichkeit einer Binnendifferenzierung:
Schwächeren Arbeitsgruppen werden weniger aufwendige Versuche zugeteilt, denen sie
mit hoher Wahrscheinlichkeit gewachsen sind.
In einer Präsentationsphase kann jede Gruppe ihr eigenes Experiment vorstellen. Dadurch
finden die Ergebnisse aller Gruppen Beachtung. Entsprechend muss bei differenzierten
Schülerexperimenten eine größere Zeitspanne für die Ergebnissicherung eingeplant
werden: Die unterschiedlichen Beobachtungen und Erkenntnisse aufgrund
unterschiedlicher Arbeitsaufträge sind nämlich für alle Mitschüler bereitzustellen.
Beispiele:
1. Quantitative Auswertungen
Durch Änderung der Reaktionsbedingungen oder Konzentrationen der Reaktionspartner
können allgemeine Gesetzmäßigkeiten aufgestellt werden. Aus Gründen der Arbeitsökonomie führt jede Gruppe das Experiment unter anderen Bedingungen durch. So kann
z. B. die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von Temperatur, Konzentration bzw.
Oberflächenbeschaffenheit eines Ausgangsstoffs analysiert werden.
2. Erstellung einer halbquantitativen Rangordnung als Vorstufe der Quantifizierung
Um die Reaktivitätsreihe der Metalle (bzw. die Reihenfolge in deren Sauerstoffaffinität) zu
erstellen, können arbeitsteilig die folgenden Versuche durchgeführt werden:
- Kupfer(II)-oxid mit Eisen
- Eisen(III)-oxid mit Kohlenstoff
- Kohlenstoffdioxid mit Magnesium.
In der Auswertung werden die Ergebnisse systematisiert, indem die Metalle in eine
Reihenfolge in ihrem „Wettstreit um Sauerstoff“ gebracht werden. Solche Vergleiche sind
wichtige Zwischenschritte zur Einführung quantitativer Begriffe.
Schülerexperimente
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Präsentation der Ergebnisse
Drei Lehrer werten eine Gruppenarbeit auf unterschiedliche Weise aus:
Lehrer 1:
Er arbeitet nach der
Gruppenarbeit die Inhalte
im fragend-entwickelnden
Unterrichtsgespräch auf
und bringt begleitend die
Ergebnisse der Gruppenarbeit in sein Tafelbild (in
Form einer Tabelle) ein.
Lehrer 2:
Jede Gruppe hält die Ergebnisse auf einer Folie fest und stellt diese anschließend im
Plenum vor. Der Lehrer moderiert die gegenseitigen Ergänzungen und
Verbesserungen.
Lehrer 3:
Die Gruppen werden in neuen Gruppen (Expertengruppen) gemischt und berichten
sich gegenseitig.
Für welche Variante würden Sie sich entscheiden?
Die Präsentationsform ist auch mit den Schülergruppen bei den Demonstrationsveranstaltungen im Block des Schulversuchspraktikums zu bedenken und vorzubereiten!
Mögliche Tätigkeiten der Schüler:
Informationsplakat erstellen
Vortrag mit Overheadfolie
Experiment vorführen
Zeitungsartikel schreiben
Internetseite erstellen
Lernkartei / Ordner / Portfolio anlegen
Text in ein Ablaufschema übersetzen
vorbereitete Tabelle an der Tafel ausfüllen
Handlungsprodukt erstellen
Kugellager
Metagruppen
Rollenspiel
Schülerexperimente
Kugellager
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Schülerexperimente
Metagruppen / Expertenkongress
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Schülerexperimente
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kleines Beispiel für Metagruppen:
Auf den Spuren von Alfred Werner
ALFRED W ERNER (1866-1919)
1913 Nobelpreis für Chemie
Versuch 1
Sicherheitshinweise:
Kupfersulfat:
Natronlauge:
Staub nicht
einatmen!
gesundheits- umweltschädlich gefährlich
ätzend
Stelle eine Kupfersulfatlösung her, indem du einen Spatel des Salzes in ca. 15 mL dest.
Wasser auflöst.
Verteile die Lösung auf drei Reagenzgläser (eines als Reserve).
A Gib in eines der Reagenzgläser einige Tropfen der bereit gestellten Natronlauge.
