Hausarbeit Hagemeister gekuerzt_Text - Lebensnaher ...

Studienseminar für Lehrämter an Schulen, Bonn
Lehramt für Gymnasien und Gesamtschulen
Schriftliche Hausarbeit
Erprobung und Bewertung des Einsatzes der
ChemZ-Mikrotechnik zur handlungsorientierten
und selbständigen Erschließung des Themas
„Faktoren, die das chemische Gleichgewicht
beeinflussen“ von Schülerinnen und Schülern des
CH-GK11
vorgelegt von
Studienreferendar Timo Hagemeister
Erster Gutachter: Michael Weier, StD

INHALTSVERZEICHNIS
1. INHALT DER ARBEIT 1
1.1 Grundintention 1
1.2 Umfang 1
1.3 Lehrerfunktionen 1
1.3.1 Lehrerfunktion Unterrichten , 1
1.3.2 Lehrerfunktion „Evaluieren und Innovieren“ 2
2. ERLÄUTERUNGEN ZUM GEGENSTAND DER ARBEIT 2
2.1 Was ist handlungsorientierter Unterricht? 2
2.2 Warum handlungsorientierter Unterricht? 4
2.2.1 Bildungstheoretische Argumentation 4
2.2.2 Entwicklungstheoretische Argumentation 5
2.2.3 Lerntheoretische Argumentation 5
2.2.4 Sozialisationstheoretische Argumentation 6
2.3 Das Experiment im naturwissenschaftlichen Unterricht 6
2.3.1 Das Experimentieren mit medizintechnischem Zubehör 7
3. ERPROBUNG DES EINSATZES DER CHEMZ-MATERIALIEN IM
UNTERRICHT 8
3.1 Lerngruppenanalyse 8
3.2 Planung der Kernreihe 9
3.2.1 ChemZ in der Reihe „Faktoren, die das chemische Gleichgewicht
beeinflussen“ 9
3.2.2 Konzeption der Reihe und der Unterrichtsmaterialien und didaktische
Strukturierung 11
3.2.3 Merkmale handlungorientierten Unterrichts in der vorliegenden Reihe 13
3.3 Planung der Anschlussreihe 13
4. EVALUATION DES EINSATZES DER CHEMZ- MATERIALIEN 13
4.1 Evaluationskriterien, -indikatoren, und –instrumente 14
4.2 Durchführung der Reihe und Auswertung der Evaluationsdaten 16
4.2.1 Beobachtungen im Unterricht (Phasen 1 bis 4 der Reihe) 16
4.2.2 Laborjournale und Forschungsberichte (Phasen 4 und 5 der Reihe) 18
4.2.3 Arbeitsblatt zu Le Chatelier (Phase 6 der Reihe) 20
4.2.4 Bewertungsbogen für Schülerinnen und Schüler und Lernzielkontrolle (Phase
7 der Reihe) 21
4.3 Interpretation der Evaluationsdaten 23
4.3.1 Offene produktorientierte Prozesssteuerung und Selbständigkeit 23
4.3.2 Schüleraktivität 26
4.3.3 Abstraktion der Erkenntnisse auf Basis des mit ChemZ erschlossenen
konkreten Beispiels 26
4.3.4 Verständnistiefe und Transferierbarkeit des Wissens 27
4.3.5 Handhabbarkeit der Materialien 27
4.3.6 Schülermotivation 28
5. ZUSAMMENFASSENDE BEWERTUNG DES EINSATZES DER CHEMZ-
MATERIALIEN IM HANDLUNGSORIENTIERTEN UNTERRICHT 29
6. AUSBLICK 30
7. ANHANG FEHLER! TEXTMARKE NICHT DEFINIERT.
7.1 Abbildungen Fehler! Textmarke nicht definiert.
7.2 Arbeitsmaterialien Fehler! Textmarke nicht definiert.
7.3 Literatur 31

1. Inhalt der Arbeit
1.1 Grundintention
In der Arbeit soll untersucht werden, inwieweit medizintechnisches Zubehör als experi-
mentelle Geräteausstattung ein handlungsorientiertes und selbstständiges Lernen im
Chemieunterricht unterstützt und fördert. Zu diesem Zweck wurden die Materialien im
Rahmen eines forschend/entdeckenden Unterrichtskonzepts zur Reihe „Faktoren, die das
chemische Gleichgewicht beeinflussen“ im Chemie-Kurs der 11ten Jahrgangsstufe an der
Gesamtschule Hennef erprobt, ihr Einsatz einer detaillierten Evaluation unterzogen und
abschließend bewertet.
1.2 Umfang
Die Reihe „Faktoren, die das chemische Gleichgewicht beeinflussen“ bietet im Rahmen
mehrerer aufeinander folgender Unterrichtsinhalte die Möglichkeit eines handlungsorien-
tierten Einsatzes medizintechnischen Zubehörs im Unterricht. Zur Erprobung und Bewer-
tung umfasst die Arbeit schwerpunktmäßig die detaillierte Analyse und Reflexion der
unterrichtlichen Umsetzung der Kernreihe „Erarbeitung des Prinzips von Le Chatelier an-
hand des Kohlensäuregleichgewichts“, für die dementsprechend ein handlungsorientiertes
Unterrichtskonzept inklusive Materialien ausgearbeitet und evaluiert wurde. Darüber hin-
aus wurden Arbeitsmaterialien auch zur Anschlussreihe „Der natürliche und technische
Kalkkreislauf als Anwendung und Vertiefung des Prinzips von Le Chatelier“ erstellt, die
der Arbeit anhängen, aber aus Gründen des Umfangs nicht diskutiert werden können.
1.3 Lehrerfunktionen
Die Lehrerfunktionen „Unterrichten“ und „Evaluieren und Innovieren“, wurden bei der
Anfertigung dieser Arbeit verstärkt angesprochen.
1.3.1 Lehrerfunktion Unterrichten 1,2
Der Kern der Arbeit basiert auf der Gestaltung und Optimierung eines Unterrichtsansat-
zes, um grundlegende Kenntnisse zum Thema „Chemisches Gleichgewicht“ handlungsori-
entiert zu vermitteln und dabei sowohl Versuchsplanungsfähigkeiten sowie Fertigkeiten
im zielorientierten Umgang mit der ChemZ Mikrotechnik zu schulen. Es sollte untersucht
werden, inwieweit die ChemZ-Materialien ein schüler- und problemorientiertes, selbst-
ständiges, entdeckendes Lernen fördern und unterstützen, welches nach Bruner, Roth
und Meyer die Grundlage für den effektiven und nachhaltigen Aufbau von Basiswissen
bildet. Ein didaktisch-methodisch differenzierter Aufbau der gesamten Unterrichtssequenz
basierend auf einer fundierten Lerngruppenanalyse wurde als essentielle Vorarbeit für
den gewinnbringenden Einsatz der ChemZ-Materialien geleistet, da nur auf dieser Basis
die Voraussetzungen für selbstständige und erfolgreiche experimentelle Erarbeitung ver-
1

unden mit einem effektiven und motivierenden Erkenntnisprozess für die SuS gewähr-
leistet ist.
1.3.2 Lehrerfunktion „Evaluieren und Innovieren“ 1
In dieser Arbeit wurde ein Unterrichtskonzept mit ChemZ bzw. Unterrichtsmaterialien
entwickelt, die es ermöglichen, Unterrichtsinhalte, die auf herkömmliche Weise anhand
schülerfremder einzelner Laborreaktionen erarbeitet werden, in einem handlungsorien-
tierten Rahmen zu vermitteln. Um die Effektivität des Einsatzes der ChemZ-Mikrotechnik
im handlungsorientierten Unterricht beurteilen zu können, wurde dieser einer eingehen-
den Evaluation unter Anwendung verschiedener Evaluationsinstrumente unterzogen. Die
Evaluationsdaten wurden interpretiert und Faktoren, auf die beim Einsatz der Materialien
im handlungsorientierten Unterricht geachtet werden müssen, herausgearbeitet. Hand-
lungsoptionen zur Optimierung des Einsatzes wurden aufgezeigt. Besondere
Berücksichtung bei der Gestaltung des Unterrichtsverfahrens fand der Einsatz neuer Me-
dien zur zielgerichteten Ergebnispräsentation. 3
2. Erläuterungen zum Gegenstand der Arbeit
Da der Einsatz der Materialien im handlungsorientierten und selbständigen Unterricht
untersucht werden soll, wird im Folgenden theoriegeleitet ausgeführt, warum es über-
haupt erstrebenswert ist, einen handlungsorientierten Unterricht durchzuführen. Darüber
hinaus werden die Merkmale handlungsorientierten Unterrichts dargelegt, auf deren
Grundlage sowohl die didaktische Struktur der für die Erprobung der Materialien ausge-
arbeiteten Reihe gerechtfertigt, als auch die Eignung der ChemZ Materialien für eine
dementsprechende Unterrichtsform evaluationsbasiert beurteilt werden kann. Die Bewer-
tungsargumente können somit konsequent auf die jeweiligen Theorieäquivalente zurück-
geführt werden.
2.1 Was ist handlungsorientierter Unterricht?
Handlungsorientierter Unterricht (HU) ist ein ursprünglich auf die Reformpädagogik zu-
rückgehender Begriff, der heute zum Beispiel in didaktisch-methodischen Konzepten nach
Gudjons 4 oder Meyer 5 praxisorientierte Umsetzungen findet. Übergeordnetes Ziel des HU
ist es, durch aktive Auseinandersetzung der Lernenden mit dem Unterrichtsgegenstand
auf materieller oder sozialer Ebene die Trennung zwischen Schule und Leben ein Stück
weit aufzuheben. 6 Das Konzept basiert auf dem Modell der konstruktivistischen Didaktik.
Im Gegensatz zum deduktiven Instruktionslernen, lernen die Schülerinnen und Schüler
(SuS) im HU in der Regel zuerst anhand eines konkreten Beispiels und erschließen sich in
einem zweiten Schritt ein dem zugrunde liegendes allgemeines Prinzip auf induktive Wei-
se 7 , vollziehen den Abstraktionsschritt also idealerweise durch eigene Konstruktion der
Zusammenhänge.
2

Im HU stehen Kopf- und Handarbeit in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander 8 , bei
dem Denkarbeit und handelndes Erkunden in einem ständigen konstruktiven Wechsel-
spiel ablaufen. HU rückt den Schüler in den Mittelpunkt des Geschehens. Er macht die
Schülerinteressen zum Ausgangspunkt und zeichnet sich generell durch eine äußerst ho-
he Schüleraktivität aus. Er gibt den SuS von Anfang an die Möglichkeit, viel selbst zu
erkunden, zu erproben, zu entdecken, zu erörtern, zu planen und zu verwerfen. Diese
Vorgabe kann nur durch eine möglichst selbstständige Arbeitsweise, in der der Lehrer
möglichst wenig vorgibt, verwirklicht werden. Die Auswahl der Unterrichtsinhalte erfolgt
nicht nach Kriterien der Fachsystematik, sondern schülernah und kontextorientiert mit
hohem Lebensweltbezug für die SuS. Ziel des HU ist die Erschaffung eines zwischen Leh-
rer und SuS vereinbarten Produkts, welches am Ende der Unterrichtseinheit von den SuS
präsentiert und evaluiert wird.
Nach Meyer führen die Merkmale des HU’s zu folgender didaktischer Strukturierung: 9
1) Die Aufgabenstellung ist interessenorientiert und entwicklungsbezogen.
2) Die Handlungsplanung erfolgt produktbezogen.
3) Die soziale Architektur ist kooperativ.
4) Die Themenstellung erfolgt situations- und problemorientiert.
5) Die Prozesssteuerung (Verlaufsplanung) ist offen und produktorientiert.
Geeignete Unterrichtsformen, um diese didaktischen Merkmale umzusetzen, sind zum
Beispiel Projektarbeit, Freiarbeit, Stationenlernen, Egg Races oder Lernen durch Lehren.
Konkret für den naturwissenschaftlichen Bereich sind das forschend-entdeckende Unter-
richtsverfahren nach Kerchensteiner (1912) und dessen zahlreiche praxisorientierte
Weitentwicklungen von Mothes (1967), Fries-Rosenberger (1973) und Schmidkunz-
Lindemann (1981) bestens geeignet, um Unterricht nach einem handlungsorientierten
Muster zu planen. 10 Ein typischer Unterrichtsaufbau gliedert sich hier in folgende Phasen:
1) Entwicklung der Problemstellung
2) Erarbeitung von Lösungsmöglichkeiten
3) Prüfung der Hypothesen durch Planung, Durchführung und Auswertung von Expe-
rimenten
Wird in Schritt 1 ein exemplarisches Problem mit hohem Lebensweltbezug für die SuS
gewählt und der experimentelle Kern in den Schritten 2 und 3 in einem möglichst selb-
ständigen Arbeitsmodus durchgeführt, ist den oben genannten Qualitätskriterien des HU’s
in idealer Weise genüge getan. Arbeitsprodukt ist die Beantwortung der Problemfrage
bzw. Überprüfung der Hypothese mit schriftlicher Fixierung, basierend auf einer von den
SuS eigens entworfenen experimentellen Strategie.
3

