Dieses Unterrichtsmaterial regt die Lernenden zum Bau einer Rakete aus zwei Plastikflaschen, Natron und Essig an. An diesem Experiment wird neben der Problematik um den Plastikmüll zum Umweltschutz in der Schule der Antrieb einer Rakete durch das Rückstoßprinzip sowie die chemische Reaktion von Säure und Natriumhydrogencarbonat erläutert.Mit diesem Unterrichtsmaterial lernen die Schülerinnen und Schüler am Beispiel einer Rakete das Rückstoßprinzip als praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms sowie die chemische Reaktion von Backpulver und Essig kennen. Sie bauen angeleitet durch ein Video selbstständig eine Rakete, erkennen ihren Antrieb und vertiefen die Phänomene der Chemie und Physik durch begleitende Arbeitsblätter. Gleichzeitig soll das Experiment auf den seit Jahren steigenden Verbrauch von Plastikflaschen aufmerksam machen, die nur zum Teil recycelt werden, während der Rest in Müllverbrennungsanlagen oder in der Umwelt landet. Das Material eignet sich je nach Lehrplan für den fächerverbindenden Unterricht in Chemie und Physik der Sekundarstufen I und II. Das Thema "Eine Rakete aus Plastikflaschen bauen: Upcycling in Chemie und Physik" im Unterricht Am Beispiel einer Rakete erarbeiten die Lernenden mit diesem Unterrichtsmaterial weitgehend selbstständig und praxisorientiert den Antrieb in einem Experiment. Diese Form der experimentellen Erarbeitung des Rückstoßprinzips im Unterricht eignet sich in besonderer Weise, um den Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufen nachhaltig aufzuzeigen, warum Raketen eigentlich fliegen. Vorkenntnisse Zu den wesentlichen Voraussetzungen zur Durchführung dieser Unterrichtseinheit zählt, dass die Lernenden mit Lehrvideos arbeiten sowie ein chemisches beziehungsweise physikalisches Experiment aufbauen, durchführen und auswerten können. Didaktische Analyse In diesem Unterrichtsmaterial erarbeiten die Lernenden mit dem Rückstoßprinzip und einer chemischen Reaktion Phänomene der Fächer Physik und Chemie: Während das Rückstoßprinzip in Natur und Technik als praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms ein physikalisches Phänomen ist, das in der Natur und Technik zur Fortbewegung dient, gilt die Verbindung von Backpulver mit Essig (Säure mit Natron) als ein Beispiel für eine Reaktion der Chemie. Darüber hinaus setzen sich die Schülerinnen und Schüler zum Umweltschutz mit ökologischen Problemen, die beim Recycling von Plastikflaschen entstehen, auseinander und lernen ein Experiment selbstständig vorzubereiten, durchzuführen und auszuwerten. Methodische Analyse Die Auswertung der Filme geschieht sowohl im Plenum als auch in Partnerarbeit. Die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung des Experiments erfolgt in Partner- oder Gruppenarbeit, sodass die Lernenden möglichst eigenverantwortlich und selbstständig arbeiten können. Die Lehrkraft steht in diesen Phasen beratend zur Verfügung und sollte nur unterstützend eingreifen, wenn Fragen auftauchen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bereiten ein Experiment im Chemie- oder Physikunterricht selbstständig vor und führen es nach Anleitung durch. lernen das Rückstoßprinzip sowie die chemische Reaktion von Natron und Essig kennen. unterscheiden ökologisch sinnvolles Recycling von Plastikflaschen von unsinniger Müllverwertung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entnehmen einem Video im Unterricht die wesentlichen Informationen für den Bau einer Rakete. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten konzentriert und zielführend kooperativ im Team zusammen.