B Gib in das andere Reagenzglas auf einmal drei Pipetten voll Ammoniaklösung.
Verschließe die Ammoniakflasche und das Reagenzglas sofort (Geruch!)
Anschließend werden auch zu dieser Lösung einige Tropfen Natronlauge gegeben.
Beobachtungen:
Aufgaben:
Erkläre anhand einer Reaktionsgleichung die Beobachtung in Versuchsteil A.
Stelle den anderen Gruppenteilnehmern den von dir durchgeführten Versuch
(Versuchsteile A und B) samt Beobachtungen vor.
Welche Gemeinsamkeiten bestehen bei den Beobachtungen der drei Versuche, die
insgesamt in der Gruppe durchgeführt wurden?
Macht in der Gruppe einen Vorschlag, wie die Beobachtungen im letzten Schritt des
Versuchsteils B aller drei Versuche zu deuten sind.
Schülerexperimente
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Die Schülerübungen des Beispiels werden in Dreiergruppen durchgeführt. Dabei soll jeder
Schüler innerhalb einer Gruppe genau einen der folgenden drei Versuche selbstständig
durchführen:
Versuch 1 (1. Gruppenmitglied): abgebildeter Arbeitsauftrag (s. o.)
Versuch 2 (2. Gruppenmitglied): analoger Arbeitsauftrag;
Nickelsulfatlösung statt Kupfersulfatlösung,
Natriumcarbonatlösung statt Natronlauge.
Versuch 3 (3. Gruppenmitglied): analoger Arbeitsauftrag;
verd. Silbernitratlösung statt Kupfersulfatlösung,
Natriumchloridlösung statt Natronlauge.
Im Anschluss werden die Beobachtungen in der Meta- bzw. Expertengruppe mit denjenigen
Schülern verglichen, die denselben Versuch durchgeführt haben. Erst danach werden die
Ergebnisse mit den anderen beiden Mitgliedern der Stammgruppe ausgetauscht und
systematisiert.
Schülerexperimente
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6.3 Hinweise zur Arbeitssicherheit
Es sei nochmals erwähnt, dass an allgemein bildenden Schulen keine Schülerexperimente mit
sehr giftigen, krebserzeugenden oder explosionsgefährlichen Stoffen durchgeführt werden
dürfen, sofern sie nicht in ausreichend verdünnter Form oder als Verunreinigungen bzw.
Beimengungen in Gemischen vorhanden sind. Zu den Umgangsbeschränkungen für Schüler
ist besonders hervorzuheben: 3
Mit folgenden Stoffen sind keine Schülerexperimente gestattet:
Reines Brom, gelber/weißer Phosphor, Alkalicyanid, Schwarzpulver, KaliumchloratMischungen mit brennbaren Stoffen, Bleiacetat, Bleinitrat, Blei(II)-oxid. Allerdings darf
beispielsweise Bromwasser (max. 5 %ig) nach einer Ersatzstoffprüfung im Schülerexperiment eingesetzt werden.4
Mit folgenden Stoffen sind keine Schülerexperimente erlaubt, sofern sie nicht in geringen
Mengen bei Experimenten entstehen und entsprechende Schutzmaßnahmen getroffen werden:
Acrylnitil, Benzol, 1,2-Dibromethan und Diethylsulfat. Eine kleine Brennprobe von
Polyacrylnitil im Abzug ist beispielsweise gestattet, auch wenn sich dabei Acrylnitil bildet.
Mit folgenden Stoffen dürfen keine Experimente von Schülern bis 16 Jahre durchgeführt
werden: Acetaldehyd, Diethylether, Methylformiat, niedrig-siedender Petrolether.
4
5
6 7 8
Dimethylether
F+
12
(2)-9-16-33
9
1
N,N-Dimethylformamid
T 61-20/21-36
53-34
Dimethylglyoxim
(Diacetyldioxim)
Xn 20/21/22
36/37
Verdünnung
Schülerexperimente
Inventarverzeichnis/
Mengenbereiche
3
Grenzwert
in mg/m³
2
krebserzeugend
erbgutverändernd
fortpflanzungsgefährdend
Hautresorption
Sensibilisierung
Vbf-Klasse
1
R-Sätze S-Sätze
WGK
Flaschenart
Verschluss
Aufbewahrung
Stoffbezeichnung
Kennbuchstaben
Entsorgungssätze
Im „Anhang 1 zur GUV Regel“ (GUV-SR 2004) ist in der vorletzten Spalte der Gefahrenstoffliste gekennzeichnet, ob und in welcher Verdünnung und in welcher Schulstufe der Stoff
im Schülerexperiment eingesetzt werden kann.