Die in dieser Arbeit entworfene Reihe wurde nach diesem Muster geplant, damit der
unterrichtliche Rahmen, innerhalb dessen das medizintechnische Zubehör erprobt wird,
optimale Voraussetzungen für dessen handlungsorientierten Einsatz bietet.
2.2 Warum handlungsorientierter Unterricht?
Ein Gramm Erfahrung ist besser als eine Tonne Theorie, einfach deswegen, weil jede Theorie nur in der
Erfahrung lebendige und der Nachprüfung zugängliche Bedeutung hat. 11
Das didaktisch-methodische Konzept des HU basiert auf entwicklungs- und lernpsycholo-
gischen sowie sozialisations- und bildungstheoretischen Erkenntnissen, die im Folgenden
kurz dargelegt werden sollen.
Wird eine Unterrichtsreihe konsequent nach einem handlungsorientierten Muster durch-
geführt, so deckt die Reihe alle in den Richtlinien/Kernlehrplänen für Chemie in NRW
ausgewiesenen Kernkompetenzen „Fachwissen“ „Fachmethoden“, „Kommunikation“ und
„Reflexion“ (für Chemie Sek. II 12 ) bzw. „Erkenntnisgewinnung“, „Kommunikation“ und
„Bewertung“ (für Chemie Sek. I 13 ) ab.
2.2.1 Bildungstheoretische Argumentation
Bildungstheoretische Grundlage des HU ist Wolfgang Klafki’s kritisch-konstruktives didak-
tisches Modell als Weiterentwicklung seines ursprünglich bildungstheoretischen Ansatzes.
Nach Klafki wird Allgemeinbildung als Fähigkeit zu Selbstbestimmung, Mitbestimmung
und Solidarität verstanden, die von den Lernenden in einem eigenverantwortlichen Pro-
zess selbständig erarbeitet wird. Dies ist nur möglich, wenn die Lernenden selbst in den
Vordergrund gerückt und aktiv tätig werden (schülerorientierter Unterricht). Als didakti-
sche Konsequenz seines bildungstheoretischen Ansatzes plädiert schon Klafki für den
Einsatz „entdecken-lassender“ Verfahren und das Erzeugen originaler Begegnungen im
Unterricht. 14
Jank/Meyer: „Bildung als Befähigung zu vernünftiger Selbstbestimmung kann jemand nur erwerben,
wenn er selbst in der Lernspirale von Erfahrung und Handeln tätig wird und die Verantwortung für sein
Handeln im Rahmen des Geflechts gesellschaftlicher Interessen Schritt für Schritt selbst übernimmt.“ 15
Nach Dewey et al. darf jedoch Handeln nicht zum Selbstzweck verkommen, wenn es als
„bildende Erfahrung“ genutzt werden soll. So dürfen Schülerexperimente im Unterricht
nicht in blinden Aktionismus ausarten oder gar den Charakter einer Beschäftigungsthera-
pie besitzen. 16 Die weiter oben beschriebene didaktische Strukturierung des HU bietet die
Voraussetzung dafür, in Zusammenhängen zu denken, so dass dies nicht passieren kann.
Übergeordnete Bedeutung kommt in Klafki’s Bildungsverständnis dem exemplarischen
Charakter des Unterrichtsgegenstands für den größeren Sinnzusammenhang zu. Hand-
lungsorientierung verzichtet auf inhaltliche Vollständigkeit. Der Physik-Didaktiker Martin
Wagenschein beschreibt die Lösung eines Problems als exemplarisch, wenn „ der Schüler
dabei mehr versteht als nur die Lösung eines einzelnen Problems. Es wird dann zu einem
4

Initationsthema…“. 17 Dies ist mit dem Kohlensäuregleichgewicht als exemplarischem
Thema zur Erschließung des übergeordneten Prinzips von Le Chatelier erfüllt.
2.2.2 Entwicklungstheoretische Argumentation
Der HU ist eine direkte didaktische Konsequenz aus den Stufen der kognitiven Entwick-
lung nach Piaget/Aebli. 18 Da sich aus Handlungsprozessen Denkstrukturen entwickeln, ist
das haptische Begreifen und Tun essentielle Voraussetzung für das Verstehen und der
Lernprozess ein Resultat aus dem Wechselspiel beider. Hierbei laufen Handeln und Den-
ken alternierend ab, indem die handelnde Auseinandersetzung zu Erfahrungen führt, die
kognitiv verarbeitet werden und über weiterführende Denkprozesse wiederum zu weite-
ren handelnden Schritten veranlassen. Nach Piaget können Lernangebote zur Einübung
und Anwendung (Assimilation) oder zur Ausbildung neuer Denkstrukturen (Akkomodation)
genutzt werden. Letzteres ist nur durch handlungsorientierte Auseinandersetzung mög-
lich.
Die Ergebnisse von PISA zeigen, dass an deutschen Schulen zu sehr die Abstraktion ge-
fördert wird und daher mehr praktisches Lernen angewendet werden muss. Allerdings gilt
es zu beachten, dass auch die Loslösung von der Anschaulichkeit ein wichtiger Prozess ist,
der nach Piaget im Jugendalter vollzogen werden muss.
2.2.3 Lerntheoretische Argumentation
Nach der konstruktivistischen Didaktik ist Lernen ein aktiver, konstruktiver Prozess in
individuellem Lerntempo, der vom Lehrer nur begrenzt beeinflusst werden kann.
Konstruktivistische Lernprozesse lassen sich also nur durch selbstständiges, induktives
Erschließen von Unterrichtsinhalten vollziehen. Auf lernpsychologischer Ebene resultiert
daraus Deweys „experimentelles Problemlösen“, und, etwas erweitert, Heinrich Roth’s
lernpsychologisches Stufenkonzept der Erkenntnisgewinnung. 19 Psychologische Grundla-
ge für den Erfolg der Lernprozesse ist hierin unter anderem ein hoher Grad an intrinsi-
scher Motivation, erzeugt durch die Wahl eines schülernahen Kontextes, der im Idealfall
dazu führt, dass der Lernprozess annähernd unbewusst abläuft. Die bei der Problemlö-
sung auftretenden Schwierigkeiten/Widersprüche stellen, ebenso wie der Erkenntnispro-
zess als Schlüsselelement der Akkomodation, zentrale und notwendige Elemente des
Konzepts dar, durch die produktives Lernen erst ermöglicht und angeeignetes Wissen
nachhaltig verankert wird. Das Ziel ist es, durch das Wechselspiel von eigenverantwortli-
cher Planung und Umsetzung von Ideen beim experimentellen Erarbeiten mit dem beloh-
nenden Erkenntnisprozess einen hohen Grad emotionaler Betroffenheit zu erzeugen, der
die Ausbildung neuer kognitiver Denkstrukturen erleichtert. In der vorliegenden Arbeit
bildet der Mineralwasserkontext die persönliche Erfahrungsgrundlage für die SuS, die als
eine Art Spielfeld für die durch handelndes Auseinandersetzen gesteuerte individuelle
Konstruktion neuer kognitiver Verknüpfungen bis hin zur Erkenntnis fungiert. Darüber
5

hinaus soll die Unterrichtsreihe in Form eines Forschungsprojekts durchgeführt werden,
wodurch Unterrichtsgegenstand noch mehr zu einem persönlichen Ereignis für die SuS
wird.
Roth: „Alle methodische Kunst liegt darin beschlossen, tote Sachverhalte in lebendige Handlungen zu-
rückzuverwandeln, aus denen sie entsprungen sind: Gegenstände in Erfindungen und Entdeckungen,
Werke in Schöpfungen, Pläne in Sorgen, Verträge in Beschlüsse, Lösungen in Aufgaben, Phänomene in
Urphänomene…“.
Für eine Handlungsorientierung sind das Nachschaffen und Neu-Erkennen von bestehen-
den Gegebenheiten von wesentlicher Bedeutung. Als Voraussetzung für den Erfolg dieser
Verfahren müssen Chemielehrer das naturwissenschaftliche Experiment als eine Erkennt-
nismethode der Chemie offen legen und die SuS den damit einhergehenden Erkenntnis-
prozess in individuellem Lerntempo (idealerweise leistungsdifferenziert) nachvollziehen
lassen, so wie es auch in der vorliegenden Reihe umgesetzt worden ist.
2.2.4 Sozialisationstheoretische Argumentation
Nach Gudjons ist die heutige Zeit gekennzeichnet durch eine zunehmende Vereinzelung
der SuS, Verlust der Bedeutung klassischer Orientierungssysteme wie Klasse, Kirche oder
Kulturkreis sowie die Verlagerung der kulturellen Aneignung auf unreflektierte, ikonisch
vermittelte Sekundärerfahrungen, die Denkprozesse meist unangeregt lassen („Konsum-
orientierung“) 20 . Letzteres macht den Aufbau einer eigenen Identität schwieriger, denn
die Entwicklung von Selbstsicherheit, Kompetenz und Urteilsvermögen wird nur durch
Primärerfahrungen in der eigenen handelnden und denkenden Auseinandersetzung mit
den Dingen gefördert. Der HU macht die „Planung und Ausführung von Vorhaben, Erfah-
ren der Folgen des eigenen Tuns, Interpretation und Reflexion der Auswirkungen vor dem
Hintergrund vorgängiger Erfahrungen“ zum zentralen Element und fördert somit Eigen-
ständigkeit und Identitätsbildung der SuS. Er wirkt der Verkopfung des Unterrichts ent-
gegen und reduziert somit potentielle störende Nebentätigkeiten der SuS 21 . Die vorrangi-
gen kooperativen Lernformen fördern die soziale Interaktion, wirken somit einer Verein-
zelung entgegen und geben durch die Teamzugehörigkeit Orientierung und Halt.
2.3 Das Experiment im naturwissenschaftlichen Unterricht
Dem Experiment als zentralem Erkenntnismittel kommt im naturwissenschaftlichen Un-
terricht und besonders im HU eine zentrale Rolle zu, mit - abhängig von seiner Stellung
im didaktischen Kontext der Unterrichtsstunde - völlig unterschiedlicher Bedeutung. So
kann ein Experiment der Veranschaulichung chemischer Zusammenhänge dienen, mit
chemischen Phänomenen vertraut machen, Fakten vermitteln, Schülerhypothesen über-
prüfen oder zur Schülermotivation oder zur Anwendung, Festigung und Wiederholung von
Lernergebnissen dienen. 22
Eine optimale Umsetzung der didaktischen Kriterien eines handlungsorientierten Unter-
richtskonzepts wird erzielt, wenn der experimentelle Kern einer naturwissenschaftlichen
6

Unterrichteinheit derart gestaltet ist, dass die SuS möglichst viele Elemente der experi-
mentellen Untersuchung eines Phänomens von vorneherein selbst übernehmen. Nach
Kerchensteiner wird nicht nur durch kleinschrittige Unterrichtsgespräche, sondern auch
durch minutiös gestaltete schriftliche Anleitungen zum Experimentieren den Lernenden
das Denken abgenommen. 23 Unvorhersehbare Ereignisse werden somit verhindert und
der lern- und verstehensförderliche Erkenntnisprozess signifikant reduziert. Durch klein-
gestückelte Versuchsanleitungen wird das Experiment seiner hauptsächlichen didakti-
schen Qualitäten beraubt, da es auf den relevanten Ergebnisbereich reduziert 24 wird. Je
offener der experimentelle Kern des Unterrichts im handlungsorientierten Rahmen gestal-
tet wird, desto mehr wird zudem die naturwissenschaftliche Denkweise und die Kreativi-
tät der SuS gefördert und geschult.
Schließlich kann das Experiment eine Brücke zwischen Schule und Lebenswelt der SuS
schlagen, wenn es die Möglichkeit bietet, naturwissenschaftliche Phänomene aus dem
Alltag mit ebenfalls alltagsnahen Mitteln zu untersuchen.
2.3.1 Das Experimentieren mit medizintechnischem Zubehör
Medizintechnisches Zubehör umfasst verschiedene, vielseitig miteinander kombinierbare
Kunststoff-Spritzen, -Verbinder und –Schläuche in unterschiedlichen Größen. Eine kom-
merziell speziell auf die Anwendung im schulischen Bereich ausgerichtete Zusammenstel-
lung sind die Experimentierkoffer der Firma ChemZ 25 , die zusammen mit einer Sammlung
an Ideen für den Einsatz des Materials im Unterricht geliefert werden. Die in der Unter-
richtsreihe zu dieser Arbeit eingesetzten Stationenkoffer für SuS zeigt Fehler! Verweis-
quelle konnte nicht gefunden werden.. Diese können im Klassensatz bestellt werden
und enthalten die vorsortierten Materialien für verschiedene bereits ausgearbeitete und
erprobte Versuche. Der Klassensatz enthält dann zusätzlich einen Lehrerkoffer und ein
kleines Paket mit Ersatzteilen.
Der bereits verschiedentlich beschriebene Einsatz medizintechnischen Zubehörs im Che-
mieunterricht 26 zeichnet sich durch einige Vorteile gegenüber der herkömmlichen Labor-
ausstattung aus:
1. Die Materialien sind deutlich preiswerter (vgl. 60ml Luer-Lock-Kunststoff-Spritze mit
3-Wege-Hahn 1,70€ vs. 100ml Glaskolbenprober mit 3-Wege-Hahn 57,28€).
2. Die Verletzungsgefahr der SuS beim Umgang mit den Materialien ist sehr viel geringer
bei gleichzeitig geringeren Einschränkungen bei der Umsetzbarkeit von Schülerideen.
Beispiel: Das Durchbohren eines Glasrohrs durch ein Reagenzglasstopfen mit Loch
birgt ein so hohes Verletzungsrisiko, dass es nicht in Schülerhand gegeben werden
kann. Im Gegensatz dazu sind die Materialien der ChemZ-Technik leicht gasdicht zu
kombinieren, Schläuche können mit einfachen Schraubverbindungen an gasdichte
Spritzen angebracht werden, so dass ein Gas- oder Flüssigkeitstransfer aus oder in die
Spritzen gefahrlos möglich ist.
3. Die Spritzen, Schläuche und Verbinder zeichnen sich durch eine vielfältige
Kombinierbarkeit aus und lassen meist mehrere verschiedene Lösungen für eine bestimmte
Fragestellung zu.
7

Die Kombination aller oben erwähnten Punkte führt zu der Tatsache, dass die Materialien
für einen Einsatz im HU prädestiniert sind, da eine komplett selbstständige Lösung eines
Problems durch eigenständige Planung und experimentelle Untersuchung durch die SuS
angestrebt werden kann.
Über die in dieser Arbeit beschriebene Unterrichtsreihe hinaus ist die Anwendung der
Materialien auch zur Erarbeitung anderer Unterrichtsinhalte, insbesondere auch für die
Mittelstufe, beschrieben worden. 27 Beispiele zum selbständigen Arbeiten mit ChemZ in
handlungsorientierten Unterrichtsformen sind die Freiarbeitsexperimente zum Thema „Ein
Gemisch aus Gasen – die Luft in Alltag und Technik“ 28 , sowie diverse Egg Races zu ver-
schiedenen Themen, wie „Bau eines Feuerlöschers“ 29 oder „Wieviel Gas kommt aus einer
Brausetablette?“.
3. Erprobung des Einsatzes der ChemZ-Materialien im Unterricht
Die Durchführung des experimentellen Teils in Form eines selbständigen Arbeitsmoduls
stellt hohe Anforderungen an die Unterrichtsplanung: Eine eingehende Lerngruppenana-
lyse hinsichtlich Wissensstand, vorhandener Methodenkompetenzen und entwicklungs-
psychologischen Stands ist erforderlich, damit vorab im Unterricht die Voraussetzungen
geschaffen werden können, die die SuS benötigen, um alle notwenigen kognitiven Schrit-
te möglichst selbständig zu absolvieren. Darüber hinaus muss die Heterogenität der
Lerngruppe reflektiert werden, um den Lernhilfenpool zu planen oder Anschlussaufgaben
auszuarbeiten, die die schnelleren Gruppen bearbeiten können.
3.1 Lerngruppenanalyse
[…]
Die SuS
• kennen den Begriff eines dynamischen Gleichgewichts und können diesen erklären,
• kennen den Begriff der Gleichgewichtsverschiebung und können diesen erklären,
• kennen die Entstehung von Kohlensäure bei der Reaktion von Carbonsäuren mit
Kalk und deren Zerfall in Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2),
• kennen den Nachweis von CO2 durch die Kalkwasserprobe,
• wissen, dass bei Ablauf exothermer Reaktionen Energie in Form von Wärme an die
Umgebung abgegeben wird, während bei Ablauf endothermer Reaktionen Energie
in Form von Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird,
• kennen den Zusammenhang zwischen H + -Ionenkonzentration einer Lösung, deren
pH-Wert, und der Indikatorfärbung.
Die letzten drei Punkte sind Inhalt der Mittelstufe und wurden im Unterricht des laufen-
den Schuljahres nur kurz wiederholt, um einen einheitlichen Wissensstand für alle SuS
herzustellen.
8

