Natur und Technik

Fallbeispiel Natur und Technik Mittelschule

Der naturwissenschaftliche Erkenntnisweg im Fach Natur und Technik

Der naturwissenschaftliche Erkenntnisweg ist ein systematischer Prozess, der es den Schülerinnen und Schülern ermöglichen soll, Wissen zu erwerben und wissenschaftliches Denken und Strategien zu entwickeln. Mit Hilfe von z. B. Experimenten versuchen die Lernenden Alltagsprobleme oder Phänomene zu verstehen und zu erklären.

Ziele des naturwissenschaftlichen Erkenntnisweges

nachhaltiges Lernen durch praktisches Arbeiten in konkreten Situationen
Einsatz persönlicher Stärken, die sich in weniger praktisch orientierten Fächern nicht zeigen können
Förderung der Motivation durch spannende Experimente

Ziele der Hinführung

Motivation für die Lerninhalte
Erwecken des Entdeckergeistes
Konfrontation mit einem Phänomen
Anknüpfen an das Vorwissen der Lernenden

Ziele der naturwissenschaftlichen Fragestellung

Eingrenzen der Problemstellung
Zielgerichtetes Formulieren einer überprüfbaren Frage, die im Rahmen des Unterrichts beantwortet werden soll
Sammeln von Hypothesen / Vermutungen zur Antwort auf die Fragestellung

Ziele der Erkenntnisgewinnung

Auseinandersetzung mit naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen (Experiment, Versuch, Untersuchung, Beobachtung, …) zur Beantwortung der Fragestellung
Förderung des kritischen, logischen Denkens und der Entdeckung kausaler Zusammenhänge
Steigerung von Interesse und Motivation

Ziele der Erkenntnissicherung

Erlernen von Techniken zum Auswerten und zur Erklärung der Ergebnisse
Dokumentieren der Ergebnisse
Zusammenfassung und Formulieren einer Kernaussage
Überprüfung der formulierten Hypothesen

Ziele der Bewertung & Reflexion

Rückschau auf den Lernweg
Übertragung auf den Alltag und Transfer auf ähnliche Phänomene
Verbalisierung des Gelernten

Abbildung Folie 1-2: © ISB

Abbildung Folie 3-7: © ALP Dillingen

Beispiel: Oxidation von Eisenwolle

Der Versuch „Verbrennung von Eisenwolle“ ist ein klassisches Experiment, bei dem die Lernenden den Verbrennungsvorgang genauer untersuchen können (NT7 2.1 Oxidation). Entgegen der Alltagsvorstellung Verbrennung = Zerstörung/Vernichtung zeigt sich hier, dass bei der Oxidation von Eisen dessen Masse zunimmt und ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften entsteht. Durch die Klärung des Phänomens sollen die Schülerinnen und Schüler wichtige Begriffe (Atom, Molekül, Element, Oxidation, Oxid) begreifen und einordnen können. Für die Phasen Erkenntnisgewinnung und Erkenntnissicherung werden zwei methodische Vorgehensweisen, klassich und digital, gegenüber gestellt.

Phasen 1-2: Hinführung und naturwissenschaftliche Fragestellung

Zur Hinführung demonstriert die Lehrkraft einen Versuch: Es wird Eisenwolle verbrannt und die Eigenschaften von Edukt (Eisenwolle) und Produkt (Eisenoxid) werden verglichen.
Die naturwissenschaftliche Fragestellung könnte lauten: Wie kommt die Veränderung der Eigenschaften von Eisenoxid zustande? Vermutungen werden gesammelt.

Oxidation Eisenwolle — Verbrennen von Eisenwolle © ISB

Tabelle Eigenschaften Eisen und Eisenoxid — Auswertung Verbrennen von Eisenwolle © ISB

Phase 3: Erkenntnisgewinnung

Durchführung der “Verbrennung von Eisenwolle”: Die Massenzunahme wird als klassisches Experiment (links) mit einer Balkenwaage oder digitalen Waage bestimmt. Als alternative Umsetzung ist das digitale interaktive Experiment (rechts) der Seite Chemie interaktiv der Bergischen Universität Wuppertal gegenübergestellt. Das digitale Experiment soll das klassische nicht ersetzen, es bietet aber als Ergänzung einen Erkenntniszugewinn durch die hervorragende Visualisierung und Veranschaulichung der atomaren Strukturen.

Klassisches Experiment

Digitale Animation

Eisenwolle wird auf eine Digitalwaage (oder Balkenwaage) gegeben und die Anfangsmasse notiert.

Die digitale Anwendung wird gestartet, die Versuchsdarstellung besprochen.

Was passiert beim Entzünden der Eisenwolle? Hypothesen werden notiert.