Beispielauszug (verkleinert):
K M RF RE
..
.
..
.
9 10 11
13
D,Y
10-12 1
10
12
2
H
14
15
..
.
16
17
1900 4
*
30 4
-
2
Xn: w ≥ 25 %
+
Xn: 3%≤w<25%
o
18
Dimethylketon
s. Aceton
2,6-Dimethylphenol
(Xylenol)
T
24/25-3451/53
Dimethylsulfat
T+ 45-25-26
(Schwefelsäuredimethylsulfat)
-34-43
3
4
(1/2)-26- 10-12 2
36/
53-45
12-16 2
H
N
2 3
H,S AIII 0,2* 4
-
lt. GUV-SR 2003, „GUV Regel - Umgang mit Gefahrstoffen im Unterricht“ (Tabellen 3 / 4)
Zu außerunterrichtlichen Schülerversuchen ist zu bemerken: Jegliches Hantieren mit Schwarzpulver oder
explosiven Stoffen ist ein Verstoß gegen das Sprengstoffgesetz, kommt zur Anzeige und wird vom
Staatsanwalt untersucht.
Schülerexperimente
6/14
Im zitierten Anhang findet man die notwenigen Informationen zu den verwendeten
Abkürzungen; hier nur auszugsweise und stichwortartig zu unserem Beispiel:
zu Spalte 9
D
Y
N
Laborgase in Druckgasflaschen oder Druckgasdosen aufbewahren,
An gut gelüftetem Ort aufbewahren,
In der Schule nicht aufbewahren.
zu Spalten 10-12: Krebserzeugende, erbgutverändernde und fortpflanzungsgefährdende Gefahrstoffe
werden jeweils in drei Kategorien eingestuft (Kategorie 1 ist die höchste Stufe).
Fortpflanzungsgefährdende Gefahrstoffe werden darüber hinaus eingeteilt in
RF: Beeinträchtigung der Fortpflanzungsfähigkeit (Fruchtbarkeit)
RE: frucht- bzw. entwicklungsschädigende Wirkung
zu Spalte 13:
H Gefahr der Hautresorption (bei Stoffen, welche die äußere Haut leicht zu
durchdringen vermögen). Das H weist nicht auf eine Hautreizungsgefahr hin.
zu Spalte 15:
In der linken Hälfte der Spalte sind die Luftgrenzwerte aufgeführt (MAK-Werte bzw.
bei einer Markierung mit * der TRK-Wert)
Hinweise zum TRK-Wert:
Für krebserzeugende oder erbgutverändernde Gefahrstoffe kann keine arbeitsmedizinisch begründete Schwellenkonzentration angegeben werden, bei deren Unterschreitung
unter Beachtung der Rahmenbedingungen eine gesundheitliche Beeinträchtigung der
Beschäftigten ausgeschlossen werden kann. Für diese Stoffe werden Technische Richtkonzentrationen (TRK-Werte) aufgestellt. Die TRK ist die Konzentration eines Stoffe in
der Luft am Arbeitsplatz, die nach dem Stand der Technik erreicht werden kann.
In der rechte Hälfte der Spalte werden der MAK- bzw. TRK-Wert, die als Schichtmittelwert konzipiert sind, durch Kurzzeitwerte ergänzt, um den in der Praxis auftretenden
Expositionsspitzen gerecht zu werden. Im Beispiel N,N-Dimethylformamid beträgt in
einem 15-Minuten-Zeitraum die erlaubte Kurzwerthöhe 4 . 30 mg/m³ = 120 mg/m3
(Überschreitungsfaktor 4).
zu Spalte 17:
Die Symbole geben Auskunft über den Einsatz in Schülerexperimenten:
+ Schülerexperimente sind mit diesen Stoffen erlaubt.
o Schülerexperimente sind mit diesen Stoffen nicht untersagt, jedoch ist die
Ersatzstoffprüfung von besonderer Bedeutung.