Einige Lücken weist das physikalische Grundwissen der SuS auf, weshalb vor allem die
physikalischen Hintergründe der Einflussgröße „Druck“ sowie die Begriffe Druckerhöhung
und Druckverringerung in einem kurzen vorangestellten Unterrichtsgespräch geklärt wer-
den.
Die SuS haben zuvor weder mit den ChemZ-Koffern gearbeitet, noch ein Forschungspro-
jekt durchgeführt (siehe Kapitel 3.2.2). Aus entwicklungspsychologischer Sicht sollten die
SuS zur lernhilfenfreien, erfolgreichen und selbständigen Bearbeitung des Forschungspro-
jekts in der Lage sein, es könnten sich jedoch Schwierigkeiten aufgrund etwaiger noch
unausgebildeter Methodenkompetenzen in einzelnen Aspekten dieser Unterrichtsform,
wie Laborjournal-Führung, Erstellung des Forschungsberichts, anhaltende Produktorien-
tierung ect. ergeben.
3.2 Planung der Kernreihe
3.2.1 ChemZ in der Reihe „Faktoren, die das chemische Gleichgewicht beeinflussen“
Das Prinzip von Le Chatelier a wird analog eines Vorschlags von Paschmann et al. 30 an-
hand des Kohlensäuregleichgewichts eingeführt, das den SuS in Form des sprudelnden
Mineralwassers aus ihrem Alltag bekannt ist. Sie sollen mit den zur Verfügung stehenden
ChemZ-Koffern in einem freien experimentellen Ansatz untersuchen, wie die Einflussgrö-
ßen Temperatur, Druck, und Säurekonzentration die Löslichkeit von CO2 in Wasser beein-
flussen. Der Einsatz der ChemZ-Materialien zu diesem Zweck wurde bereits von von
Borstel et al. 2006 in der Zeitschrift Naturwissenschaft im Unterricht Chemie vorgeschla-
gen und Versuchsvarianten mit der Spritzentechnik beschrieben. 31 Der Artikel diente als
Grundlage für die Ausarbeitung des handlungsorientierten Unterrichtsentwurfs in dieser
Arbeit. Mögliche Lösungswege sind im Folgenden beispielhaft zusammengefasst:
Für die Löslichkeitsbestimmung können eine oder mehrere gasdicht verschließbare Luer-
Lock-Spritzen verwendet werden, in die ein definiertes Volumen abgekochten Wassers
bzw. CO2-Gas gefüllt wird. CO2 wird in einer Druckgasflasche zur Verfügung gestellt, aus
der sich die SuS mittels gasdichter Verbindung zu den verwendeten Kunststoffspritzen
das Gas selbst abfüllen können. Wasser und CO2 werden nun solange gründlich miteinan-
der vermischt, bis sich das Volumen an überstehendem CO2 nicht mehr verändert.
Zur Untersuchung des Temperatureinflusses kann z.B. warmes bzw. eisgekühltes abge-
kochtes Wasser verwendet werden. Die jeweiligen Volumina nicht gelösten Kohlenstoffdi-
oxids werden dann miteinander verglichen.
Zur Untersuchung der Einflussgröße Druck wird z.B. abgekochtes Wasser mit Indikator
versetzt, mit den Spritzen wie gehabt eine gesättigte CO2-Lösung hergestellt und dann
mit der Spitze eine Druckänderung verursacht. Unterdruck lässt sich hierbei über längere
a Le Chatelier 1888: „Wird auf ein Gleichgewicht ein Zwang in Form einer Änderung der äußeren Bedingungen
ausgeübt, so reagiert das System mit einer Gleichgewichtsverschiebung, die diesem Zwang entgegenwirkt.“
9

Zeit durch Fixierung des Spritzenstempels mit einem Nagel ausüben (Im Kasten gibt es
eine Spritze, in deren Stempel sich bereits ein Loch befindet, durch das man einen eben-
falls beiliegenden Nagel schieben kann). Ein Farbumschlag wird deutlich erkennbar, wenn
man den Mischindikator „Tashiro“ verwendet (pH-Bereich 4,4-6,2), der im Sauren eine
violette Färbung, im Umschlagspunkt bei pH 5,2 eine graue und im Basischen eine grüne
Färbung aufweist. b,32 Auch für die Deutung der Indikatorfarbe sollen die SuS in dieser
Arbeit selbständig eine Strategie zur Zuordnung auf Basis geeigneter Vergleichssysteme
entwickeln. Daher wurde hier bewusst darauf verzichtet, den SuS eine Farbtabelle zur
Interpretation der Indikatorfärbungen zur Verfügung zu stellen.
Bei Untersuchung des Einflusses der Säurekonzentration kann die H + -Ionenkonzentration
durch Verwendung 1-molarer Salzsäure bzw. Natronlauge anstelle des neutralen abge-
kochten Wassers variiert werden. Den SuS wird in dieser Reihe konzentrierte Salzsäure
bzw. Natronlauge zur Verfügung gestellt, c die sie aus Gründen der Handlungsorientierung
selbst 1:10 verdünnen müssen, wenn sie diese in einem Experiment verwenden wollen.
Dieser zusätzliche Grad an Flexibilität eröffnet ihnen mehr experimentelle Möglichkeiten.
Sie können dann zum Beispiel die Untersuchung auch mit Mineralwasser durchführen
oder eine bereits gesättigte „neutrale“ CO2-Lösung mit konzentrierter Säure versetzen
und beobachten, ob sich dann das Volumen des überstehenden CO2-Gasraumes verän-
dert.
Der hauptsächliche Vorteil das Prinzip von Le Chatelier anhand des Kohlensäurekontexts
zu erarbeiten, liegt darin begründet, dass alle Einflussgrößen anhand einer einheitlichen
Reaktion untersucht werden können. In herkömmlichen Lehrbüchern wird das Prinzip
anhand einer Reihe von Einzelreaktionen eingeführt, die jede für sich den Einfluss einer
der drei behandelten physikalischen Größen demonstriert. Wird wie in der Vergangenheit
üblich ein entsprechender unterrichtlicher Ansatz gewählt, ist zu beachten, dass es sich
im Gegensatz zum Kohlensäuregleichgewicht bei diesen um schülerfremde „Laborreakti-
onen“ handelt, die teilweise, aufgrund der Giftigkeit der beteiligten Substanzen, noch
nicht einmal von den SuS selbst durchgeführt werden dürfen. d Hinzu kommt, dass die
notwendige, relativ eng geführte Anleitung der Experimente das motivierende Erlebnis
des Erkenntnisprozesses signifikant einschränkt. Ich habe die Reihe im letzten Schuljahr
nach der herkömmlichen Methode durchgeführt. Die SuS mussten hier völlig verschiede-
ne chemische Reaktionen zusammenführen, deren Gemeinsamkeit für sie nicht unbedingt
auf der Hand lag. So konnten sich einige SuS bei Ableitung des allgemeinen Prinzips nicht
b
Der Indikator kann durch Auflösen von 125mg Methylrot und 85mg Methylenblau in 100ml Ethanol selbst
hergestellt werden
c
Ein deutlicher Hinweis auf die einzuhaltenden Sicherheitsvorkehrungen bei Verwendung dieser Chemikalien ist
auf dem Arbeitsblatt zur Versuchsdurchführung (Arbeitsmaterial 2) enthalten.
d
Experimente zum Druckeinfluss werden auf herkömmliche Weise anhand der Gleichgewichtsreaktion zwischen
NO2 und N2O4 verdeutlicht. Die Substanzen sind jedoch toxisch (T+) und daher nur im Lehrerdemoversuch
erlaubt.
10

mehr an die Details von Versuch 1 erinnern und brauchten einige Zeit, um das Wissen zu
reaktivieren. Um diesen Vorteil des Kohlensäuregleichgewichts zu nutzen, wurde bei der
Planung der Reihe bewusst darauf verzichtet, VOR der Ableitung des zugrunde liegenden
allgemeinen Prinzips aus den Ergebnissen des Kohlensäuregleichgewichts zur Vertiefung
weitere konkrete Beispiele schülerfremder Reaktionen theoretisch zu behandeln.
3.2.2 Konzeption der Reihe und der Unterrichtsmaterialien und didaktische Strukturierung
Die Synopse der Reihenplanung inklusive didaktischer Strukturierung und innerer Diffe-
renzierung zeigt Tabelle 1. Die Reihe umfasst inklusive Einführungssequenz insgesamt 15
Unterrichtsstunden (US).
Vor der Durchführung der Reihe werden die SuS darüber informiert, dass die experimen-
tellen Untersuchungen in Form eines Forschungsprojektes ablaufen sollen, das in Anleh-
nung an in der Industrie übliche Verfahren konzipiert worden ist. Die SuS sollen ein La-
borjournal führen, das detailliert Aufschluss über Versuchsplanung, Arbeitsschritte,
Schlussfolgerungen aus Beobachtungen und Neuplanungen geben soll und am Ende ihre
Ergebnisse in Form einer wissenschaftlichen Berichterstattung mittels PowerPoint-
Präsentation (Forschungsbericht) vorstellen. Diese Vorgehensweise hat mehrere Vorteile:
Erstens liefert sie die für diese Arbeit notwendigen Daten zur Evaluation des Einsatzes
von ChemZ. Zweitens ermöglicht sie die Verknüpfung der Lernumgebung Schule mit ei-
ner lebenswelt-authentischen wissenschaftlichen Vorgehensweise. Drittens weist sie im
Sinne der Berufsvorbereitung der SuS dieser Klassenstufe eine hohe Zukunftsbedeutung
Phase US Inhalte Methoden/Medien
Sozialformen
Intentionen/ Didaktischer Kommentar
1: Einfüh- 2 Kennenlernen der Materialien • Power-Point-Präsentation Die Nomenklatur der Materialien dient zur Bezeichnung der verwendeten Bauteile
rung
mit Fotos und Filmen zur
Handhabung (LV)
• parallel handelndes Nachvollziehen
der Präsentationsschritte
mit den
ChemZ-Kästen (Partnerarbeit)
• AB Materialienübersicht
(Fehler! Verweisquelle
konnte nicht gefunden
werden.)
mit Namen in der Protokollführung zu den kommenden Phasen.
Überprüfung der Werbeaussage von
Active O2: 34 • Freie experimentelle
• In diesem Zusammenhang wird die Notwendigkeit der Verwendung abgekoch-
Bestimmung der Löslichkeit Arbeitsphase in Partnerarten Wassers für Löslichkeitsbestimmungen diskutiert Grundlage für die
von Sauerstoff in Wasser
beit (eigene Planung und Experimente zum Kohlensäuregleichgewicht
Durchführung ohne Lernhil- • Dadurch, dass Planungsideen zu einem Kontext bei SuS oft an direkt zuvor
fen)
behandelten Themen anknüpfen, wird auf diese Weise ein Anknüpfungspunkt
• Zusammentragen möglicher für die folgende Entwicklung experimenteller Strategien zur Bestimmung der
Lösungsvarianten im UG Löslichkeit von CO2 in Wasser geschaffen.
2:
2 Beim Öffnen zischende Mineralwasser- • Plenum: Hypothesenbildung
Mineralflasche
und übersprudelndes Mineral- über die ablaufenden Vorwasser:wassergänge
Vom
• Problematisierung: Überprü-
Kontext
fung der aufgestellten Hy-
zum
pothesenExperi-
Experimentelle Überprüfung der
• Freie experimentelle
Mit dieser Aufgabe werden alle wichtigen Arbeitsweisen mit ChemZ noch einmal
ment
Hypothesen. Arbeitsaufträge:
Arbeitsphase in Partnerar- geübt und die theoretischen Grundlagen gelegt, um die betrachtete Reaktion als
1. Überprüfung, ob es sich bei dem beit (eigene Planung und Gleichgewichtsreaktion zu begreifen.
beim Sprudeln von Mineralwasser Durchführung ohne Lernhil-
frei werdenden Gas um CO2 handelt. fen)
Ansätze zur Überprüfung der Hypothesen:
2. Überprüfung, ob sich auch umge-
1. Kalkwasserprobe
kehrt CO2 in Wasser löst (umkehrba-
2. Verwendung eines der in Phase 1 erarbeiteten ChemZ-Versuchsaufbauten
re Reaktion)
3. Überprüfung, ob beim Lösen von
CO2 in Wasser eine Säure entsteht
3. Beobachten des Farbumschlags indikatorversetzten Wassers
Auf Basis des Vorwissens der SuS aus Plenum 1. Abstraktionsebene: Beim Sprudeln entweicht CO2 - es ist dann weniger CO2
der Einführungsphase wird im An-
im Wasser gelöst - die Löslichkeit von CO2 sinkt also. Das Erreichen dieser
schluss schrittweise erarbeitet:
Abstraktionsebene ist Voraussetzung dafür, dass der Mineralwasserkontext auch
• Die eben hergestellte CO2-Lösung
im Schülerexperiment für die SuS lebensnah bleibt. Der Begriff der Löslichkeit als
mit überstehendem Gasvolumen ist
Zwischenstufe zum weniger anschaulichen Begriff des Gleichgewichts dient als
eine gesättigte CO2-Lösung.
eine Art Lernhilfe, um in der eigenständigen Planung leichter experimentelle
• Mineralwasser gibt CO2 frei, daher
Ansätze zur Untersuchung einer Gleichgewichtsverschiebung, z. B. durch Ermitt-
kann es als „übersättigte“ CO2-
lung von Volumenunterschieden der CO2-Gasphase in der Spritze, entwickeln zu
Lösung bezeichnet werden.
können. Der spätere Arbeitsauftrag für den selbständigen Experimentalteil lautet
• Beim Sprudeln sinkt die Löslichkeit
daher: „Untersuche den Einfluss der drei Größen auf die Löslichkeit von CO2“. Der
von CO2 in Wasser.
Bezug zum Gleichgewicht soll erst in der nächsten Abstraktionsebene hergestellt
11