Dieser WebQuest thematisiert die historische Persönlichkeit Fritz Haber (1868-1943) und bettet die Ammoniaksynthese sowie ihren Mitentwickler in einen historischen Kontext ein. Neben Habers Beteiligung an der Giftgasforschung werden auch dessen unbekannte und teils spektakuläre Forschungen sowie die Rolle seiner Frau Clara Immerwahr betrachtet.Der WebQuest ist als Teil einer Semesterarbeit Studierender des Lehramtes Chemie für Gymnasien im Rahmen eines Seminars an der Universität Frankfurt entstanden und wurde bisher aber noch nicht im Unterricht eingesetzt. Wenn Sie die Materialien im Unterricht einsetzen, wären die Autoren für Ihre Erfahrungen und Rückmeldungen dankbar (Informationen und Kontakt zu den Autoren). Damit erhalten die Studenten (David Fischer, Sándor Bekö) auch eine Rückmeldung zu ihrer Arbeit.Die Schülerinnen und Schüler schlüpfen in die Rolle von Studierenden (wahlweise aus einem Institut für Physikalische Chemie, Geschichte, Soziologie oder Chemie), die sich innerhalb von Arbeitsgruppen über Leben und Werk Fritz Habers aus verschiedenen Blickwinkeln informieren. Die Ergebnisse der Arbeitsgruppen werden durch Plakate gesichert, die den Mitschülerinnen und Mitschülern vorgestellt werden. Die vier Poster werden aufgehängt und im Rahmen einer "Poster-Session" gemeinsam betrachtet. Eine Podiumsdiskussion ("Kongress"), in der das Wirken von Fritz Haber kritisch reflektiert und auch der historische Versuch der Ammoniaksynthese demonstriert wird, schließt die Unterrichtseinheit ab. Zielgruppe, Themen, Anbindung an den Lehrplan Hier finden Sie Informationen zu den Voraussetzungen der Unterrichtseinheit, den Themen und ihrer Anbindung an den Lehrplan sowie einen Überblick zum Unterrichtsverlauf. Durchführung des WebQuest In arbeitsteiliger Gruppenarbeit recherchieren die Schülerinnen und Schüler eigenständig und selbst gesteuert Informationen zu Leben und Werk von Fritz Haber. Präsentation der Arbeitsergebnisse Nach einer Poster-Session werden in einem Rollenspiel die Person und die wissenschaftlichen Leistungen Fritz Habers aus verschiedenen Perspektiven betrachtet. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Forschungsschwerpunkte Fritz Habers benennen können. die Reaktionsgleichung der Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch formulieren können. unterschiedliche (historische) Methoden der Ammoniaksynthese benennen können. mindestens drei Giftgase nennen und die Beteiligung Fritz Habers am Gaskrieg beschreiben können. die Gründe für den Suizid von Clara Immerwahr (Fritz Habers Ehefrau) kennen lernen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen relevante Inhalte aus Online-Dokumenten exzerpieren, ordnen und aufarbeiten. den Rechner zur Informationssuche verwenden können. ein Plakat erstellen, das die Ergebnisse der Gruppenarbeit strukturiert zusammenfasst. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen in der Gruppenarbeitsphase konstruktiv mit den Vorschlägen anderer Schülerinnen und Schüler umgehen. auf der Basis des angeeigneten Wissens einen Sachverhalt gemeinsam diskutieren, argumentieren und überprüfen. in der Gruppenarbeit eigenverantwortlich Inhalte erarbeiten, auswählen und gemeinsam präsentieren. sich bei der Podiumsdiskussion frei und selbstsicher äußern. Thema Fritz Haber: Genie oder Völkermörder? Autoren David Fischer, Silke Weiß Fach Chemie; fächerübergreifend Aspekte: Politikwissenschaft, Religion/Ethik, Geschichte (Krieg und Frieden, Verantwortung des Wissenschaftlers) Zielgruppe Jahrgangsstufe 13 (G9) beziehungsweise 12 (G8), bevorzugt Leistungskurs Zeitraum 5-6 Stunden Technische Voraussetzungen ein Computer pro Arbeitsgruppe Silke Weiß studierte an der Universität zu Heidelberg und Frankfurt die Fächer Biologie, Chemie, Spanisch und Deutsch auf Lehramt (Sek II) und arbeitet am Alten Kurfürstlichen Gymnasium in Bensheim (Hessen). Sie ist zur Zeit im Projekt "Lehr@mt: Medienkompetenz als Phasenübergreifender Qualitätsstandard" abgeordnet an das Institut für Didaktik der Chemie der Universität Frankfurt und betreut dort den Bereich "Kompetent Chemie unterrichten mit Neuen Medien". Vorwissen der Schülerinnen und Schüler Die Schülerinnen und Schüler sollten das chemische Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz bereits kennen gelernt haben. Technische Voraussetzungen Die WebQuest-Materialien dieser Unterrichtseinheit sind HTML-Seiten, die mit