Schülerinnen und Schüler auf dem Weg zu einem differenzierten Atommodell
Der Chemiedidaktiker Prof. Dr. Alfred Flint aus Rostock sprach bei den Stuttgarter Chemietagen
Ein gern und oft gesehener Gast bei den Stuttgarter Chemietagen ist Professor Dr. Alfred Flint vom Institut für Chemie an der Universität Rostock. Er ist dort Leiter der Abteilung Didaktik der Chemie. Er hat damit eine verantwortungsvolle Aufgabe, gilt es doch Modelle und Methoden zu entwickeln, die Schülerinnen und Schülern den Chemieunterricht und die Chemie attraktiv machen. Es gilt neue Methoden zu entwickeln, die den klassischen Unterrichtsgang ergänzen können. Schließlich braucht Deutschland die Chemie und muss deshalb die Schülerinnen und Schüler für das Schulfach Chemie begeistern. Die Chemie hat in Deutschland an Stellenwert deutlich verloren, deshalb müssen neue Zugänge gefunden werden, die von den Kenntnissen der Schüler ausgehen. Das funktioniert am besten durch entdeckendes Lernen an Experimenten.
Professor Flint ist besonders qualifiziert, weil er praxisorientierte Lehrerfortbildung betreibt. Das ist nicht verwunderlich, ist er doch ein Hochschullehrer, der jahrelang in den "Niederungen" des normalen Schulwesens unterrichtet hat. Nach dem Studium der Geographie, Physik und Chemie für das Lehramt war er seit 1992 im Schuldienst. 1997 wurde er Professor für Didaktik der Chemie, hat sich 1998 in Oldenburg habilitiert und ist seit 1999 Professor für Didaktik der Chemie an der Universität Rostock. Unter den zahlreichen Auszeichnungen für seine Arbeiten sticht besonders eine Auszeichnung hervor, die er dieses Jahr erhielt. Er ist der 24. Preisträger des Manfred-und-Wolfgang Flad Preises, der ihm kürzlich im Rahmen eines Festakts in Berlin verliehen wurde.
Prof. Flint arbeitet vor allem an der Entwicklung von Unterrichtseinheiten für die Sekundarstufen I und II. Sein leitendes Interesse steht unter dem Motto "Chemie fürs Leben".
In seinem Referat im Institut Dr. Flad präsentierte er zusammen mit seinem Mitarbeiter und Doktoranden Thomas Hoyer, der für den verhinderten André Reinke eingesprungen war, den Unterrichtsgang zur Einführung von Atomvorstellungen für Schülerinnen und Schüler der 8. und 9. Klasse. Sein Unterrichtsgang hält sich weitgehend an die bewährte traditionelle Reihenfolge. Die Themengebiete sind "Stoffe, Eigenschaften, Aggregatzustände", "chemische Reaktionen", "Mischen und Trennen", "Oxidation, Reduktion, Redox-Reaktion", Säuren, Laugen, Salze I" und "Säuren, Laugen, Salze II" und schließlich die Einführung in die organische Chemie. Die Reihenfolge ist leicht verändert, weil in Flints Modell die chemischen Reaktionen vor dem Mischen und Trennen behandelt werden. Er hält diese neue Reihenfolge für vernünftiger, weil zum Beispiel das Thema Mülltrennung Kenntnis von Stoffen und deren Eigenschaften voraussetzt, was wiederum Kenntnisse chemischer Reaktionen voraussetzt. Die ersten drei Themengebiete werden unter dem Teilchenmodell behandelt. Das Teilchenmodell, d.h. die Auffassung, alles bestehe aus Teilchen, ist auch heute gelegentlich schwer vermittelbar. Schon viele haben sich daran versucht, Schülerinnen und Schüler davon zu überzeugen, dass alles aus Teilchen besteht. Von den Wortgleichungen des Teilchenmodells kommt man dann zu den Reaktionsgleichungen, wenn man das Thema "Oxidation usw." mit Hilfe des Dalton’schen Atommodells behandelt. Mit dem Kapitel "Säuren, Laugen, Salze" wird versucht, mit Hilfe des Teilchenmodells Eigenschaften und Reaktionen in Wortgleichungen zu beschreiben. Anschließend erfolgt dann die Einführung in die Reaktionsgleichungen und der Übergang vom Teilchenmodell zum Dalton’schen Modell und zum neuen Kugelwolkenmodell.
Bei den ersten drei Themengebieten kann den Schülerinnen und Schülern eine Atomvorstellung mit Hilfe des Teilchenmodells vermittelt werden. Das Problem bei der Vermittlung des Teilchenmodells ist, dass es sich nicht aus Beobachtungen herleiten lässt. Hilfreich ist allerdings, dass Schülerinnen und Schüler in der Regel schon vorher in anderen Fächern oder in wissenschaftlichen Fernsehsendungen etwas von Atomen und Molekülen gehört haben. Der Ansatz von Prof. Flint ist nun, die Schülerinnen und Schüler nicht einfach zu belehren, sondern diese sollen von sich aus Versuche interpretieren. Flint: "Wir zeigen euch was und ihr sollt erklären, wie das, was ihr seht, mit dem Teilchenmodell zu interpretieren ist." Flint nannte als Beispiel etwa die Mischung von Wasser und Ethanol. 50 g Wasser und 50 g Ethanol ergeben 96 g Lösung. Dieses Ergebnis sollten die Schüler erklären. Ein anderes einfaches Beispiel wäre die Auflösung von Zucker in Wasser. Schülern erscheint das Ergebnis homogen. Allerdings zeigt sich beim Auskristallisieren, dass doch Teilchen vorhanden sind. Es gibt verschiedene Versuche, die das beweisen, es gibt allerdings nicht das Schlüsselexperiment zur Demonstration der Teilchenvorstellung.