12
3: Die
Einflussgrößen
4: Forschungsprojekt
5: Forschungsbericht
6:
Abstraktion
7: Evaluation
2 • Auftrag: „Notiert Situationen aus
dem Alltag, in denen Mineralwasser
mehr oder weniger sprudelt und
ordnet diesen physikalische Größen
zu, deren Einfluss eurer Meinung
nach die Ursache dafür ist.“
• Herausarbeitung der hauptsächlichen
Einflussgrößen Temperatur,
Säurekonzentration und Druck.
4 Arbeitsauftrag: Experimentelle Untersuchung,
in welcher Weise die drei
physikalischen Größen die Löslichkeit
von CO2 in Wasser beeinflussen.
• Experimentelle Durchführung im
Form eines Forschungsprojektes
• Dokumentation der Versuchsplanung,
Durchführung, Beobachtungen
und deren Deutung
2 Präsentation der Versuchsergebnisse
und deren Interpretationen in Form
eines Forschungsberichts
2 Herleitung des allgemeinen Prinzips
von Le Chatelier
1 • Bewertungsbogen, ausgefüllt durch
die SuS (anonym)
• Schriftliche Lernerfolgskontrolle
Brainstorming in Form einer
Kartenabfrage (rote/grüne
leere DIN A4-Zettel, Magneten),
Einzelarbeit/Plenum
Strukturierung und Gruppierung
der Ergebnisse
Arbeitsblatt zur Versuchsdurchführung
(Arbeitsmaterial
2): gemeinsames Durchlesen
und Beantworten etwaiger
Fragen im Plenum
• Selbstlernprogramm:
Selbständiges Forschen
• Detaillierte Mitschrift im
Laborjournal (Fehler! Verweisquelle
konnte nicht
gefunden werden. - Fehler!
Verweisquelle konnte
nicht gefunden werden.),
das Vordrucke in Form von
Planungsbögen für jeden
Parameter sowie Notizenbögen
für die Durchführung
der Experimente, inklusive
Platz für Hypothese und
Ergebnisse, enthält.
• PowerPoint-Präsentation,
Template beim L auf CD
(Arbeitsmaterial 10 - Arbeitsmaterial
13), Laptop.
• Versuchaufbau wird per
Handy-Foto, eingescannter
Handskizze, oder mit im
Template enthaltener
Zeichnungselemente illustriert
AB zu Le Chatelier (Fehler!
Verweisquelle konnte nicht
gefunden werden.), Einzelarbeit,
ggf. Plenumsphasen
Bewertungsbogen für SuS
(Fehler! Verweisquelle
konnte nicht gefunden
werden.) und Lernerfolgskontrolle
(Arbeitsmaterial 16) in
Einzelarbeit
werden.
Das Brainstorming führt zum Arbeitsauftrag: „Untersucht experimentell, in
welcher Weise diese drei Größen die Löslichkeit von CO2in Wasser beeinflussen.“
Lernhilfe: Wichtige Voraussetzung für Phase 4: Diskussion des Zusammenhangs
zwischen CO2-Löslichkeit und „Säuregehalt“ (H + -Ionenkonzentration/pH-Wert)
des Wassers Theoretische Basis für den produktorientierten Ensatz des
Indikators im Experiment.
Lernhilfe: Liste der zur Verfügung stehenden Chemikalien auf dem AB.
Die Liste der zur Verfügung stehenden Geräte wurde bewusst weniger eingeschränkt,
um eine möglichst freie Versuchsplanung zuzulassen.
• Im Sinne eines nachentdeckenden Vorgehens soll jeweils vor der Untersuchung
eines Parameters eine Hypothese im Laborjournal fixiert werden.
• Zur strikten Trennung von Planungs- und Durchführungsphase müssen die
Versuchsplanungen jeweils vom L abgezeichnet werden, bevor die praktische
Umsetzung beginnen kann. Bei der Freigabe wird der Inhalt der Planung nicht
gewertet oder kommentiert!
Innere Differenzierung nach Leistungsfähigkeit: Abgestufte Lernhilfen mit
nichtlinearer Nutzungsstruktur durch nicht vorhersehbare kognitive Schrittfolge
der SuS im HU:
1. Leitfragenkatalog (Arbeitsmaterial 17), kann zur Inspiration bei Ideenmangel
in der Planungsphase eingesetzt werden und dient als eine Art „Inhaltsverzeichnis“
der Tipps, an dem die SuS ablesen können, auf welchen Aspekt des
durchzuführenden Experiments sich der jeweilige Tipp bezieht (z. B. „Wie
ändere ich die zu untersuchende Einflussgröße?“).
2. Konkrete Lösungsansätze zur Versuchdurchführung (Fehler! Verweisquelle
konnte nicht gefunden werden. - Fehler! Verweisquelle konnte nicht
gefunden werden.), auf die der Leitfragenkatalog verweist, dienen zur Korrektur
des Verfahrens und sollen nach einem oder mehreren Fehlversuchen
zur Anwendung kommen.
Das PPT-Template enthält jeweils ein Slide zur Ergebnispräsentation zu jeder
Einflussgröße, 2 animierte Info-Slides sowie ein weiteres Slide, auf dem die
Ergebnisse auf das Kohlensäuregleichgewicht bezogen werden sollen. Auf den
Info-Slides werden die Teilgleichungen des Kohlensäuregleichgewichts vorgestellt
und daraus die verkürzte Gesamtgleichung abgeleitet. Es ist gekennzeichnet, wo
in dieser Gleichung das CO2-Gasvolumen sowie der pH-Wert des Wassers zu
finden sind.
2. Abstraktionsebene: Beim Schritt der Ergebnisinterpretation sollen die SuS
die Erkenntnisse über die Veränderung der Löslichkeit von CO2 in Wasser
abstrahieren, indem sie anhand der Gesamtgleichung ableiten, in welche Richtung
sich das Kohlensäuregleichgewicht bei Änderung der Löslichkeit von CO2
jeweils verschiebt.
Innere Differenzierung nach Arbeitstempo: Laptops zur Erstellung der
Präsentation im Unterricht stehen den schnelleren Gruppen zur Verfügung, der
Rest erstellt den Bericht als Hausaufgabe.
Nachdem die Untersuchung des Kohlensäuregleichgewichts in einem sehr
selbständigen Arbeitsmodus stattfand, wird die Abstraktion mittels Arbeitsblatt
wieder stärker geführt.
3. Abstraktionsebene: Die Erkenntnis einer rückwirkenden Änderung der
Einflussgröße aufgrund der Gleichgewichtsverschiebung erfordert ein hohes
Abstraktionsvermögen. Die SuS werden deshalb in einem konkreten von ihnen
experimentell durchgeführten Beispiel mithilfe steuernder Impulse durch den
Denkprozess geführt.
4. Abstraktionsebene: Die tabellarisch zusammengestellten Änderungen der
Einflussgrößen durch die SuS und durch die daraus resultierenden Gleichgewichtsverschiebungen
sollen daraufhin miteinander verglichen und die Erkenntnisse
als allgemeines Prinzip von Le Chatelier schriftlich verbalisiert werden.
Die Lernzielerfolgskontrolle wird bewusst ohne vorhergehende weitere vertiefende
Beispiele durchgeführt, da der Lernerfolg, der allein durch die durchgeführte
Unterrichtsreihe erzielt worden ist, beurteilt werden soll.
Tabelle 1: Synopse der Reihenplanung

im Klafki’schen Sinne auf. e,33 Sollte der Experimentalteil des Projekts von geringem Erfolg
gekrönt sein, hat der L mit diesem Verfahren darüber hinaus die Möglichkeit, die er-
wünschten Lernziele im Kompetenzbereich Fachwissen im Rahmen der Forschungsberich-
te durch einen wissenschaftlichen Disput der SuS erarbeiten zu lassen, der gleichzeitig
Kompetenzen im Bereich Bewertung/Reflexion fördert. Sollten die SuS hier Hilfe brau-
chen, kann der L die Laborjournale nutzen, um sich über potentielle Fehlerquellen beim
Experimentieren zu informieren und im Sinne der Beibehaltung der HU konformen Vor-
gehensweise als Impulsgeber fungieren, ohne leitend tätig zu werden. Da in dieser Arbeit
der Einsatz der ChemZ-Materialien bewertet werden sollte, soll letztere Vorgehensweise
nicht Gegenstand der Untersuchungen sein, sie bietet jedoch einen guten Anhaltspunkt
für die zukünftige Planung handlungsorientierter Umgebungen zum Einsatz von ChemZ.
3.2.3 Merkmale handlungorientierten Unterrichts in der vorliegenden Reihe
In Tabelle 2 ist dargestellt, mit welchem Aspekt des vorgestellten Konzepts den verschie-
denen Qualitätsstandards eines handlungsorientierten Unterrichtsverfahrens nach Meyer
et al. genüge getan wird.
Tabelle 2: Umsetzung der didaktischen Kriterien handlungsorientierten Unterrichts nach Meyer in der vorliegenden
Reihe
Didaktisches Kriterium
nach Meyer Umsetzung im Unterrichtskonzept
Die Aufgabenstellung ist Kontext Sprudelwasser als schülernahes Alltagsphänomen
interessenorientiert und
entwicklungsbezogen.
Die Handlungsplanung Ziel der Experimente ist die Beantwortung einer prägnanten
erfolgt produktbezogen. Aufgabenstellung sowie die Durchführung eines Forschungsprojekts
mit abschließendem Forschungsbericht zur Frage
„Wie wirkt sich die Änderung von Druck, Temperatur und
Säurekonzentration auf die Löslichkeit von CO2 in Wasser
aus?“
Die soziale Architektur ist Sozialform Partnerarbeit für Durchführung der experimen-
kooperativ.
tellen Arbeiten inklusive Auswertung und Präsentation
Die Themenstellung er- Einführung des Kontextes anhand einer übersprudelnden
folgt situations- und Mineralwasserflasche auf dem Lehrerpult, Problematisierung
problemorientiert. anhand einer Ideensammlung zur Verschiebung dieses
Gleichgewichts im Alltag durch die SuS.
Die Prozesssteuerung Alle drei Parameter können in frei wählbarer Reihenfolge mit
(Verlaufsplanung) ist frei wählbaren experimentellen Ansätzen bearbeitet werden.
offen und produktorien- Lernhilfen stehen zur Verfügung, damit die Fragestellung in
tiert.
jedem Fall durch adäquate experimentelle Ansätze bearbeitet
werden kann.
3.3 Planung der Anschlussreihe
Aus Gründen des Umfangs dieser Arbeit kann auf die weitergehende Erprobung der
ChemZ-Materialien in den Anschlussreihen zum natürlichen und technischen Kalkgleich-
gewicht nicht näher eingegangen werden. Die im Rahmen dieser Arbeit erstellten Ar-
e Die Zukunftsbedeutung ist eine der Leitfragen in Klafki’s Perspektivenschema zur Unterrichtsplanung nach
kritisch-konstruktiver Didaktik.
13

eitsmaterialien zur handlungsorientierten Erarbeitung der Zusammenhänge sind den-
noch im Anhang abgebildet (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.-
Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Die beiden Themen können
in Anbetracht der deutlich unterschiedlichen Zeitrahmen der experimentellen Phasen
nicht arbeitsteilig behandelt werden. In beiden Sequenzen werden erst die Arbeitsaufträ-
ge und das Arbeitsblatt I ausgeteilt, woraufhin die SuS in die Planungsphase für die
durchzuführenden Experimente gehen. Mögliche experimentelle Lösungen für alle Versu-
che zeigen Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. und Fehler!
Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.. Nach der experimentellen Erarbei-
tung der Zusammenhänge wird das ausgefüllte Arbeitsblatt I zusammen mit den jeweili-
gen experimentellen Ansätzen in einem Forschungsbericht präsentiert. Das Arbeitblatt II
soll jeweils im Anschluss an die Präsentationen ausgefüllt und wiederum präsentiert wer-
den. Dadurch, dass die SuS hier ihre Ergebnisse nochmals in einem zusammenhängen-
den Kontext ordnen und gleichzeitig eine schematische Übersicht über die behandelten
Kreisläufe erstellen, erfüllt es eine vertiefende Funktion.
4. Evaluation des Einsatzes der ChemZ- Materialien
4.1 Evaluationskriterien, -indikatoren, und –instrumente
Die Evaluation der Arbeit wurde nach dem Ablaufschema des Evaluationskreislaufs nach
Haun/Schrempf 34 geplant und durchgeführt (Fehler! Verweisquelle konnte nicht ge-
funden werden.). Das Ziel der Evaluation ist die Bewertung des Einsatzes der ChemZ-
Mikrotechnik im HU aus Lehrer- und Schülersicht sowie die Herausarbeitung von Vor- und
Nachteilen.
Das übergeordnete Evaluationskriterium ist die Frage danach, inwieweit die ChemZ-
Materialien ein handlungsorientiertes Unterrichtskonzept, und damit die Erfüllung der in
Kapitel 2.1 ausgeführten theoretischen Anforderungen an den HU ermöglichen. Die An-
forderungen sind zusammen mit den jeweils zugeordneten Indikatoren und den einge-
setzten Instrumenten zur Datenerhebung in Tabelle 3 zusammengestellt.
Die Erfolgsquote der Experimente (siehe Kriterium 1) ist in dieser Arbeit von Bedeutung,
da die besondere Eignung von ChemZ für den HU beurteilt werden soll. Es soll jedoch
nicht unerwähnt bleiben, dass bei Durchführung des HU in Form eines Forschungspro-
jekts das richtige Ergebnis vollkommen selbständig auch durch wissenschaftliche Diskus-
sionen der SuS bei der Präsentation der Forschungsberichte erarbeitet werden kann und
der Erfolg der Experimente in diesem Zusammenhang eine untergeordnete Rolle spielt.
Allerdings verlagert sich auf diese Weise die Erschließung der Lernziele wiederum auf
eine zwar immer noch schülerzentrierte und selbständige, aber dennoch eher kopflastige
Aktivität.
14

