PETER EULER; ARNE LUCKHAUPT:

HISTORISCHE ZUGÄNGE ZUM VERSTEHEN SYSTEMATISCHER

GRUNDBEGRIFFE UND PRINZIPIEN DER

NATURWISSENSCHAFTENAFL-FRANKFURT, 12/2010

Annemarie Gartz, Sven Heckwolf, Stefanie Lamberth

20.09.2011

Gliederung

• Bildungspolitischer Kontext, Begründung und pädagogische Erläuterung des Konzepts

• Fachpädagogische Diagnostik• Historische Zugänge

• Feuer im Altertum• Stoffbegriff• Alchimie• Verbrennung – Phlogistontheorie• Sauerstofftheorie• Einsatz der Waage in der Chemie

• „Der gefesselte Prometheus“ im Chemieunterricht

Ausgangspunkt der Reform

• Verbesserung des Unterrichts durch schlechte Ergebnisse in Naturwissenschaften

• Wieder aufgekommen durch TIMSS und PISA• Existiert schon seit den 60er Jahren• Klage über geringe Wirksamkeit, sinkende

Motivation, breite Inkompetenz

Umsteuerung auf kompetenz-orientierte Bildungsstandards• Durch TIMSS und PISA gewinnt die eklatante

Schwäche der Naturwissenschaften wieder an öffentlicher Aufmerksamkeit

• Klage der Wirtschaft und der Bildungspolitik um Nachwuchsmangel ökonomisch-politische Auswirkungen

• Soll Kompetenzniveau angehoben werden• Umsteuerung auf Output und

Kompetenzorientierung Paradigmenwechsel

Umsteuerung auf kompetenz-orientierte Bildungsstandards• KMK hat 2004 Bildungsstandards für Sek I im

Bereich Naturwissenschaften verabschiedet• Charakteristikum besteht in der fach- bzw.

domänenspezifischen Kompetenzausrichtung• Versucht sich an verlässlichen und kontrollierbaren

Größen zu orientieren Outputorientierung• Probleme: päd. Kriterien eines veränderten Inputs

für gewünschten Output wird nicht das notwenige Gewicht eingeräumt

Kompetenzstruktur innerhalb der Bildungsstandards• Werden jeweils 4 Kompetenzbereiche

unterschieden:– Fachwissen (chemische Phänomene, Gesetzmäßigkeiten

kennen und Basiskonzepten zuordnen)– Erkenntnisgewinnung (experimentelle und andere

Untersuchungsmethoden sowie Modelle benutzen)– Kommunikation (Informationen sach- und fachbezogen

erschließen und austauschen)– Bewertung (chemische Sachverhalte in verschiedenen

Kontexten erkennen und bewerten)

Kompetenzstruktur innerhalb der Bildungsstandards• Wachsende Bedeutung der Erkenntnisgewinnung,

Kommunikation und Bewertung• Dadurch Ansatzpunkte für ein am Verstehen

orientiertes Unterrichten• Missverständnis: es handle sich um selbstständige

Teilkompetenzen, die isoliert voneinander entwickelt werden können

Das Zusammenspiel der Teile macht die Kompetenz aus

Kompetenzstruktur innerhalb der Bildungsstandards• Fachwissen nimmt Sonderstellung ein• Scharfe Unterscheidung zwischen Fachwissen und

Handlungsdimension kann zum Herabsetzen oder zur Priorisierung von Fachwissen führen widerspricht einer Verstehensorientierung

• Erkenntnisgewinnung muss im Zentrum stehen, da ein Verstehen der Prinzipien im Sinne der Wegfindung von Erkenntnissen verbunden ist

Bedeutung und Funktion der Basiskonzepte• Basiskonzepte im Bereich Fachwissen verankert• Basiskonzepte in der Chemie:

– Stoff-Teilchen-Beziehung– Struktur-Eigenschafts-Beziehung– Chemische Reaktionen– Energetische Betrachtungen bei Stoffumwandlungen

• Zweck der Basiskonzepte: Lernprozess zwischen Wissenschaft und den Lernenden zu vermitteln