* Mit diesen Stoffen sind Schülerexperimente nur in der gymnasialen Oberstufe
gestattet.
-w Experimente mit diesen Stoffen sind für Schülerinnen nicht erlaubt.
Schülerexperimente sind mit diesen Stoffen nicht erlaubt.
Bei der Durchführung von Schülerversuchen muss der Lehrer sorgfältig und gewissenhaft auf
die Einhaltung von Verhaltensregeln oder möglichen Unfallgefahren achten. Damit sollen Sie
keineswegs davon abgehalten werden, Schüler experimentieren zu lassen. Jeder Chemielehrer
muss jedoch Fehlverhalten bei den Schülern einkalkulieren. Es ist wichtig, den
Schülerversuch in der Klasse sorgfältig vorzubereiten, damit die Schüler entsprechende
Sicherheitseinstellungen verinnerlichen. Mögliche Gefahrenquellen sind immer in Bezug auf
die jeweilige Klassensituation zu prüfen: Dabei müssen Disziplinniveau in der Lerngruppe,
Entwicklungsstand der Schüler, Vorwissen, Vertrautheit mit Arbeitstechniken,
Stoffkenntnisse bedacht werden. Bewusst überzogene Schilderungen zur Gefährlichkeit
verunsichern eher, als sie den Tätigkeitsdrang aktivieren, zumal Schüler durch die öffentliche
Umweltdiskussion wohl genügend aktiviert sind und ohnehin jüngere Schüler ängstliche
Reaktionen bei Schülerversuchen zeigen. Unbekannte Arbeitsweisen sollten zunächst an
einfachen Fragestellungen geübt werden. Gerade jüngere Schüler haben Schwierigkeiten,
komplexe Apparaturen zu bedienen (z. B. Destillation, pneumatisches Auffangen von Gasen,
Bedienen von Dreiwegehähnen). Dann sollte der Chemielehrer die notwendigen Handgriffe
vormachen oder sie mittels einer Schemazeichnung auf Folie oder an der Tafel erläutern.
Schülerexperimente
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6.4 Das Arbeitsblatt
Beurteilen Sie:
In welchen Fällen (und andererseits in welchen Fällen nicht) und in welcher
Ausprägung bzw. Deutlichkeit sind auf einem Arbeitsblatt zu vermerken:
Hinweise zur Sicherheit (z. B. R- und S-Sätze),
eine Liste der benötigten Geräte und Chemikalien,
eine Zeichnung des Versuchsaufbaus,
Mengenangaben?
Lohnt es sich, zu jedem Schülerversuch ein Protokoll anfertigen zu lassen?
Welchen (Un-)Sinn haben Arbeitsblätter?
„… wir sind schon mit dem Arbeitsblatt
fertig, gucken Sie mal!“
Kriterien für ein gutes Arbeitsblatt:
ästhetisch ansprechende Gestaltung, aber nicht (z. B. mit Hervorhebungen) überladen,
deutliche und herausfordernde Überschrift,
knapper, aber eindeutig und verständlich formulierter Arbeitsauftrag,
Informationsmüll vermeiden,
Operatoren mit Signalwörtern an den Anfang setzen (z. B. beschreibe, zeichne, ergänze),
altersgemäße Sprache,
gute Gliederung, aber nicht zu viele Punkte,
optische Strukturierung: verschiedene Teile in Blöcke anordnen (z. B. Informationen –
Versuchsdurchführung – Auswertung).
Der Arbeitsauftrag sollte enthalten:
Problemstellung / Zielangabe,
Verfahren (z. B. Experiment),
Auswertung,
Erwartungen an die Ergebnisdarstellung und ggf. weitere methodische Anweisungen
(z. B. Sozialform, Handlungsprodukte, Präsentation, …),
Förderung der Selbsttätigkeit der Schüler (s. u.)
Schülerexperimente
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Die Auswertung nach dem Prinzip der minimalen, zielführenden Hilfe
Die bloße Kopie einer experimentellen Vorschrift wollen wir noch nicht als „Arbeits“-blatt
bezeichnen. Vielmehr wollen wir davon ausgehen, dass auf einem Arbeitsblatt der Weg
vorstrukturiert wird, wie sich die Schüler mit dem gestellten Thema auseinandersetzen sollen.