jedem gängigen Browser betrachtet werden können. Die Schülerinnen und Schüler sollten Zugang zu einem Drucker haben, um zum Beispiel das Anmeldeformular für den Kongress ausdrucken zu können, aus dem sich dann die Gruppeneinteilung ergibt (siehe Aufgabenseite im WebQuest; "Internetadresse" oder "Download" auf der Startseite der Unterrichtseinheit). Chemie Der WebQuest soll von Schülerinnen und Schülern der Oberstufe (vorzugsweise Leistungskurs) bearbeitet werden. Inhaltlich greift er das verbindliche Unterrichtsthema "Ammoniaksynthese" auf und leitet auch zu einem Demonstrationsversuch an. Die Thematisierung des Haber-Bosch-Verfahrens als Beispiel für das "Prinzip des kleinsten Zwangs" ist im G9-Lehrplan für die Jahrgangsstufe 13 vorgesehen. Zukünftige G8-Oberstufen behandeln dieses Prinzip entsprechend in Jahrgangsstufe 12. Politikwissenschaft, Religion/Ethik Das Haber-Bosch-Verfahren ist als technisches Verfahren über den Chemieunterricht hinaus als fakultativer Unterrichtsinhalt mit Querverweisen zu dem Themengebiet "Krieg und Frieden" (zum Beispiel Politikwissenschaft, Religion/Ethik) möglich. Die Unterrichtseinheit reiht diese Leistung Fritz Habers neben anderen Forschungen ein und erweitert das Wirken Habers um den Aspekt der Verantwortung eines Chemikers. Somit kann der im Lehrplan geforderten Entwicklung eines Wertebewusstseins und der Berücksichtigung der Würde des Menschen Rechnung getragen und die im Lehrplan vorgeschlagene Fächervernetzung hergestellt werden (Politikwissenschaft, Geschichte, Ethik oder der Religion). Einstieg Eine fiktive "Einladung" mit dem provozierenden Untertitel stellt den Einstieg in den WebQuest dar. Ein Professor lädt Studentinnen und Studenten verschiedener Universitäten - darunter auch solche der Universität zu Berlin, an der Fritz Haber selber lehrte - ein, die Fragestellung "Genie oder Völkermörder" kontrovers auf einem "Jungwissenschaftler-Kongress" zu diskutieren. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten zunächst in Expertengruppen ("Arbeitsgruppen") individuelle Antworten auf die zentrale Fragestellung, ob Haber ein Genie oder "Völkermörder" sei. Dabei informieren sie sich anhand vorgegebener Links gemäß der Rollen, in die sie schlüpfen. Dies sind Studierende folgender Fächer oder Fachbereiche: Chemie Physikalische Chemie Geschichte Soziologie "Postersession" und "Kongress" Die Gruppen präsentieren ihre Ergebnisse in Form von Plakaten - ähnlich, wie es auch auf echten wissenschaftlichen Versammlungen der Fall ist ("Poster-Session"). Daraus ergibt sich eine abschließende Podiumsdiskussion, die von den nicht direkt teilnehmenden Schülerinnen und Schülern schriftlich zusammengefasst wird. Demonstrationsexperiment Im Rahmen des WebQuest ist ein Versuch zur Darstellung von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren vorgesehen. (Nur die Gruppe der Chemikerinnen und Chemiker wird das Experiment vorführen.) Ausgehend von einem zentralen WebQuest-Dokument erarbeiten Schülerinnen und Schüler mithilfe des Internets ein Wissensgebiet und präsentieren anschließend ihre Ergebnisse. Die Arbeit mit dem WebQuest erfolgt in den Schülergruppen eigenständig und selbst gesteuert. Der Lehrkraft kommt die Rolle eines Lernbeobachters zu. Allgemeine Informationen zum Thema WebQuest im naturwissenschaftlichen Unterricht finden Sie hier: WebQuests in den Naturwissenschaften Informationen zu den internetbasierten "Lernabenteuern" Expertengruppen In der ersten Phase der Bearbeitung des WebQuest werden vier Arbeits- oder "Expertengruppen" gebildet, die sich mit den folgenden Schwerpunkten beschäftigen. Die Zuordnung der Schülerinnen und Schüler zu den Arbeitsgruppen kann eigenständig erfolgen. Zu beachten ist hierbei, dass nur die Gruppe der Chemikerinnen und Chemiker den Versuch zur Darstellung von Ammoniak durchführt. Studierende der Physikalischen Chemie (Universität zu Berlin) Aufgabe dieser Arbeitsgruppe ist es, den anderen Gruppen die Leistungen und vielseitigen Forschungen Fritz Habers vorzustellen. (Haber studierte und lehrte unter anderem auch an der Universität zu Berlin.) So versuchte Haber zum Beispiel im Jahr 1921 aus Meerwasser Gold zu gewinnen, um so Deutschlands Reparationszahlungen an die Alliierten zu unterstützen. Die Forschungen zur Schädlingsbekämpfung und den Flammenreaktionen gehören ebenfalls zu den weniger bekannten Aktivitäten Habers, die in der