Bedeutung und Funktion der Basiskonzepte• Funktion ist weder dem Umfang nach vollständig

beschrieben, noch begründet bzw. ihre Vermittlungsfunktion explizit entwickelt

• Unklar: welche Rolle sie im Unterrichtsgeschehen einnehmen sollen, also– Planungsmittel– Unterrichtsgegenstand– Regulative Idee– BeurteilungskriteriumIm Kompetenztest sind

Bedeutung und Funktion der Basiskonzepte• Weiter unklar: dass die Lernenden die Grundlage

eines systematischen Wissensaufbaus unter fachlicher und gleichzeitig lebensweltlicher Perspektive erwerben

Es muss geklärt werden, was im Zusammenspiel der Kompetenzbereiche „Verstehen“ heißt

Wagenscheins Verstehenskonzept

• Gliedert sich in: das Exemplarisch, das Genetische, das Sokratische

Ist das Erwachen und Werden geistiger Kräfte eines, das sich an ausgewählten Themenkreisen im Gespräch vollzieht, wobei entscheidend ist, dass der Einzelne die Tatsachen und Theorien entdecken kann, in sich entwickelt bzw. nachvollzieht

Die Auffassung von Wissen und Wissenschaft ist keine zu verwaltende tote Wissenschaft fertig und unnahbar, sondern eine lebendigem die den Sachen der Welt Aufforderungscharakter zuschreibt

Wagenscheins Verstehenskonzept die Annäherungsarbeit macht die pädagogische

Erschließungsarbeit der Sachen aus, die einer domänenspezifischen Kompetenzentwicklung eigen sein sollte

Die Lebendigkeit und die geistigen Prozesse, die in die Resultate der Wissenschaften eingegangen sind, zeigen sich in der Geschichte der Wissenschaft Voraussetzung für die Ermöglichung von Verstehen

Geht um die Genesis der Sache, über die man aus der Geschichte Entscheidendes lernen kann

Fachsystematik oder Kontextbezug?

• Grund für Verstehensprobleme ist die strikte Orientierung an der Fachsystematik

• Kontext-Ansatz: Verstehen heißt, handeln zu können, wie ein Wissenschaftler im Labor

• Konflikt: Trivialisierung des Fachs• Geht eher um Verstehen, wie

naturwissenschaftliches Denken und Erkennen tickt• Zentrale Einsicht in Erkenntnisgewinnung,

Bedinungen und Geltungsgründe der Erkenntnis, kulturelle Bedeutung

Verstehen der Wissenschaft heißt, die Wissenschaftlichkeit der Wissenschaft verstehen• Traditionelle Naturwissenschaft: beruht auf methodisch

unterstützen Deutung des anschaulich Gegebenen• Zäsur: systematische Organisation reproduzierbarer

Sachverhalte mittels theoretischer Begriffe und Prinzipien• Unterscheidung der Ebene der Erscheinungen und den

bedingenden Gesetzmäßigkeiten Der Dreh naturwissenschaftlicher Erkenntnis besteht im

spezifischen Zusammenspiel von Denken, Nachdenken und zu erzeugenden empirischen Reaktionen

HPS, STS, Nature of Science

• HPS = History and Philosophy of Science• STS = Science Technologie and Society• Programme sind durch Wissen und Nachdenken über

Naturwissenschaften bestimmt• Wissenschaftliche Forschung und Erkenntnisgewinnung aus

erkenntnistheoretischen Annahmen und Werthaltungen in historisch-politischen Kontexten besteht

• Bedingung: historische Kenntnisse wissenschaftlicher Entwicklungen und deren systematische Reflexion

Chemie als Kulturwissenschaft und Problemgeschichte

2. Fachpädagogische Diagnostik

• Verstehensprobleme zu erkennen und im Unterricht zu behandeln

• Voraussetzung: Lehrer kennen die Wege, Gründe und Probleme der Erkenntnis

• Zugang zur Erkenntnisentwicklung findet man nur über die Auseinandersetzung mit der Geschichte der Wissenschaften, wenn diese zum Erwerb von Wissen über die Entstehung-, Begründungs- und Verwertungszusammenhänge betrieben wird