Beobachtung: Die Masse der Eisenwolle nimmt beim Durchglühen zu.

Beobachtung: Die Masse der Eisenwolle nimmt beim Durchglühen zu. Der Versuch kann gestoppt und wieder zurückgespult werden.

Am Ende des Versuchs ist die Eisenwolle ausgeglüht. Eine deutliche Massenzunahme ist feststellbar.

Am Ende der Animation wird eine Massenzunahme angezeigt.

Bei beiden Versuchsformen ist die Erkenntnis, die Massenzunahme der Eisenwolle beim Verbrennen, deutlich zu erkennen. Der digitale Versuch kann beliebig oft einfach wiederholt werden. Die Visualisierung ist gut. Der wesentliche Vorteil des realen Versuchs sind die sinnlichen Eindrücke (riechen, hören, sehen und fühlen), die die Lernenden erfahren. Außerdem kann das verbrannte Produkt mit der unverbrannten Eisenwolle auch haptisch verglichen werden.

Phase 4: Erkenntnissicherung

Woher kommt die Massenzunahme der Eisenwolle beim Verbrennen? Das Ergebnis des Versuchs wird mit den gesammelten Hypothesen (Veränderung der Stoffeigenschaften) verglichen. Mit Hilfe des Teilchenmodells wird dargestellt, wie die Sauerstoffmoleküle in der Luft mit den Eisenatomen zu dem neuen Stoff Eisenoxid reagieren. Weil hier etwas neu dazugekommen ist, ist dieser Stoff schwerer geworden. Links ist das Teilchenmodell mit Knetmasse dargestellt, rechts als digitale Animation.

Darstellung mit Knete

Digitale Animation

Auf die Waage werden Eisenatome (blau) aus Knete gelegt. Die Bestandteile der Luft, Sauerstoffmoleküle O₂ (rot) und Stickstoffmoleküle N₂ (grün), liegen daneben.

Mit einem Klick kann bei der digitalen Animation auf die molekulare Ebene geschaut werden. Die Eisenatome (grau) werden von O₂ (rot) und N₂ (grün) aus der Luft umschwirrt.

Spielerisch entdecken die Schülerinnen und Schüler, dass die Sauerstoffteilchen auf die Eisenteilchen gelegt zu einer Massenzunahme führen. Die Stickstoffteilchen reagieren nicht.

In der Animation ist schön zu erkennen, dass sich die roten Sauerstoffteilchen mit den grauen Eisenteilchen verbinden und es somit zu einer Massenzunahme kommt.

Aus den Knetekügelchen wird schließlich das Reaktionsprodukt, hier Eisen(III)-Oxid Fe₂O₃, zusammengesetzt.

In der Animation sind Edukte und Produkte tabellarisch angeordnet. In diesem Fall ist das Reaktionsprodukt Eisen(II)-Oxid FeO dargestellt.

Bei der Darstellung mit Knete legen die Lernenden die Kügelchen auf die Waage und erfahren so (allerdings nicht quantitativ) die Massenzunahme bei der Oxidation. Zur Durchführung müssen wenigstens 10-20 Minuten Zeit eingeplant werden.
Die Versuchsauswertung erfolgt bei der digitalen Animation optisch gut dargestellt, eindeutig, schnell und wiederholbar. Der Zusammenhang mit der Flamme kann aufgezeigt werden. Die Rolle der Schülerinnen und Schüler ist hier auf das Beobachten und Verbalisieren beschränkt.

Fazit: Variation der Methoden beim naturwissenschaftlichen Erkenntnisweg

Beim naturwissenschaftlichen Erkenntnisweg bieten sich im naturwissenschaftlichen Unterricht diese Formen an:

Schülerversuch / Lernende experimentieren
Lehrerdemonstrationsversuch
Digitale Animation

Welche Formen sind sinnvoll?

Der Schülerversuch fördert die Motivation und Neugier der Lernenden für die Naturwissenschaften. Die Schülerinnen und Schüler nehmen beim Experimentieren im Unterricht eine aktive Rolle ein und sie können ihre praktische Erfahrung mit der Theorie verknüpfen. Der Schülerversuch ist daher im jeden Fall zu bevorzugen, wenn es die Rahmenbedingungen denn zulassen.
Analoge und digitale Versuche schließen sich nicht aus, sondern ergänzen sich.
Die Originalbegegnung sollte, wann immer möglich, durchgeführt werden.
Nicht sichtbare Vorgänge können durch digitale Tools anschaulich visualisiert werden und unterstützen die Lernenden beim Entwickeln abstrakter Vorstellungen.

Literatur und Quellen

Naturwissenschaftlicher Erkenntnisweg

Material zum Download

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