Der Aufbau der Lernzielkontrolle basiert auf den Abstraktionsstufen der didaktischen Ana-
lyse der Unterrichtsphasen. In Tabelle 4 sind Aufgaben, Anforderungsbereiche der Aufga-
ben und die damit diagnostizierten erreichten Abstraktionsebenen zusammengestellt.
Tabelle 3: Evaluationskriterien, -indikatoren, und –instrumente dieser Arbeit
Theoretische Anforderungen
/ Kriterien
1 • Offene, produktorientierte
3 Lernumgebung
mit hohem Grad an
Selbständigkeit 4
möglichst hohe Experiment-Erfolgsquote
bei
gleichzeitig hoher Anzahl
an beschrittenen
Lösungswegen
Beobachtungsaspekte (Indikatoren)
• Vielfalt der Lösungsansätze
• Erfolg der schülereigenen
Lösungsansätze /
Planungsmodifikationen
• Sind die gewählten Lösungswege
produkt-
bzw. zielorientiert?
2 • Hohe Schüleraktivität 4 • Wieviele Schüler einer
Gruppe sind gleichzeitig
3 • „Von der Anschaulichkeit
zum Abstrakten“ 8
Abstraktion der Erkenntnisse
anhand des
mit ChemZ praktisch erschlossenenKohlensäurebeispiels
4 • Hohe Verständnistiefe
und Transferierbarkeit
des Wissens
5 • Gute Handhabbarkeit
der Materialien.
tätig?
• Alltagsvorstellungen der
SuS / Schülerhypothesen
• Erreichen der Abstraktionsebene
2
• Erfolgreiche Herleitung
des allgemeinen Prinzips
von LeChatelier
• Aufgaben zum Prinzip
von Le Chatelier (Anwendung
und Transfer)
• Selbständige Lösung
der Aufgaben in der
Einführungsphase
• Vielfalt der Lösungsansätze
• Verschleißhöhe
6 • Hohe Schülermotivation • Positive Schüleräußerungen
• Mitarbeit / Initiative
Tabelle 4: Strukturierung der durchgeführten schriftlichen Lernzielkontrolle
Evaluationsinstrumente
• Beobachtung durch die
Lehrperson im Unterricht
• Laborjournale
• Forschungsberichte
• Beobachtung durch die
Lehrperson im Unterricht
• Brainstorming über Alltagsphänomene
• Laborjournale
(Hypothesenfeld)
• PPT-Forschungsberichte
• Lernzielkontrolle
• AB zu Le Chatelier
• Lernzielkontrolle
• Beobachtung durch die
Lehrperson im Unterricht
• Schüler-Fragebogen
• Beobachtung durch die
Lehrperson im Unterricht
• Schüler-Fragebogen
Aufgabe Gegenstand der Aufgabe AnforderungsAbstraktionsbereichebene 1 Kontext (Mineralwasser) 1 0
2 Ergebnisse des Experiments 1 0
3a Übertragung Mineralwasser Löslichkeit 2 1
3b Übertragung Löslichkeit Gleichgewicht 2 2
3c Anwendung des allgemeinen Prinzips 2 4
4 Transfer des allgemeinen Prinzips 3 4
15

Abstraktionsfähigkeiten können nur im Anforderungsbereich 2 und 3 zuverlässig detek-
tiert werden, da hierdurch eine Reproduktion auswendig gelernten Wissens ausgeschlos-
sen wird.
Aufgrund der in Tabelle 3 erkennbaren mehrfachen Zuordnung einiger Evaluationsin-
strumente zu verschiedenen Kriterien, werden in Kapitel 4.2 zunächst die Analyseergeb-
nisse der Datenerhebungen nach Evaluationsinstrumenten geordnet vorgestellt. Auf de-
ren Basis wird dann in Kapitel 4.3 eine kriteriengeordnete Interpretation zur Bewertung
von ChemZ vorgenommen.
4.2 Durchführung der Reihe und Auswertung der Evaluationsdaten
4.2.1 Beobachtungen im Unterricht (Phasen 1 bis 4 der Reihe)
Einführungsphase: Alle drei von von Borstel vorgeschlagenen Versuchsvarianten zur Be-
stimmung der Löslichkeit von Gasen in Wasser wurden in der Arbeitsphase zur Untersu-
chung der Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser selbstständig und ohne Lernhilfen er-
schlossen (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Die Ergebnisse
für die Löslichkeit lagen im Bereich des Literaturwerts (40ml/l) zwischen 33 und 50 ml/l.
Der Fehlerbereich von ±20% kommt dadurch zustande, dass die Schülergruppen im Ver-
such verschiedene Wassermengen verwendeten und dadurch unterschiedlich genaue
Messergebnisse erhielten. Darüber hinaus fällt bei einer solch geringen Löslichkeit der
Bereich der möglichen Spritzenstempelstellungen für ein gegebenes Gasvolumen von
leicht komprimiertem Gas (Überdruck) bis leicht expandiertem Gas (Unterdruck) ins Ge-
wicht. Die Spritzen sind zwar leichtgängig, dennoch hat der Stempel einer 60ml Spritze z.
B. bei einem Gasvolumen von 20ml einen Spielraum von ±0,5ml, was im Bereich der ge-
ringen Löslichkeit von Sauerstoff leicht einen Fehler von ±50% verursachen kann.
Phase 2: Mineralwasser - Vom Kontext zum Experiment: Den Begriff „Kohlensäure“ kann-
te jeder Schüler aus dem Alltag, der beim „Sprudeln“ ablaufende Prozess sowie die Iden-
tität des beim Sprudeln entweichenden Gases waren den SuS jedoch weitestgehend un-
bekannt. Die angebotenen Lösungen waren jedoch recht kreativ und basierten auf der
Anwendung fundierten chemischen Grundwissens. f Da den SuS jedoch der Zerfall von
Kohlensäure in Wasser und CO2 von der zuvor behandelten Reaktion von Carbonsäuren
mit Kalk bekannt war, gelang eine Schlussfolgerung der Identität des entweichenden Ga-
ses. Weiterhin vermuteten die SuS, dass die Reaktion solange nach rechts ablaufe, bis
keine Kohlensäure mehr im Wasser enthalten sei, „das Wasser schmecke dann fade“.
Somit konnten drei Hypothesen über den beim Sprudeln ablaufenden Prozess an der Ta-
fel zusammengefasst werden (umkreist).
Kohlensäure Kohlenstoffdioxid
f So wurden z. B. Vermutungen geäußert, dass beim Öffnen der Flasche Luftsauerstoff eindringen kann und mit
diesem eine Reaktion stattfindet, worauf das entstehende Reaktionsprodukt aus dem Wasser ausperlt.
16

Die anschließende experimentelle Überprüfung der Hypothesen wurde von den SuS
selbstständig und ohne Anleitung oder Lernhilfen erfolgreich durchgeführt. Das Lösen von
CO2 in Wasser mit ChemZ wurde bereits in der Einführungsphase zur Reihe geübt. Der
Nachweis von Gasen wurde in der Einführungspräsentation nur theoretisch mit veran-
schaulichendem Filmmaterial demonstriert. Trotzdem waren die SuS ohne weiteres in der
Lage, den Kalkwasser-Nachweis durchzuführen. Verwendete Versuchsvarianten sind in
Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. dargestellt.
Beim Lösen von CO2 in Wasser konnten die SuS im Experiment zeigen, dass sich nur eine
bestimmte Menge des Gases in Wasser löst (gesättigte Lösung), die Löslichkeit von CO2
jedoch gegenüber der Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser weitaus höher ist. In der Pro-
blematisierungsphase zu Beginn der Stunde fragte ein Schüler danach, warum sich in
einer Mineralwasserflasche ein Druck aufbaut. Anhand des Vergleichs mit der von den
SuS hergestellten gesättigten CO2-Lösung konnte herausgearbeitet werden, dass es sich
bei Mineralwasser um übersättigte CO2-Lösung handeln muss. In diesem Zusammenhang
war für die SuS auch der wichtige Zusammenhang zwischen Sprudeln und Veränderung
der Löslichkeit von CO2 in Wasser leicht ableitbar.
Tabelle 5: Ergebnisse der Kartenabfrage zu Alltagsphänomenen, bei denen eine Änderung der
Sprudelstärke von Mineralwasser beobachtet werden kann.
Effekt (rote Zettel) Einflussgröße (grüne Zettel)
Umfüllen (z.B. in ein Glas) Bewegung
Apfelschorle sprudelt durch Schütteln oder
Kategorie
Laufen, wenn das Getränk im
Schulranzen verstaut ist
Brausepulver + Wasser ?*
Wasser + Apfelsaft Verdünnung
Sonstiges
Einen anderen Stoff hinzugeben
(z.B. Saft)
Hinzugabe einer Säure
Die Zitrone im Erfrischungsge- Durch die zusätzliche Säure wird
tränk (Cola) die Konzentration erhöht
Konzentration
1 Vitamintablette / 2 Vitamintabletten
Konzentration (?)
Apfelsaft / -schorle Die Konzentration der Säure ist
größer
Wasser einfrieren weniger
Sprudeln
Stillstand der Atome / Moleküle
Wasser sprudelt in einem heißen
Autokofferraum sehr beim
Grad C°
Temperatur
Öffnen im Sommer
Sodaclub (Sprudelwasser) Konzentration an Kohlenstoffdioxid
Druck
*wurde im Unterrichtsgespräch ergänzt mit „chemische Reaktion“
Phase 3 - Die Einflussgrößen: Beim Brainstorming zu den Alltagsphänomenen zeigte sich,
dass die zu untersuchenden Einflussgrößen den SuS aus verschiedenen Situationen im
Alltag alle bekannt waren, so dass auch die Problematisierung komplett durch die SuS
vollzogen werden konnte. Tabelle 5 und Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefun-
17

den werden. zeigen die Ideen, die die SuS bei der Kartenabfrage auf Zetteln zusam-
mentrugen. Die Kategorisierung erfolgte danach durch die gesamte Lerngruppe.
Die physikalische Einflussgröße bei Herstellen von Sprudelwasser in einem Soda-
Streamer (letzter Punkt) wurde im Unterrichtsgespräch ausgeschärft. Die Urheberin der
Idee erläuterte die Hintergründe ihrer Angabe und beschrieb, dass ein Soda-Streamer
Sprudel-Wasser herstellt, indem er das Gas „in hoher Konzentration“ in das Wasser
hineinsprudelt. Es wurde herausgestellt, dass man in der Gasphase nicht von erhöhter
Konzentration sprechen kann, sondern von erhöhtem Druck. Dabei wurde herausgestellt:
„Je mehr Kohlenstoffdioxid im Wasser gelöst wird, desto mehr Kohlensäure hat es“. So
hatten die SuS die Voraussetzungen für die Interpretation der Indikatorfärbung auf Basis
des konkreten Phänomens, ohne den Begriff der Gleichgewichtsverschiebung anwenden
zu müssen. Diesen sollten sie ja erst aus den Versuchsergebnissen ableiten (Abstrakti-
onsebene 2).
Phase 4 - Forschungsprojekt: Im Planungsteil ließ sich bei keiner der Gruppen zu keinem
Zeitpunkt Stagnation aufgrund fehlender Ideen beobachten. Während der Durchführung
musste jedoch an verschiedenen Stellen durch Diskussion im Plenum lenkend eingegrif-
fen werden, um das vermehrte Verfolgen von „Irrwegen“ aufgrund bestimmter Fehlan-
nahmen der SuS zu vermeiden:
• Der Indikator darf nur tropfenweise verwendet werden.
• Der Einfluss des Parameters „Säurekonzentration“ auf die CO2-Löslichkeit wird über
die CO2-Volumendifferenzen in der Spritze ermittelt, während der Einfluss des
„Drucks“ mittels Indikator sichtbar gemacht wird. Diese Hinweise waren ursprünglich
in den abgestuften Lernhilfen enthalten, wurden dann aber vorgezogen mit allen diskutiert
(siehe auch Seite 24 zur „Lernhilfennutzung“).
• Es wurde der Hinweis gegeben, bei der Untersuchung des Druckeinflusses am besten
eine einzelne Spritze (die Spritze mit Loch im Stempel) zu verwenden. Dieser Hinweis
wurde erteilt, da die SuS vermehrt Ansätze verfolgten, bei denen sie einen ursprünglich
ausgeübten Unterdruck in einer Spritze durch „Verteilen“ auf mehrere Spritzen
unbeabsichtigter Weise wieder ausglichen.
Während der Durchführung der experimentellen Arbeit kam es vor, dass durch Unacht-
samkeit beim Experimentieren oder durch Überdruck beim Gasab- bzw. -umfüllen Sprit-
zen zu Boden befördert wurden. In zwei Fällen traten Undichtigkeiten am Stempel der
Spritzen auf. Das transparente Verbindungsstück zur linearen Anordnung zweier Spritzen
erwies sich als nicht robust genug, denn es riss in mehreren Fällen, in denen die Luer
Lock-Verbindungen zu fest hineingedreht wurden.
4.2.2 Laborjournale und Forschungsberichte (Phasen 4 und 5 der Reihe)
Tabelle 6: Schülervorstellungen zum Einfluss verschiedener physikalischer Größen auf die Löslichkeit
von CO2 in Wasser
Einflussgröße Schülerhypothesen
Temperatur 1 Gruppe: richtige Annahme
18