2. Fachpädagogische Diagnostik

• Inhaltlich mit eingefleischten Selbstverständlichkeiten kritisch auseinandersetzen

• Erschließung verstreuter Quellen• Funktionen der vorliegenden Materialien

– Die Bedeutung für die Lehrenden und ihr Bewusstsein von Fach in pädagogischer Absicht

– Die Bedeutung für die Analysen von geäußerten Vorstellungen der Lernenden

– Die Bedeutung als Gegenstände für einen die Probleme einschließenden Unterricht

Peter Bulthaup:

• Chemie nicht als Lehre von Stoffen und deren Reaktionen, sondern…

• Chemie als Lehre von der Gewinnung der Stoffe und der Herstellung der jeweiligen Bedingungen, unter denen Reaktionen kontrolliert ablaufen.

• Feuer als erster chemischer Prozess, den der Mensch unter Kontrolle bekam.

• Selbstbefreiung des Menschen von unbegriffenen Naturmächten

Martin Wagenschein:

• Genetisch-sokratisch-exemplarische Methode• Genetisch (selbstständiges Lösen von

Problemen in Hinblick auf die Wissenschaftsgeschichte)

• Sokratisch (Art der Gesprächsführung)• Exemplarisch (Stoffbeschränkung,

Arbeitsmethoden, Problemlösestrategien)

Stoffumgang

• Beherrschung des Feuers als Quell von Wärme und Schutz

• Produktion unterschiedlichster Güter• Eingriff in das Vorgefundene z.B. Kochen,

Brennen, Schmelzen, Gerben, Metall-, Glas- und Farbherstellung

Feuer als Beginn der Chemie

• Antike Schöpfungsgeschichte Prometheus von Aischylos

– Herausragender Stellenwert des Feuers

– Herrschaft des Menschen über Naturkraft

Feuer als Beginn der Chemie• Wärme- und Lichtquelle• Bereitung von Nahrung• Vorbehandlung mineralischer Rohstoffe für

häuslichen Gebrauch• Ton und Lehm -> Ziegelsteine und Gefäße• Konservieren von Lebensmittel• Abscheiden von Fetten• Auslaugen von Kräutern• Gewinnung von Ölen und Talg (Beleuchtung)• Heilkunst

Feuer als Beginn der Chemie

• Gewinnung von Metallen als neue Art von „Erde“

• Metallerze zeigen anderes Verhalten als Lehm- und Tonerde (Aluminiumoxid)

• Metallschmelzen 3000 v. Chr.• Formung von Werkzeugen und Waffen

• Versuch: Verbrennung von Kupfersulfid; anschließend Reduktion mit Holzkohle

Feuer als Beginn der Chemie

• Versuch: KalkkreislaufKalkbrennen, Kalklöschen und Kalkhärten

• Versuch: Kalkmörtel und Zementmörtel im Vergleich

Stoffbegriff

• Kein Gegenbeispiel zum Begriff „Stoff“

• Es gibt in der Natur keine Reinstoffe.• Reinstoffe sind nur das Resultat menschlicher

Tätigkeit

Alchimie

• Früheste Betrachtung der Stoffe und stofflicher Vorgänge unter systematischen Gesichtspunkten

• „hermetische Kunst“, Schutzgeist Hermes Trismegistos

• Chemie gebunden an religiöse Rituale ohne rationale Durchsichtigkeit mit geheimnisvollen Zauber

Alchimie

• Metallveredelung – Umwandlung unedler Metalle in Gold (Metalltransmutation)

• Metalle nicht Erzeugnis der Menschen, sondern sie wachsen aus der Erde und wandeln sich in Gold (streben in den Goldzustand)

• Scheinbeweis: Abscheidungsreaktion Eisen in Kupfersulfat-Lösung

Alchimie

• Existenz eines einzigen Urstoffes, aus dem alle Substanzen sich bilden.

• Durch Hinzufügen von „Qualitäten“ werden die verschiedenen Stoffe gewonnen und durch Modifizierung der Qualitäten ineinander umgewandelt.