Herr Hoyer führte einen einfachen und trotzdem eindrucksvollen Versuch vor. Er mischte einen roten Farbstoff mit Wasser und erhielt eine rötliche Flüssigkeit. Das Ergebnis ist für Schülerinnen und Schüler eine einheitliche Lösung. Teilchen sind nicht erkennbar. Wenn man nun diese Lösung durch Filterpapier fließen lässt, ergibt sich eine rote Färbung des Filterpapiers und klares Wasser. Für die Schülerinnen und Schüler zeigt sich, dass ein Feststoff in Wasser aufgelöst eine homogene Flüssigkeit ergibt und dass nach der Filtration der Feststoff wieder da ist.Ein Phänomen, das nur mit dem Teilchenmodell erklärbar ist. Auch wenn der Versuch nicht mit jeder Farbe durchführbar ist und die Filtration keine reine Filtration ist, sondern eine Mischung aus Filtration und Adsorption - die Farbmoleküle sind für reine Filtration zu klein - so liefert dieser Versuch doch eine Bestätigung des Teilchenmodells.
Eine weitere Möglichkeit wäre der Nachweis der Braun’schen Molekularbewegung mit einer Mischung aus Wasser und Titandioxid. Dieser Versuch ist für die Schule aber nicht geeignet, weil er sehr selten gelingt.
Als machbare einfachere Variante präsentierten Prof. Flint und Herr Hoyer einen Versuch mit haltbarer, fettarmer Milch auf einem Objektträger. Mit dem Mikroskop konnte man hier die Bewegung der einzelnen Moleküle nachweisen.
Die Schwierigkeit, gasförmige Stoffe mit Hilfe des Teilchenmodells zu erklären, ist allerdings erheblich. Gase sind für Schülerinnen und Schüler nicht materiell, haben keine Masse. In einem weiteren Versuch konnte mit Hilfe von Trockeneis dieser Nachweis im Zusammenhang des Übergangs vom gasförmigen in den flüssigen Zustand gelingen. Als Ausgangspunkt diente hier ein auf den Kopf gestellter Trinkwassersprudler, damit konnte man aus flüssigem Kohlendioxid festes Trockeneis gewinnen. Das Trockeneis verschwindet, ein Feststoff wird also gasförmig. Anschließend erfolgt die Sublimation auf der Waage und man kann so nachweisen, dass das Gas eine Masse hat. Auch die Frage nach dem Vorhandensein eines leeren Raums ließ sich im Experiment nachweisen.
Das Dalton’sche Modell soll den Schülerinnen und Schülern vermitteln, dass es neben den Wortgleichungen Reaktionsgleichungen mit chemischen Symbolen gibt. Es kann gezeigt werden, dass chemische Formeln das Verhältnis der Teilchenzahl in einer Verbindung ausdrücken, z.B. in einer einfachen Formel bei der Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff.
Das Kugelwolkenmodell ist anschließend ein einfaches Werkzeug, um Schülerinnen und Schülern zu zeigen, wie Verbindungen entstehen. Sie können so sehen, dass Protonen und Neutronen sich im Atomkern befinden, die Elektronen in kugelförmigen Ladungswolken. Die Kugelwolke enthält maximal zwei Elektronen.
Prof. Flint präsentierte das Kugelwolkenmodell in einem von seinem Doktoranden entwickelten interaktiven 3D-Modell. Das Modell ist, neben den oben teilweise beschriebenen Versuchen, als open source im Internet zu finden. Die Adresse ist www.chemie-fuers-leben.de.
Eine Reihe von Zuhörern konnte das Modell und einige der Versuche in einem anschließenden Workshop näher kennenlernen und ausprobieren.
Professor Flints Vortrag war ein gelungenes Beispiel für die Umsetzung relativ komplexer Sachverhalte für den Unterricht. Es wurde hier wieder deutlich, dass die Stuttgarter Chemietage eine ausgezeichnet Chance zur Lehrerfortbildung sind.
Siegfried Kümmerle
Leiter der Abteilung
Didaktik der Chemie
an der Universität
Rostock.
Wesentliches Anliegen
seiner Forschungsarbeiten
ist die Entwicklung
von Unterrichtseinheiten
für die
Sekundarstufen I und II
unter dem Aspekt
"Chemie fürs Leben".
Prof. Dr. Alfred Flint
André Reinke
studierte von 2006 bis
2011 an der Universität
Rostock das Lehramt
an Gymnasien für die
Fächer Chemie und
Informatik.