1 Gruppe: unklare Formulierung
4 Gruppen: falsche Annahmen
Druck 3 Gruppen: richtige Annahme
2 Gruppe: falsche Annahme
1 Gruppe: konnte sich nicht entscheiden
Säurekonzentration 1 Gruppe: richtige Annahme
1 Gruppe: unklare Formulierung
4 Gruppen: falsche Annahmen
Schülerhypothesen: In Tabelle 6 sind die in den Laborjournalen festgehaltenen Schü-
lerhypothesen zum Einfluss der physikalischen Größen auf die Löslichkeit von CO2 zu-
sammengefasst.
Experimentelle Vorgehensweisen und Ergebnisse:
Untersuchung der Einflussgröße Temperatur
Nutzung der abgestuften Lernhilfen: keine
Diese Einflussgröße stellte sich als die am leichtesten zu Erschließende heraus. Die La-
borjournale zeigen einheitliche experimentelle Ansätze und Ergebnisse (5 von 6 Gruppen,
Beispiel in Abbildung 6 und Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.),
eine Gruppe untersuchte den Zusammenhang mit der Hahnenbank in verschiedenen
Spritzen parallel (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Die SuS
arbeiteten mit recht unterschiedlicher experimenteller Genauigkeit, Abbildung 6 zeigt ein
eher quantitatives Beispiel. Experimentelle Vielfalt trat bei diesem Parameter vor allem
im Rahmen der unterschiedlichen Kombinierbarkeiten der 2 Spritzen auf. 2 Gruppen un-
tersuchten den Effekt über Unterschiede in der Indikatorfärbung, eine davon notierte und
deutete dann jedoch trotzdem die Volumina gelösten Gases. 5 von 6 Gruppen kamen
zum richtigen Ergebnis.
Untersuchung der Einflussgröße Druck
Nutzung der abgestuften Lernhilfen: 4 Gruppen
4 von 6 Schülergruppen planten zuerst eine Vorgehensweise, bei der sie
naheliegenderweise analog zur Temperatur- oder H + -Ionen-Konzentrationsänderung die
Einflussgröße vor und während des Lösungsprozesses ändern wollten (Laborjournal-
Auszug in Abbildung 9). Durch lückenhaftes physikalisches Grundwissen übersahen die
Gruppen jedoch dabei die Tatsache, dass gemäß ihrer Planung der ursprünglich erzeugte
Unterdruck durch die Inhalte der anderen Spritzen wieder ausgeglichen wird und der Lö-
sungsprozess selber daher unter Normalbedingungen ablaufen würde. Bei einer der 4
Gruppen wurde zudem keine hinlängliche Vermischung von Wasser und CO2 gewährleis-
tet. 2 der 4 Gruppen entschieden sich, die Lernhilfen 5 und 6 für den Parameter Druck zu
nutzen und modifizierten daraufhin ihren ursprünglichen Planungsansatz im Laborjournal.
Sie führten den Versuch mit dem zur Verfügung stehenden Indikator auf die in Kapitel
3.2.1 beschriebene Weise durch und erhielten die richtigen Ergebnisse. 2 der 4 erfolgrei-
19

chen Gruppen deuteten die Indikatorfärbung durch Vergleiche mit indikatorversetztem
abgekochtem Wasser und Mineralwasser (Abbildung 15). Die übrigen 2 Gruppen interpre-
tierten die unterschiedlichen Färbungen auf Basis ihres Erfahrungsschatzes mit Farbab-
stufungen von Universalindikator oder pH-Papier. 2 Gruppen erkannten bei Ausübung des
Unterdrucks die Blasenbildung und deuteten diese Beobachtung richtig. Eine Schüler-
gruppe untersuchte den Einfluss des Überdrucks mit einer gesättigten CO2-Lösung ohne
überstehendes Gasvolumen, korrigierte diese Fehlplanung jedoch während der Durchfüh-
rung. Ein Beispiel eines Laborjournals und eines Forschungsberichts zu diesem Parameter
zeigen Abbildung 7 und Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden..
Untersuchung der Einflussgröße „H + -Ionenkonzentration“
Nutzung der abgestuften Lernhilfen: keine
Die Planungen zeigen, dass die SuS gerade in diesem Fall dazu tendieren, Indikator ein-
zusetzen (3 von 6 Gruppen), um die Unterschiede in der Löslichkeit zu erforschen. Nach
dem helfenden Hinweis für alle (siehe Kapitel 4.2.1) zogen 2 der 3 Gruppen ihre Schluss-
folgerungen in den Beobachtungen erfolgreich aus den gelösten CO2-Volumina. Zwei
Gruppen arbeiteten mit Hahnenbankkonstruktionen, mit denen sie die Unterschiede in
verschiedenen Spritzen parallel untersuchten (Fehler! Verweisquelle konnte nicht
gefunden werden. und Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). 2
Gruppen erkannten den sehr deutlichen Effekt der besseren Löslichkeit von CO2 im basi-
schen Milieu und brachen den Versuch nach wiederholtem vollständigem Lösen einer
Spritze voll CO2 aus Zeitmangel ab. Die Beobachtungen wurden in den meisten Fällen auf
qualitativer Basis notiert. In allen Fällen wurde der Versuch mit verdünnter Säure/Lauge
durchgeführt, die vor dem Einfüllen in die Spritze mit abgekochtem Wasser angefertigt
wurde. 5 von 6 Gruppen kamen zum richtigen Ergebnis (Beispiel in Abbildung 8 und Feh-
ler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.).
Interpretation der Versuchsergebnisse: Der Schritt in die 2. Abstraktionsebene (Lös-
lichkeit Gleichgewichtsverschiebung) erwies sich als nicht ganz einfach. Nur 2 Gruppen
gelang es, die komplett richtige Lösung zu erarbeiten (Erwartungshorizont in Fehler!
Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Den meisten anderen Gruppen
unterliefen Fehler bei der Ergebnisinterpretation mindestens einer der 3 Einflussgrößen.
Nur einer Gruppe gelang es überhaupt nicht, die Ergebnisse im Sinne einer Gleichge-
wichtsverschiebung zu deuten. Einer Gruppe gelang die richtige Interpretation, sie wen-
dete zur Beschreibung jedoch nicht den Fachbegriff der Gleichgewichtsverschiebung an.
Sie schrieb zum Beispiel „Das Gleichgewicht wird … verändert (CO2-Aufnahme)“.
4.2.3 Arbeitsblatt zu Le Chatelier (Phase 6 der Reihe)
Nach der Ergebnisinterpretation sollten sie SuS in Einzelarbeit das konkrete Beispiel auf
dem Arbeitsblatt zu Le Chatelier bearbeiten. Das Beispiel wurde dann jedoch gemeinsam
20

im Unterrichtsgespräch erarbeitet, denn der kognitive Schritt, der notwendig ist, um nach
der Verschiebung des Gleichgewichts durch Änderung einer Einflussgröße wieder die Ein-
flussgröße selbst zu betrachten, erwies sich als zu abstrakt, um in Einzelarbeit bewältigt
werden zu können (nur 2/12 SuS gelang dies). Nachdem dieser Rückbezug jedoch ge-
meinsam vollzogen war, gelang es den SuS, wiederum in Einzelarbeit, die folgende Ta-
belle auf dem Arbeitsblatt auszufüllen. Die für den Temperaturaspekt zur Verfügung ste-
hende Lernhilfe wurde nicht genutzt, denn es zeigte sich, dass das notwendige Vorwissen
der Energetik chemischer Reaktionen bei den SuS abrufbar war und somit die Auswir-
kungen auf die Umgebungstemperatur problemlos geschlussfolgert werden konnte. Das
Arbeitsblatt sollte daraufhin vervollständigt werden und das allgemeine Prinzip von Le
Chatelier nach den vorgegebenen Schritten abgeleitet werden. Bei der Auswertung des
eingesammelten Arbeitsblattes zeigte sich, dass alle SuS in der Lage waren, jeweils den
entgegengesetzten Charakter der Richtungen ursprünglicher Änderung und aus der
Gleichgewichtsverschiebung resultierender Änderung der Einflussgröße zu erkennen. Nur
2/12 SuS waren jedoch in der Lage, den Satz zum allgemeinen Prinzip von Le Chatelier
fachlich richtig zu formulieren (Beispiel in Abbildung 16).
4.2.4 Bewertungsbogen für Schülerinnen und Schüler und Lernzielkontrolle (Phase 7 der
Reihe)
Erreichte Wertung
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
1 2 3 4
Frage
Grafik 1: Durchschnittliche Punktewertung der SuS laut Bewertungsbogen zur Verwendung der ChemZ-
Materialien (maximal 10 erreichbare Punkte)
Die Ergebnisse des Bewertungsbogens für Schülerinnen und Schüler zeigt Grafik 1. Die
Schüleräußerungen zu den Fragen 5-7 sind darunter aufgelistet. Die Standardabweichung
(Fehlerbalken) ist ein Maß für die Streuung und gibt einen Hinweis darauf, inwieweit die
Meinungen der SuS in dem jeweiligen Punkt auseinander gingen.
Frage 5: Hier traten beim Umgang mit den Materialien Probleme auf:
Frage 1: Hat dir das Experimentieren
mit ChemZ
Spaß gemacht? (10 Punkte:
sehr viel)
Frage 2: Wie leicht fiel dir
der Umgang mit den Materialien
im Vergleich zu
herkömmlichen Laborgeräten?
(10 Punkte: sehr
leicht)
Frage 3: Bist du mit
ChemZ leichter zu experimentellen
Ergebnissen
gekommen? (10 Punkte:
viel leichter)
Frage 4: Hat ChemZ deine
Kreativität angeregt? (10
Punkte: sehr stark)
• Haltbarkeit: Verbindungsstück war nicht ganz dicht verfälschtes Ergebnis (5x)
21

• Haltbarkeit: Undichte Spritzen (2x)
• Ablesen der Ergebnisse
• Gab es keine, da man die Geräte nicht kaputt machen konnte
• Das Material war nicht robust genug
Frage 6: Nenne deine Ideen zur Verbesserung des Materials bzw. zur Ergänzung der
Koffer:
• Keine (2x)
• Einheitliche Öffnungsgröße der Spritzen, damit alle miteinander verbunden werden
können
• Robustere/stabilere Materialien
• Ich sehe keine Möglichkeit, diesen zu verbessern, da alles vorhanden war
• Der Koffer ist gut!
Frage 7: Dieser Aspekt an der durchgeführten Unterrichtsreihe zu Le Chatelier hat mir
besonders gefallen:
• Dass wir selbständig Experimente planen und durchführen konnten (2x) und die
PPT als Ergebnispräsentation
• Tabelle zur Veränderung des Gleichgewichts und der Einflussgrößen
• Man konnte viel selber machen (2x)
• Einflussgröße „Temperatur“
• Wir konnten frei experimentieren (2x)
• Das Ende, wo ich genau wusste, worum es ging (Prinzip von Le Chatelier)
• Alles
• Die Kreativität mit dem Koffer während der Unterrichtsreihe
• Wenig Theorie!
Dieser Aspekt an der durchgeführten Unterrichtsreihe zu Le Chatelier hat mir eher weniger
gefallen:
• Das Ergebnis zu finden bzw. sich zu erschließen, war schwer
• Einflussgröße Konzentration
• Manchmal zu wenig Zeit (2x)
• Die Größe „Druck“ war sehr schwierig umzusetzen
• Zum Ende hin kam wieder Theorie auf die Tagesordnung
Mithilfe der Lernzielkontrolle (Erwartungshorizont in Abbildung 17) sollte analysiert wer-
den, ob die SuS die mit der jeweiligen Aufgabe verknüpfte Abstraktionsebene erreichen
konnten. Deshalb wurde weniger die Vollständigkeit der Erläuterungen z.B. bezüglich der
verwendeten Fachbegriffe oder der sprachlichen Exaktheit der Ausführungen beurteilt,
sondern die aus der Antwort zu schlussfolgernde Verständnistiefe des generellen Zu-
sammenhangs. Hierzu wurden die Antworten der SuS zu jeder Aufgabe in 3 verschiedene
22

Kategorien eingeteilt (Abstraktionsebene erreicht / in Ansätzen erreicht / nicht erreicht).
Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. bis Fehler! Verweisquelle
konnte nicht gefunden werden. zeigen Beispiele der Lernzielkontrollen von Schülern
mit hohem, mittlerem und geringem Lernerfolg. Grafik 2 zeigt die Anzahl der SuS, für die
anhand ihrer Antworten das Erreichen bzw. nicht Nichterreichen der jeweils mit der Frage
verbundenen Abstraktionsebene diagnostiziert werden konnte.
4
6
5
2 2
8
11
5 5 5
4
Frage AE0 1 Frage AE0 2 Frage AE1 3a Frage AE2 3b Frage AE4 3c Frage AE4
4
Grafik 2: Anzahl der SuS, die die in der schriftlichen Lernzielkontrolle abgefragten Abstraktionsebenen
(AE) erreichten (+), in Ansätzen erreichten (+/-), bzw. nicht erreichten (-) (von 12
Teilnehmerinnen).
4.3 Interpretation der Evaluationsdaten
4.3.1 Offene produktorientierte Prozesssteuerung und Selbständigkeit
Vielseitigkeit der Lösungsansätze: Diese kam vor allem in unterschiedlich kombinierten
Spritzen zur Herstellung der CO2-Lösungen zum Ausdruck (linear, gewinkelt, Hahnen-
bank). Vergleiche wurden sequentiell oder parallel (Hahnenbank) durchgeführt. Für jede
der Einflussgrößen wurde sowohl ein Vergleiche von Indikatorfärbungen als auch der Än-
derung des Gasvolumens geplant. Bunte Geräte wie die Hahnenbank laden zur Verwen-
dung geradezu ein, regen die Kreativität an und geben mehr Planungsfreiheit. Dies resul-
tierte in einigen Fällen in aufwendigen Konstruktionen und –abläufen, die über Umwege
aber letztlich zum Ziel führten (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden wer-
den.).
Die Ergebnisse belegen, dass die ChemZ-Mikrotechnik verschiedene Möglichkeiten für
jede Schülergruppe eröffnet, das Forschungsexperiment in einer individuellen Weise
durchzuführen, sei es durch eine grundsätzlich unterschiedliche Herangehensweise (CO2-
Volumen vs. Indikatorfärbung) oder nur durch einen Unterschied im experimentellen
Aufbau (linear vs. gewinkelt kombinierte Spritzen). Die vielseitigen Varianten zu den ge-
wünschten Ergebnissen zu kommen, machen es den SuS möglich, ihr Experiment auf
individuelle Weise und somit als ihr eigenes Produkt zu erleben. Die Ergebnisse der Schü-
1
2
6
1
5
+
+/-
-
23

lerumfrage (Grafik 1) zeigen zudem, dass auch die SuS selbst der Auffassung sind,
ChemZ hätte sie auf besonders viele kreative Ideen gebracht (Frage 5, 7,0±2,3/10 Punk-
te).
Erfolgsquote: Die Auswertung von Laborjournalen und Forschungsberichten ergab, dass
trotz vollkommen freier Planung der Experimente durch die SuS jeweils 5 von 6 Schüler-
gruppen für die Parameter „Temperatur“ und „Säurekonzentration“ und 4 von 6 Schüler-
gruppen für den Parameter „Druck“ das richtige Ergebnis mit ihrem Experiment erzielten.
Erfolg bei eigengeplanten Experimenten wirkt besonders motivierend, da die SuS auf-
grund der Identifikation mit dem Produkt ein besonderes Interesse daran haben, dass es
funktioniert und ihr Ansatz in der Diskussion besteht.
Nutzung der abgestuften Lernhilfen: Ideenmangel in der Planungsphase, der durch Nut-
zung des Leitfragenkatalogs kompensiert werden sollte, trat durch die Vielfältigkeit der
ChemZ-Materialien und der damit einhergehenden möglichen Lösungsansätze nicht auf.
Aber auch die konkreten Lösungsansätze zur Versuchsdurchführung wurden lediglich zur
Strategiekorrektur nach dem lenkenden Hinweis zum Parameter Druck genutzt. Zwei
Schülergruppen griffen hier geleitet vom Leitfragenkatalog zu Tipp 6 und 7. Die verhalte-
ne Nutzung der kann wie folgt erklärt werden: Im selbständigen Teil des HU bekommen
die SuS keinerlei Feedback über Ideen, experimentelle Durchführung und Versuchsdeu-
tung. Da es verschiedene Lösungen gibt, die zum Erfolg führen, lässt es sich hier nicht
mit Lösungsblättern arbeiten. Dies hat zur Folge, dass durchgeführte Experimente oder
erzielte Ergebnisse größtenteils unreflektiert bleiben. Da die SuS selbst die Fähigkeit zur
kritischen Hinterfragung ihrer eigenen Versuchergebnisse nicht besitzen, werden die
Lernhilfen auch als Überprüfungsmethode nicht genutzt.
Eingriffe in die selbständige Arbeitsphase: In der durchgeführten Reihe waren leitende
Eingriffe nur in Ausnahmefällen (z.B. bei der Einflussgröße „Druck“) notwendig. Obwohl
im HU solche Maßnahmen auf ein Minimum reduziert bleiben sollten, ist es essentiell,
während der selbständigen Arbeitsphase der SuS aufmerksame Beobachtungen durchzu-
führen, um eventuelle Schwierigkeiten, die gehäuft auftreten und bei Lerngruppenanaly-
se und Unterrichtsplanung nicht erkannt worden sind, zu detektieren. Mühlhausen 35 plä-
diert im Sinne der „Offenheit in der konkreten Situation“ für eine situative Unterrichts-
planung; alternative Vorgehensweisen und Improvisationsmöglichkeiten müssen in der
Planung von vorneherein stärker mitbedacht werden. Im Allgemeinen ist zu beachten,
dass eine vorhergehende Berücksichtigung aller denkbarer kognitiver Prozesse und Ein-
zelschritte für einen solch komplexen Arbeitsauftrag unmöglich ist. 36,g Über die oben er-
g Ein solcher Ansatz ist auch die Grundlage wichtiger „emprisch-analytischer“ didaktischer Modelle, wie z.B.
dem Berliner Modell. Mit diesen kann Unterricht theoriegeleitet geplant werden, sie erheben aber nicht den
Anspruch, Voraussagen für den singulären didaktischen Akt im Unterricht treffen zu können. Eine Optimierung
von Unterricht kommt dadurch zustande, dass für bestimmte Unterrichtssituationen bei der Reflexion das erforderliche
theoretische Äquivalent gebildet werden kann, das dann bei der Neuplanung berücksichtigt wird.
24