Alchimie

• Element als dynamischer Begriff

• Ähnlichkeitsklassen– Mercurius:Ursache Metallglanz und

Schmelzbarkeit– Sulphur:als Möglichkeit der Verbrennung

und leichte Veränderlichkeit

Chemische Theoriebildung: Verbrennung – Phlogiston-Theorie• Phlogiston (Feuerstoff) ist in allen brennbaren Stoffen

enthalten.– Bei der Verbrennung verlässt ein Phlogiston den Stoff.– Luft nimmt den Feuerstoff auf.

• Redoxreaktion als erste chemische Reaktionen, die genauer betrachtet wurden.

• Oxidationstheorie nicht induktiv aus Experiment ableitbar.

• Versuch: Unterschiedlich starke Verbrennung von verschiedenen Stoffen

• Versuch: Vergleich Verbrennung Metall/Nichtmetall

Chemische Theoriebildung: Verbrennung – Phlogiston-Theorie• Verbrennung als Zerlegung des Stoffes in

seine BestandteileVerbrennung von Holzkohle: HØ → H + ØVerkalkung von Blei: BØ → B + Ø

• Bearbeitung von Metallen im Feuer• Einteilung in edel/unedel• Verkalkung, Veraschung

Chemische Theoriebildung: Verbrennung – Phlogiston-Theorie• Zusammenwirken von Spekulation und Empirie• Irrtümer erweisen sich als tragfähig, an

experimentelle Praxis gebunden und können überwunden werden.

• Gewichtszunahme und -abnahme bei Verbrennung und Gewichtszunahme bei Verkalkung (Waage)

• Phlogiston als negatives Gewicht• Sauerstoff als „dephlogistisierte Luft“• Wasserstoff als „brennbare Luft“

Phlogistontheorie:

Konnte sich nicht halten, da

Quantitative Analysen an Einfluss gewannen.

Ein grundlegender Wandel des Selbstverständnisses der Chemie eintrat.

Phlogistontheorie Stoff- und Substanzchemie

„Phlogiston ließ sich nicht auf Flaschen ziehen“

„Phlogiston erwies sich als überflüssig für den Aufbau der Materie“

Übergang von „Prinzipien“ zu „Stoffen“!!

Lavoisier (1743 - 1794):

Sauerstofftheorie!

Warum?

„Phlogiston ist das brennbare Prinzip, das nur durch die Verbrennung nachweisbar ist“

logischer Zirkelschluss!!!

Unchemisches Herangehen an die Chemie

Revision der chemischen Denkart gegenüber der Materie

Systematische (!!!!) Benutzung der Waage in der Chemie:

War ein fundamental neuer Ansatz, da: Keine neuen Stoffe hergestellt wurden, sondern Die Zusammensetzung (auch) bekannter Stoffe quantitativ untersucht wurde

Phlogiston = Stoff mit negativer Masse

Gesetz von der Erhaltung der Masse

Erhaltungsannahme ist die essentielle Vorraussetzung für die weitere Entwicklung der Chemie!

Lavoisier (1743 - 1794):

Spekulation ist wesentlich für die chemische Erkenntnis:

Experiment von Boyle (1627-1691):

Eine genau abgewogene Menge Zinn wird in abgeschlossener Retorte „verkalkt“ Gewichtszunahme!

Deutung der Phlogistoniker:

Die Feuermaterie - kann die Glaswand durchdringen - hat ein negatives Gewicht- ist verschwunden - aus dem Gemisch „Zinn“ wurde der Reinstoff „Zinnkalk“

Deutung Lavoisiers:

Das Gefäß mit Inhalt - wiegt vor und nach der Verbrennung gleich viel. - gewinnt nach dem Öffnen der Ampulle an Masse.- verhält sich unter einer Sperrflüssigkeit genauso. Verbindung des Zinns mit dem Sauerstoff der Luft

Lavoisiers folgenschwerer Fehlschluss:

Die Verkalkung von Metallen in Säure bedeutet: Aufnahme eines Säurebestandteils

Sinnvolle Annahme, da gezeigt werden konnte, dass

in (damals bekannten) Säuren „air pure“ enthalten ist bei der Reaktion Wasserstoff frei wird, der also mit der Säurewirkung nichts zu tun hat.