Auf diese Weise dienen Arbeitsblätter dazu, ein erstes Problembewusstsein zu schaffen, die
Schüler zu einer individuellen oder partnerschaftlichen Aufarbeitung des neuen Lernstoffs zu
bringen und so zu einer „gelenkten“ Selbsttätigkeit zu bringen.
Als Strukturierungshilfe, die einen experimentellen Befund mit der Theorie verbinden, dienen
auf dem Arbeitsblatt etwa
- eine Aufgabenstellung,
- eine Tabelle,
- ein Diagramm,
- eine zu ergänzende Reaktionsgleichung oder
- eine Abbildung.
Diese Hilfen sollen das Elementare z. B. als grundlegende Einsicht, als formuliertes Gesetz,
als gültige Regel, als prinzipielle Erkenntnis freilegen.
Die Orientierungshilfen sind allerdings wohldosiert einzusetzen. Auch deren Inhalt und
Schwierigkeitsgrad bestimmen von vornherein, ob sich die Schüler angesprochen fühlen oder
ob sie gleich resignieren. An dieser Stelle hat der Lehrer in der Unterrichtsvorbereitung die
wichtigsten Entscheidungen zu treffen: Sind die Hilfen zu stark und kleinschrittig, so dass der
Schüler nicht wirklich problemlösend tätig ist, sondern eher gegängelt wird? Oder sind die
Hilfen zu schwach, so dass der Schüler ratlos vor seinem Arbeitsblatt sitzt und Frustrationen
kaum zu vermeiden sind? Auch eine Überschrift kann im Übrigen den Arbeitsauftrag
prägnant unterstreichen, andererseits aber auch die eigentliche Erkenntnis vorwegnehmen.
Beispiele zur „Neutralisation“:
Drei Varianten für ein Arbeitsblatt zum Thema „Neutralisation“ sind abgebildet.
Überlegen Sie jeweils:
Ist das Arbeitsblatt akzeptabel hinsichtlich der beschriebenen und diskutierten
Aspekte?
Sind insbesondere die Orientierungshilfen angemessen?
Unter welcher Zielsetzung der Unterrichtsstunde und mit welchem Vorwissen
der Schüler könnte das Experiment samt Arbeitsauftrag eingesetzt werden?
Schülerexperimente
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Variante 1
Salzsäure als „Gegenspieler“ der Natronlauge
Gebt vorsichtig in ein Reagenzglas etwas Natronlauge mit Bromthymolblau.
Fügt anschließend Salzsäure hinzu.
Bestimmt zum Schluss den pH-Wert der Lösung mit dem pH-Papier.
+
Natronlauge
+
Bromthymolblau
Salzsäure
Was beobachtet ihr?
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________.
Schreibt die Reaktionsgleichung auf:
Schülerexperimente
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Variante 2
Wie wirkt
Maaloxan?
Versuchsanleitung
Füllt in ein Reagenzglas
- eine gehäufte Spatelspitze Magnesiumhydroxid (= Hauptinhaltsstoff des Maaloxan),
- Wasser bis zu einer Füllhöhe von etwa einem Viertel des Reagenzglases,
- einige Tropfen Bromthymolblaulösung.
Gebt anschließend tropfenweise Salzsäure ( =ˆ Magensäure) hinzu. Schüttelt kurz nach
jeder Zugabe.
Welche Beobachtungen macht ihr in Abhängigkeit von der zugegebenen Tropfenzahl?
Auswertung
1. Gebt die chemische Formel der folgenden Teilchen (samt Ladung) an:
Teilchenname
Wasser
Hydroniumion
chemische Formel
H2O
Hydroxidion
Chloridion
Magnesiumion
2. Ordnet den Teilchendarstellungen im folgenden Modell die chemischen Formeln aus 1. zu:
Maaloxan-Lösung
Säure-Lösung
3. Zeichnet in das leere Kästchen die Modelldarstellung des Reaktionsprodukts ein.
Berücksichtigt dabei eure Versuchsergebnisse.
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Variante 3
Wie können wir Kochsalz herstellen?
Leitfrage:
Welche der folgenden zur Verfügung gestellten Lösungen würdet ihr wählen,
um aus ihnen Kochsalz zu gewinnen?
Schwefelsäure - Salzsäure - Salpetersäure - Natronlauge - Ammoniaklösung
Ergänzt als Hilfestellung zuerst die folgende Übersicht.