wähnte detaillierte Lerngruppenanalyse hinaus sind für die Optimierung der didaktischen
Strukturierung eines offenen Lernprozesses daher die Unterrichtsreflexion und die Um-
setzung der Erkenntnisse bei der Neuplanung von besonderer Bedeutung.
Produktorientierung: Fehlplanungen wurden in einigen der beobachteten Fälle durch un-
zureichende „Produktorientierung“ verursacht, d.h. die zu beantwortende konkrete Fra-
gestellung wurde aus den Augen verloren oder verwässert. So fiel es den SuS zum Bei-
spiel schwer, ihre Versuchsbeobachtungen bei Formulierung des Versuchsergebnisses auf
die Ausgangsfragestellung zu beziehen. h
Die bevorzugte Verwendung des Indikators bei Untersuchung des Einflusses der H + -
Ionenkonzentration zeigt, wie assoziationsgesteuert die Handlungsentscheidungen der
SuS sind. Durch den Einsatz von Säure und Lauge lag für sie die Verwendung eines Indi-
kators nahe, auch wenn dieser gerade durch die Verwendung von Säure und Lauge in
diesem Fall nicht zur Indikation einer Löslichkeitsänderung von CO2 in Wasser geeignet
ist. Im Gegensatz dazu entschieden sich die SuS bei der Untersuchung der Einflussgröße
„Druck“, die Löslichkeitsänderung des CO2 anhand einer Volumenänderung des überste-
henden Gases zu ermitteln. Auch hier lässt sich eine assoziativ motivierte Planungsent-
scheidung zwischen Art und Weise, wie die Änderung der Einflussgröße herbeigeführt
wird und wie die geänderte Löslichkeit abgelesen werden soll (beides Änderung der Sprit-
zenstempelposition), vermuten. Diese Tatsache sollte idealerweise bei der Unterrichts-
planung berücksichtigt werden und kann mit entsprechenden Impulsen auf Arbeitsblatt
und Laborjournal gesteuert werden. Bei der Durchführung der vorliegenden Reihe führte
sie zu einem lenkenden Eingriff in das Unterrichtsgeschehen (Kapitel 4.2.1).
Es ist zu erwarten, dass aus der sukzessiven Optimierung der Methodenkompetenz der
SuS, die die wiederholte Durchführung handlungsorientierter Verfahren mit sich bringt,
sowohl eine Verringerung der Anzahl notwendiger Eingriffe durch den L im HU als auch
eine konsequentere Produktorientierung der SuS resultieren.
An verschiedenen Stellen war ein eigeninitiiertes produktorientiertes Vorgehen im Sinne
der Stufen des entdeckenden Unterrichtsverfahrens nach Kerchensteiner (Seite 3) zu
beobachten. 3 Gruppen nahmen, ohne dass es eine entsprechende Arbeitsanweisung gab,
in Laborjournal und Forschungsbericht Bezug auf ihre anfänglichen Hypothesen (Beispiel
h Beispiel: Zur Untersuchung des Einflusses der H + -Ionenkonzentration gelang es allen Schülern, wahrscheinlich
unterstützt durch die Liste der zur Verfügung stehenden Materialien, zu erkennen, dass dem abgekochten Wasser
Salzsäure bzw. Natronlauge zugesetzt werden muss, um den Parameter zu variieren. Keiner der Schüler
bezog jedoch selbständig das Versuchsergebnis auf die „H + -Ionenkonzentration“. Die von den SuS formulierten
Ergebnisse lauteten zum Beispiel: „In einer Base löst sich mehr Kohlenstoffdioxid als in einer Säure.“ (siehe z.B.
Forschungsbericht in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.).
Als Lösungsoption bieten sich hier zusätzliche Hinweise im Arbeitsblatt zur Versuchsdurchführung oder vorgegebene
Impulse in den Ergebnisfeldern von Laborjournal und Forschungsbericht zur effektiven Unterstützung
der Produktorientierung an. Konkret könnte dies zum Beispiel durch vorgegebene leitende Teilsätze wie „Eine
Erhöhung der H + -Ionenkonzentration bewirkt…„ und „Eine Verringerung der H + -Ionenkonzentration bewirkt…„
erzielt werden.
25

in Abbildung 6 im Abschnitt „Ergebnis“), und schlossen damit den Kreis der Einzelschritte
eines typischen naturwissenschaftlichen forschenden Vorgehens. Dies trat vor allem in
den Fällen auf, in denen anfängliche Vorstellungen und erzielte Ergebnisse nicht überein-
stimmten. Dies zeigt, dass die SuS den Forschungsauftrag, die ChemZ vermittelte, offene
Lernumgebung sowie kognitive Dissonanzen als so motivierend erleben, dass sie dann ihr
Forschungsvorhaben eigenverantwortlich verfolgen.
4.3.2 Schüleraktivität
Die beobachtete Schüleraktivität und der Anteil echter Lernzeit waren während der ge-
samten Durchführung der selbständigen Forschungsaufgabe im Bereich des Maximums.
Für die Planung und Durchführung der Versuche erwies sich Partnerarbeit als ideal. Soll
gleichzeitig ein ausführlicher Bericht angefertigt werden, so kann die Gruppe auch auf 3
SuS vergrößert werden. Auch hier wird durch die Vielseitigkeit der zur Verfügung stehen-
den Materialien und der für die Durchführung eines Versuchs notwendigen Tätigkeiten
(Wasser holen, Gas abfüllen, Spritzen schütteln, passende Geräte aus dem Kasten zu-
sammensuchen und neue Kombinationen ausprobieren) die Schüleraktivität nicht weit
unter die hier beobachtete sinken, während die Anzahl der benötigte US wird verringert
wird.
4.3.3 Abstraktion der Erkenntnisse auf Basis des mit ChemZ erschlossenen konkreten
Beispiels
Schülerkonzepte zum Einfluss von Temperatur, Druck und Säurekonzentration
auf das Kohlensäuregleichgewicht: Die Schülerhypothesen (Tabelle 6) zeigen, dass
trotz des Einsatzes von Materialien, die einen hohen Lebensweltbezug für die SuS bieten,
diese ihre Kenntnisse aus dem Alltag nicht in den Laborversuch „mitnehmen“. War noch
in der Brainstormingphase für alle Schüler klar, was im sonnen-beschienenen Autokoffer-
raum mit darin lagerndem Mineralwasser passiert, so vermutete ein Großteil der SuS im
Kontext der wissenschaftlichen Untersuchung bei der Hypothesenbildung genau das Ge-
genteil. Dies liegt zum einen daran, dass einige SuS den ersten Abstraktionsschritt nicht
vollzogen haben (s.u.), sicherlich aber auch an der wissenschaftlichen Konfiguration des
Umfelds im Experiment, mit allen zugehörigen Elementen wie Experimentplanung, Proto-
kollführung, und Ergebnisinterpretation. In dieser befinden sich die SuS in einer für sie
„artifiziellen“ Umgebung, in der die Problematik unter Umständen von einer neuen Per-
spektive aus neu durchdacht wird. i Dadurch, dass die Experimente im „didaktisch ge-
i Die Fehlannahmen der SuS sind jedoch, wie das folgende Beispiel zeigt, durchaus vorwissenbasiert und von
nachvollziehbarer Logik:
Die Annahme der sinkenden Löslichkeit von CO2 in Wasser bei steigender Säurekonzentration beruhte auf einer
Vorstellung aus den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen der organischen Chemie, wie aus einer erläuterten Hypothese
in einem der Forschungsberichte hervorgeht: „…Wir denken, dass sich mehr CO2 lösen lässt, wenn man
eine Säure hinzu gibt, da bei Zugabe von CO2 sich eine säurehaltige Lösung bildet und sich bekanntlich Gleiches
in Gleichem besser löst als was Anderes.“
26

schützten Raum“ Schule stattfinden, lässt sich dieses Problem durch das Erschaffen mög-
lichst lebensnaher Experimentiersituationen nur vermindern und wahrscheinlich nie ganz
vermeiden. Eine nahezu nahtlose Anknüpfung wissenschaftlicher Experimente an Schü-
lervorstellungen kann somit nur durch Freihandversuche, die möglichst situativ in der
häuslichen Umgebung durchgeführt werden, erzielt werden. Auf der anderen Seite führen
die Fehlannahmen aber auch zu kognitiven Dissonanzen, die nach Roth, das aktive Den-
ken fördern und somit ein effektiveres Lernen ermöglichen (siehe auch Kapitel 4.3.1,
letzter Absatz). 37 Dies konnte durch den hohen Lernerfolg der in dieser Arbeit durchge-
führten Unterrichtsreihe bestätigt werden.
Abstraktionsebene 1: Dieser Schritt wurde im Rahmen der Diskussion der Brainstor-
ming-Ergebnisse im Unterrichtsgespräch vollzogen. In der abschließenden Lernzielkon-
trolle (Aufgabe 3a) zeigte sich, dass den Zusammenhang zwischen frei werdendem CO2
und sich ändernder Löslichkeit 8 von 12 SuS begriffen hatten.
Abstraktionsebene 2: Trotz der Schwierigkeiten, die aus den Forschungsberichten her-
vorgehen, zeigte sich in der Lernzielkontrolle, dass dieser Abstraktionsschritt durch die
Diskussion mit den präsentierenden Gruppen im Rahmen der Forschungsberichte von
einem Großteil der Lerngruppe erfolgreich absolviert wurde, denn die entsprechende Auf-
gabe (3b) wurde von 10/12 SuS richtig gelöst.
Abstraktionsebenen 3 und 4: Laut Grafik 2 waren nach der Erschließung des Prinzips
mit dem Arbeitsblatt trotz fehlender Verbalisierungskompetenz nur 2/12 SuS gar nicht in
der Lage das Prinzip anzuwenden und ein Phänomen aus demselben Kontext mit dessen
Hilfe zu erklären (Aufgabe 3c).
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Abstraktion der mittels ChemZ am konkreten Beispiel
erarbeiteten Erkenntnisse durch ein Großteil der SuS vollzogen werden konnte.
4.3.4 Verständnistiefe und Transferierbarkeit des Wissens
Die Verständnistiefe und Transferierbarkeit des Wissens wurde zur Evaluation in dieser
Arbeit aus den Ergebnissen der Lernzielkontrolle abgeleitet. Es wird sich jedoch auch in
der nachfolgenden Reihe zum natürlichen und technischen Kalkkreislauf zeigen, wie ab-
rufbar das Erlernte ist und wie gut dementsprechend die selbständige Erarbeitung der
Zusammenhänge gelingt.
Grafik 2 ist zu entnehmen, dass nur 5/12 SuS nicht in der Lage waren, das Prinzip von Le
Chatelier auf einen anderen Kontext zu transferieren (Aufgabe 4). Eine eingehendere
Analyse der Ergebnisse der einzelnen SuS (Ergebnisse nicht abgebildet) zeigte, dass nur
1/12 SuS weder zur Anwendung noch zum Transfer des Gelernten in der Lage war. Unter
Berücksichtigung der Tatsache, dass die Lernzielkontrolle ohne vorhergehende weitere
Übungs-/Vertiefungsaufgaben durchgeführt wurde, zeugt dies von einem beachtlichen
Lernerfolg.
27