Dieser Fehlschluss wirkt bis heute nach: Sauerstoff

Entwicklung einer chemischen Systematik:

Benennung von Säuren nach ihren „Radikalen“:

- acide carbonique- acide sulfurique- acide phosphorique

Benennung von Metalloxiden als Verbindungen von Metallen mit Sauerstoff:

- oxyde de plombe- oxyde de zinc

Benennung von Salzen durch genitivische Bildung des Namens aus Säurerest und Metall:

- sulfate de zinc- ....

Lavoisiers alltägliches Vermächtnis:

Der gefesselte Prometheus:

Eine der Hauptfiguren der Weltliteratur

„Ich Dich ehren? Wofür?“ (Goethe) „Frankenstein“ oder „Der moderne Prometheus“ (Shelley) „Die Sage versucht das Unerklärliche zu erklären.“ (Kafka)

Antiker Held

Scheitern und Ausbleiben der Erlösung als Hauptmotiv tragischer / romantischer Helden („Antiheld“)

Luzifer („Lichtbringer“)

Der Autor: Aischylos (525 v. Chr. - 456 v. Chr.)

- Hatte ein sehr bewegtes Leben. Er:

- nahm an der Schlacht bei Marathon teil.- nahm an der Seeschlacht bei Salamis teil.- verlor in den Perserkriegen seinen Bruder.- reiste oft im Mittelmeer.

- Verlor bei den Dionysien gegen Sophokles.

- Nahm mit 25 erstmals an den Dionysien teil.

- Führte den zweiten Schauspieler auf der Bühne ein:

Erfinder des Dialogs!

-Verwendete meist mythologische Gestalten in seinen Stücken, die eine sehr erhabene Sprache verwenden.

-Wurde der Legende nach von einer Schildkröte, die ein Raubvogel fallen lies, erschlagen.

Bezüge zum Chemieunterricht

• Hephaistos, Gott der Schmiede: Antike Gewinnung von Kupfer (Malachitreduktion) oder Eisen (Rennofen), Bronzeherstellung.

• Kratos, Knecht des Zeus, Verkörperung der Macht: Soll Prometheus bestrafen Fortschrittsfeindlichkeit?

• Die Elemente Erde, Wasser und Wind werden personifiziert von Prometheus angerufen Widerspruch zum Element Feuer, das als Substanz an die Menschen gegeben wurde?

• Auch der Himmel (Uranos) und die Erde (Gaia) werden als Personen benannt.

Bezüge zu kompetenzorientierten Basiskonzepten:

Stoff-Teilchen-Beziehung chemische Reaktionen als Umgruppierung von Atmen am

Beispiel der Verbrennung.

Chemische Reaktionen Stoffumwandlungen bei der Verbrennung.

Energetische Betrachtungen bei Stoffumwandlungen: Feuer als sichtbares Phänomen bei exothermen Reaktionen.

Fachwissen (chemische Phänomene, Gesetzmäßigkeiten kennen und Basiskonzepten zuordnen)

Die Entwicklung der Wissenschaft Chemie seit der Antike am Beispiel der Redoxreaktionen nachvollziehen

Erkenntnisgewinnung (experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle benutzen)

Experimente zum Thema: „Hephaistos, Gott der Schmiede“

Kommunikation (Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen)

Aufführung des Theaterstückes

Bewertung (chemische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten)

Stellung nehmen zur Sicht der Natur in der Antike und heute

Bezüge zur Kompetenzstruktur der Basiskonzepte:

Literatur

• Peter Euler und Arne Luckhaupt: Historische Zugänge zum Verstehen systematischer Grundbegriffe und Prinzipien der Naturwissenschaften, AFL Frankfurt, 2010

• Ernst F. Schwenk: Sternstunden der frühen Chemie, Verlag C. H. Beck, 1998

• Bilder von www.wikipedia.org (17.09.2011)

VIELEN DANK!