Gegebenenfalls müsst ihr in eurem Heft oder Buch nachschlagen:
Lösung
Schwefelsäure
enthält die folgenden
positiv geladenen Ionen
Hydronium-Ionen H3O+
enthält die folgenden
negativ geladenen Ionen
Hydrogensulfat-Ionen HSO4−
Sulfat-Ionen
Salzsäure
Salpetersäure
Natronlauge
Ammoniaklösung
Kochsalzlösung
Plant jetzt ein Experiment zur Herstellung von festem, möglichst reinem
Kochsalz.
Zur Kontrolle wird Bromthymolblau bereitgestellt. Welche Geräte und
Chemikalien benötigt ihr außerdem?
Notiert die Versuchsdurchführung.
Sprecht anschließend eure Planung mit dem Lehrer ab.
Führt schließlich das Experiment durch. Vorsicht: Einige Lösungen sind ätzend!
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Zur weiteren Beurteilung folgen jetzt einige
Demonstrationsstunden oder den Generalproben.
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Arbeitsblätter
aus
den
Schülerexperimente
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Arbeitsblatt zum Schülerversuch: RITZHÄRTE VON MINERALIEN
Untersuchte Mineralien
1. Gips
Platzierung: _______
2. Calcit
Platzierung: _______
3. Talk
Platzierung: _______
4. Fluorit
Platzierung: _______
5. Beryll
Platzierung: _______
Durchführung: Versuche, mit jeweils einer Gesteinsprobe die anderen zu ritzen.
Jeder Stein soll einmal gegen jeden anderen angetreten sein,
so dass das Kästchenschema unten am Ende komplett
ausgefüllt ist.
wird geritzt von
Beryll
Talk
Calcit
Fluorit
Gips
Beryll
Talk
Calcit
Fluorit
Gips
Ergebnis:
Das Gestein, das alle anderen ritzt, ist das härteste. Das,
welches von allen anderen geritzt wird, ist das weichste.
Schreibe das Ergebnis in Form einer Platzierung (Rang 1 bis 5)
oben hinter die eingesetzten Gesteinsproben.
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Schülerexperimente
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Schülerexperimente
Aminosäuren als Puffersysteme
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Schülerexperimente
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Schülerexperimente
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Modellversuch zur Bildung und Vermeidung von Karies
Vrgl. NiU –Chemie 8 (1997) Nr. 40, S. 29
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6.5 Experimentelle Problemlöseprozesse („Egg Races“)
„Egg Races“ sind problemlösende Aktivitäten, die mit bestimmten erlebnissteigernden
Attributen verknüpft sein sollten:
•
•
•
•
eine lebensnahe Aufgabenstellung
Einbezug kreativen Denkens und Handelns während der Bearbeitung
Selbstständiges Lösen der gestellten Probleme
Kooperation in der Gruppe
Bei den Egg Races handelt es sich um Situationen, die für den Schüler neu sind und die eine
aktive Auseinandersetzung erfordern. Sie weisen im kleinen Maßstab deduktiven Charakter
auf. Die Schüler werden vor anregende Probleme gestellt, bei deren Bewältigung sie
möglichst in selbstständiger Arbeit eigene Ideen und Vorschläge entwickeln und auch
Schwierigkeiten meistern müssen.
Wegen der relativ offenen Aufgabenstellung und einem notwendigen Repertoire an
chemischen Arbeitstechniken sollten Egg Races nur von Schülern durchgeführt werden, die
bereits Erfahrungen mit experimentellem Arbeiten gesammelt haben.
Die Rolle des Lehrers in einem experimentellen, problemlösenden Gruppenauftrag:
-
Kontrolle zur Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen
möglichst wenige Eingriffe in den Problemlöseprozess
Ermutigung zum Beschreiten ungewohnter Wege und Ermutigung bei experimentellen
Fehlschlägen
gleichmäßige Einteilung leistungsschwacher und –starker Schüler auf alle Gruppen
Kontrolle zur Bewertung von Lösungsideen auf sachlicher Ebene
Gewährleisten, dass jeder Schüler seine Lösungsideen einbringen kann
evtl. Eingrenzung der Anzahl an Lösungsvorschlägen durch bestimmte
Materialausgaben oder durch Hinweise auf Schulbuchtexte
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