4.3.5 Handhabbarkeit der Materialien
Die Experimente in Phase 1 und 2 zeigen, dass die Handhabung der Materialien äußerst
intuitiv zu erschließen ist und die wenigen Handgriffe, die notwendig sind, um die Sprit-
zen zu kombinieren und zu füllen, für die SuS sehr schnell in Routine übergehen. Die Er-
gänzungsidee eines Schülers zum ChemZ-Koffer, die „Spritzen mit einheitlichen Öffnun-
gen zu versehen, damit alle Spritzen miteinander verbunden werden können“, zeigt je-
doch auch, dass sich zumindest einigen SuS das volle Potential der Materialien im Rah-
men der ersten wenigen Anwendungen noch nicht erschlossen hat.
Der beobachtete Verschleiß war der den Schülerfragebögen zu entnehmende hauptsäch-
liche Beanstandungspunkt der SuS bei Bewertung der ChemZ-Koffer. Sowohl der Lehrer-
koffer, als auch das mitgelieferte Ersatzteilset bieten Ersatzspritzen, so dass es möglich
ist, undichte Spritzen sofort zu ersetzen. Die Ersatzteilsets bieten in ausreichender
Stückzahl jedoch in nur 3-Wege-Verbinder, die sich als robuster als die linearen Varian-
ten erwiesen und in der durchgeführten Sequenz keinen Schaden nahmen. Ein Ansatz zur
Optimierung der Sets bestünde demnach in der Erhöhung der Stückzahl transparenter
Linearverbinder im Ersatzteilkoffer. Alternativ ließe sich der transparente Verbinder aber
auch vollständig durch den 3-Wege-Hahn austauschen.
Hinsichtlich der Verluste ist zu beachten, dass die Materialien besonders im Vergleich zu
den herkömmlich verwendeten Kolbenprobern preiswert zu ersetzen sind. So wären die
beobachteten Fälle, in denen SuS Spritzen fallen ließen, bei Verwendung von Glasprobern
mit erheblichen Kosten verbunden gewesen. Allerdings lädt die offensichtliche Robustheit
der Materialien geradezu dazu ein, mit ihnen „rauer“ umzugehen als mit Glasgeräten. Der
Verschleiß lässt sich durch Optimierung der Methodenkompetenz im Umgang mit den
Materialien durch wiederholten Einsatz sicher minimieren.
Dem Schülerfragebogen ist darüber hinaus zu entnehmen, dass die SuS den Umgang mit
den ChemZ-Materialien im Vergleich zu herkömmlichen Laborgeräten als leichter empfin-
den (Frage 2; 7,1±1,2/10 Punkten) und meinen, trotz der Anwendung im Rahmen der
recht komplexen Thematik des Kohlensäuregleichgewichts, damit auch ein wenig leichter
zu experimentellen Ergebnissen zu kommen (Frage 3; 6,0±1,1/10 Punkten).
4.3.6 Schülermotivation
Die Motivation der SuS erwies sich als durchgehend äußert hoch, denn unabhängig der
Leistungsstärke der SuS konnte ein überdurchschnittliches Engagement und ein beson-
ders bei den Diskussionen mit dem Partner in der Planungsphase erkennbarer anhalten-
der Enthusiasmus beobachtet werden. Die SuS selbst bewerteten die Arbeit mit den Ma-
terialien laut Fragebogen ebenfalls positiv (Frage 1; 7,7±1,1/10 Punkte).
Der handlungsorientierte Rahmen der Reihe war ein essentieller motivierender Faktor,
wie sich den Schüleräußerungen zu Frage 11 des Bewertungsbogens für SuS entnehmen
28

lässt. Die SuS erleben die Reihe durch den hohen Anteil selbständigen eigenen Tuns als
Unterricht mit „wenig Theorie“ (Schüleräußerung zu Frage 7), obwohl viel Theorie vermit-
telt wird.
Das Laborjournal war zwar mit sehr hohem Schreibaufwand verbunden, was für die SuS
in sofern demotivierenden Charakter hätte haben können, da diese Tätigkeit etwas den
„Forscherdrang“ hemmen kann, es zeigte sich jedoch, dass insgesamt eher das Gegenteil
der Fall war. Die Durchführung des experimentellen Teils in Form eines berufsweltkon-
formen Forschungsprojekts wirkte durch den hohen Grad an Authentizität motivierend
auf die SuS. Auch der Medieneinsatz „PowerPoint-Präsentation“ zur Ergebnispräsentation
erwies sich als äußerst motivierender Faktor, den die SuS extensiv nutzten und vor allem
beim Einbau der Versuchsskizzen viel Geschick an den Tag legten (Fehler! Verweis-
quelle konnte nicht gefunden werden. - Fehler! Verweisquelle konnte nicht ge-
funden werden.). Dadurch, dass der eigenentwickelte Versuchsaufbau mittels Foto in
die Ergebnispräsentation eingebracht werden konnte, wird die Identifikation mit dem
Produkt bis zum Forschungsbericht auf hohem Niveau beibehalten. Dies belegen auch die
positiven Rückmeldungen im Schülerfragebogen zur PPT-Präsentation der Ergebnisse.
5. Zusammenfassende Bewertung des Einsatzes der ChemZ-Materialien im
handlungsorientierten Unterricht
Die Erprobung und Evaluation des Einsatzes von ChemZ im Rahmen der für diese Arbeit
ausgearbeiteten Reihe wurde nach den didaktischen Qualitätskriterien des handlungsori-
entierten Unterrichts nach Meyer et al. 9 durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die
ChemZ-Mikrotechnik zum Einsatz in handlungsorientierten Unterrichtsverfahren sehr gut
geeignet ist und deren Anwendung unterstützt bzw. ermöglicht. Da aufgrund der erst
kürzlichen Lieferung der ChemZ-Koffer in meiner Ausbildungsschule bisher noch keine
Erfahrungen mit der unterrichtlichen Anwendung der Materialien gesammelt werden
konnten, bieten die Ergebnisse dieser Arbeit für meine Schule nutzbare Anhaltspunkte,
um ChemZ in Zukunft gewinnbringend einsetzen zu können.
Die Ergebnisse der Evaluation sollen im Folgenden kurz zusammengefasst werden:
• Die ChemZ-Koffer regten durch die Vielseitigkeit und die vielfältige Kombinierbarkeit
der darin enthaltenden Materialien die Kreativität an.
• Durch die Verwendung der Materialien entwickelten die SuS zahlreiche individuelle
Lösungswege und Ideen für experimentelle Umsetzungsvarianten.
• Die eigengeplanten Experimente führten sehr häufig zum Erfolg und zu richtigen Ergebnissen.
• Der Einsatz von ChemZ führte zu maximaler Schüleraktivität und einem sehr hohen
Anteil echter Lernzeit im selbständigen Arbeitsteil.
29

• Der Umgang mit den Materialien lässt sich für „Neulinge“ intuitiv und ohne Lernhilfen
erschließen. Aus Schülersicht wird er verglichen mit herkömmlichen Laborgeräten als
einfacher empfunden.
• Einige Spritzen und transparente Linearverbinder wurden während der experimentellen
Arbeit undicht. Dies stellt in Anbetracht der geringen Ersatzteilkosten jedoch kein
Problem dar.
• Die Abstraktion der Erkenntnisse gelang einem Großteil der SuS auf Basis eines einzigen
konkreten Beispiels (Kohlensäuregleichgewicht), anhand dessen der Einfluss aller
drei physikalischen Parameter erarbeitet wurde.
• Nach Durchführung der Reihe war nur 1 von 12 SuS weder in der Lage, das Prinzip
von Le Chatelier auf eine neue Aufgabenstellung im Rahmen des Kohlensäurekontexts
anzuwenden noch auf einen neuen Kontext zu transferieren. Dies zeigt den beachtlichen
Lernerfolg, der mit der Unterrichtsreihe erzielt wurde.
• Die SuS widmeten sich ihrer Aufgabe mit überdurchschnittlichem Engagement und
erlebten die Arbeit auch aus ihrer Sicht motivierend und als „wenig theoretisch“, obwohl
viel Theorie vermittelt wurde („unbewusstes Lernen“).
• Zur selbstständigen Durchführung einer handlungsorientierten Unterrichtssequenz
benötigen die SuS Methodenkompetenzen auf unterschiedlichsten Gebieten, die durch
wiederholte Durchführung derartiger Unterrichtsformen trainiert werden müssen.
• Der Schwierigkeitsgrad der Aufgabe ist zwar durch verschiedene Maßnahmen (z. B.
Materialliste, Planung des Lernhilfenpools ect.) lerngruppengerecht anpassbar, eine
Durchführung eines solchen Forschungsprojekts als „Selbstlerneinheit“ lässt sich aber
gerade durch die Vielseitigkeit der Lösungsmöglichkeiten nur annähernd realisieren.
6. Ausblick
Die Arbeit zeigt, dass die ChemZ-Materialien besonders für den Einsatz im HU prädesti-
niert sind. Durch sie wird es möglich, die SuS auch Experimente selbständig durchführen
zu lassen, die bisher nur als Lehrerdemoversuch oder unter enger Anleitung als Schüler-
versuch möglich waren. Aus diesen Gründen ist ein vermehrter Einsatz der ChemZ-
Mikrotechnik im Chemieunterricht der Sek. I und Sek. II erstrebenswert. Die Materialien
bieten so zahlreiche Möglichkeiten zur Arbeit mit Gasen, dass es sich anbietet, möglichst
viele der gängigen Experimente in einem handlungsorientierten Rahmen in den Unter-
richt einzubauen.
So können zum Beispiel direkt im Anschluss an die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten
Konzepte zu Le Chatelier und den Kalkkreisläufen 2 Beispiele wichtiger industrieller Syn-
theseverfahren, die auf der Anwendung des Prinzips von Le Chatelier basieren, mit
ChemZ simuliert werden.
Vorschläge zur Simulation der Soda-Herstellung und der Ammoniak-Synthese nach dem
Haber-Bosch-Verfahren im Minimaßstab sind in Fehler! Verweisquelle konnte nicht
gefunden werden. und Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.
dargestellt. Grundlage hierfür bildeten der im Lehrbuch Chemie 2000+, Band 1 38 be-
schriebene Versuch zur Herstellung von Natriumhydrogencarbonat und ein im Experi-
30

mentalvortrag der Philipps-Universität Marburg vorgeschlagener Versuchsaufbau zur
Ammoniaksynthese. 39 Die Versuche wurden im Rahmen dieser Arbeit erprobt aber noch
nicht optimiert.
31

Literatur
1
Rahmenvorgaben des Landesprüfungsamts NRW aus www.studienseminarwuppertal1.nrw.de/studsemwtalinhalt/ausbildung/informationen/infosem/Info%20Pruefungsamt.pdf,
Seiten 26
und 32.
2
Standards für die Kernfunktion Unterrichten aus www.studienseminare-gegym.nrw.de/RE/Hauptseminare/HSFunke/info.ppt,
Seite 6 und 7.
3
Aus: Wiki der Studienseminare NRW,
http://wiki.studienseminare.nrw.de/index.php/2.4_Standards,_Lehrerfunktionen_und_Neue_Medien.
4
Gudjons „Handlungsorientiert Lehren und Lernen“, Klinhardt Bad Heilbrunn (1986).
5
Meyer „Unterrichtsmethoden II: Praxisband“, Cornelsen Scriptor, 13. Auflage (2006), 396ff.
6
Gudjons „Pädagogisches Grundwissen“, Klinkhardt Verlag, 10. Auflage 2008, Seite 254.
7
„Handlungorientierter Unterricht“ aus http://de.wikipedia.org/wiki/Handlungsorientierter_Unterricht.
8
Stangl-Arbeitsblätter zum handlungsorientierten Unterricht aus http://arbeitsblaetter.stangltaller.at/WISSENSCHAFTPAEDAGOGIK/ModellHandlungsorientiert.shtml.
9
Jank, Meyer „Didaktische Modelle“, 5. Auflage 2002, Seite 326ff
10
Bleichroth, Dahncke, Jung, Merzyn, Weltner, „Fachdidaktik Physik“, 2. Auflage 1999, Aulis Deubner, Seite
300.
11
Dewey, „Demokratie und Erziehung“ 3. Auflage 1964, Westermann.
12
„Richtlinien und Lehrpläne für die Sekundärstufe II – Gymnasium/Gesamtschule in Nordrhein-Westfalen –
Chemie“, Ritterbach 1999.
13
„Kernlehrplan Chemie Sekundarstufe I (G8) - Gymnasium/Gesamtschule in Nordrhein-Westfalen“, Ritterbach
2008.
14
Bovet, Huwendieck „Leitfaden Schulpraxis“ 4. Auflage 2008, Cornelsen Scriptor, Seite 43.
15
Jank, Meyer „Didaktische Modelle“, 5. Auflage 2002, Seite 326.
16
Bovet, Huwendieck „Leitfaden Schulpraxis“ 4. Auflage 2008, Cornelsen Scriptor, Seite 125.
17
Wagenschein „Anmerkungen zum exemplarisch-genetischen Prinzip“ in Twellmann (Hrsg.) Handbuch Schule
und Unterricht, Bd. 4.1 Schwann 1981, 178ff.
18 Entwicklungspsychologische Grundlagen in: „Piaget, J (1936), Stuttgart: Klett“, Umsetzung in didaktische
Leitfäden durch: „Aebli, H (1968), 3. Aufl., Stuttgart Klett“.
19 Roth „Pädagogische Psychologie des Lehrens und Lernens”, Schroedel 1963.
20 Becker „Neue Lehr- und Lernformen“ aus http://paedagogik.homepage.t-online.de/n_lernfo.htm#8.
21 Bovet, Huwendieck „Leitfaden Schulpraxis“ 4. Auflage 2008, Cornelsen Scriptor, Seite 48.
22 Bleichroth „Fachdidaktik Physik“, 2. Auflage 1999, Aulis Deubner, Seite 248.
23 Rossa „Chemie Didaktik“, 1. Auflage 2005, Seite 21.
24 „Physikdidaktik“ aus http://de.wikipedia.org/wiki/Physikdidaktik.
25 ChemZ: Chemische Experimente mit medizintechnischem Zubehör, http://www.chemz.de und
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26 Brand-Chemie (http://www.hirsemedia.de/brandchemie/low-cost.html), Peter Schwarz
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(http://www.kappenberg.com/pages/experimente/liste.htm?SORT=lc“), Georg Häusler
(http://www.halbmikrotechnik.de/web/index.htm)
27 von Borstel „Unterrichtsmaterialien“ aus www.lncu.de.
28 von Borstel in „Freiarbeit Luft – Gase, die wir atmen“, 2007, http://www.lehrer-online.de/freiarbeit-luft.php.
29 von Borstel in „Bau eines Feuerlöschers“, 2007, http://www.lehrer-online.de/feuerloescher.php
30 Paschmann, De Vries, Lüchtenborg, Arshadi, Parchmann, „Die Bedeutung der Ozeane im Kohlenstoffkreislauf.
Eine Hinführung zum Begriff des Chemischen Gleichgewichts im Rahmen der Konzeption Chemie im Kontext –
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31 von Borstel, Böhm, Naturwissenschaft im Unterricht Chemie (2006), 96, 34-37.
32 E-mail von Gregor von Borstel an Timo Hagemeister vom 1. April 2009 und
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Tashiro&action=edit&section=1
33 Klafki, W „Zur Unterrichtsplanung im Sinne kritisch-konstruktiver Didaktik“ in König, E (Hrsg.) Diskussion
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34 Bovet, Huwendieck Leitfaden Schulpraxis 4. Auflage 2008, Cornelsen Scriptor, Seite 570.
35 Mühlhausen Überraschungen im Unterricht. Situative Unterrichtsplanung, Beltz, 1994.
36 Paul Heimann: „Didaktik als Theorie und Lehre“, Die Deutsche Schule. Zeitschrift für Erziehungswissenschaft
und Gestaltung der Schulwirklichkeit, 54. Jg. 1962, S. 407-427.
37 Skowronek zitiert nach:
http://bebis.cidsnet.de/weiterbildung/sps/allgemein/bausteine/gestaltung/problemorient.htm
38 Tausch, von Wachtendonk, Chemie 2000+, Band 1, C.C.Buchner 2001.
39 Purkl, S, „Gase im Mikromaßstab“, Protokoll zum Experimentalvortrag, Philipps-Universität Marburg, Wintersemester
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