Arbeitsgruppe "Physikalische Chemie" gelesen und den anderen Gruppen vorgestellt werden sollen. Studierende der Geschichte (Universität zu Tübingen) Diese Arbeitsgruppe untersucht die Verwicklungen Habers in den ersten Weltkrieg und deckt historische Zusammenhänge auf. Am 22. April 1915 in Belgien (Ypern) wurden zum Beispiel auf Anraten Habers erstmals 150 Tonnen Chlorgas als "moderne Massenvernichtungswaffe" eingesetzt. Studierende der Soziologie (Universität zu Darmstadt) Die Arbeitsgruppe der Soziologen untersucht die Rolle der Frau in der Wissenschaft zur damaligen Zeit und erweitert so das Hauptthema um einen wichtigen Aspekt. Im Mittelpunkt dieser Gruppenrecherche steht Habers Ehefrau Clara Immerwahr, ihr Standpunkt zu den umstrittenen Aktivitäten Habers und ihr tragisches Schicksal. Studierende der Chemie (Universität zu Frankfurt) Die Arbeitsgruppe der Chemikerinnen und Chemiker konzentriert sich auf die Forschungen Habers rund um die Ammoniak-Hochdrucksynthese. Zu den Aufgaben dieser Arbeitsgruppe gehört neben einer vergleichenden Literaturrecherche auch die Durchführung eines Modellversuches zur Haber-Bosch-Ammoniaksynthese im kleinen Maßstab. Zeitaufwand Für die Arbeitsphase mit dem WebQuest sind in dieser Unterrichtseinheit etwa zwei bis drei Stunden zu veranschlagen. Für ihre jeweiligen Forschungsgebiete steht den Schülerinnen und Schülern im Quellenbereich der WebQuest-Seite eine Liste mit mehr aus dreißig ausgewählten Links zur Verfügung. Ein Teil der Literatur liegt auch als PDF-Dokument vor, von dem bei Bedarf je ein Exemplar pro Gruppe ausgedruckt werden kann. Darüber hinaus ist es hilfreich, wenn sich die Lernenden selbstständig in der Schul- oder Stadtbibliothek weitere Materialien beschaffen. Poster-Session Mithilfe der verschiedenen Quellen wird von jeder der vier Arbeitsgruppen ein Plakat erstellt, das die wichtigsten Informationen und Erkenntnisse zu den jeweiligen Schwerpunktthemen der Gruppe enthält. Diese Plakate - die im Ansatz den Kriterien eines wissenschaftlichen Plakates genügen sollen - werden zum "Kongress" mitgebracht und dort im Rahmen einer "Poster-Session" ausgestellt. Auf diese Weise werden die sich gegenseitig ergänzenden Informationen und Facetten zu Fritz Habers Leben und Werk allen Schülerinnen und Schülern schon transparent, bevor die Diskussion beginnt. Es ist daher darauf zu achten, dass der Inhalt der Plakate von einem unwissenden Betrachter in fünf bis zehn Minuten erfasst werden kann! Fritz Habers Forschungen werden in der Diskussion nicht allein auf die Ammoniak-Hochdrucksynthese reduziert, sondern in den historischen Kontext eingebettet und kritisch beleuchtet. Zeitaufwand Für die Erstellung der Plakate wird eine Schulstunde benötigt. Die Ausstellung der Plakate dauert etwa eine halbe Stunde. Dies sollte optimalerweise zu Beginn einer Doppelstunde geschehen, da die restliche Zeit dann für den Kongress verwendet werden kann. Podiumsdiskussion Nach der Recherche und Sicherungsphase (Erstellung der Plakate) werden in einer Podiumsdiskussion ("Jungwissenschaftler-Kongress") Vertreterinnen und Vertreter jeder Arbeitsgruppe zu Wort kommen (insgesamt acht Personen) und Habers Aktivitäten kritisch kommentieren. Zentral ist hierbei die Ausgangsfrage, ob Haber ein Genie oder ein Völkermörder sei. Planung Für den Jungwissenschaftler-Kongress ist in dieser Unterrichtseinheit eine Unterrichtsstunde zu veranschlagen. Darin ist die Nachbesprechung nicht enthalten. Schülerinnen und Schüler, die nicht aktiv am Kongress beteiligt sind, erstellen eine stichpunktartige Zusammenfassung des Disputes, in der die unterschiedlichen Sichtweisen der Arbeitsgruppen und ihr Bezug zu der Ausgangsfrage dargestellt werden. Die Zusammenfassungen sollen mit einer persönlichen Stellungnahme enden. Silke Weiß studierte an der Universität zu Heidelberg und Frankfurt die Fächer Biologie, Chemie, Spanisch und Deutsch auf Lehramt (Sek II) und arbeitet am Alten Kurfürstlichen Gymnasium in Bensheim (Hessen). Sie ist zur Zeit abgeordnet im Projekt "Lehr@mt: Medienkompetenz als Phasenübergreifender Qualitätsstandard" an das Institut für Didaktik der Chemie der Universität Frankfurt und betreut dort den Bereich "Kompetent Chemie unterrichten mit Neuen Medien".

Lernende stellen im Schülerexperiment Nano-Goldpartikel her und erkennen die Farbe der Goldsole als größenabhängige Eigenschaft der Nanopartikel. Interaktive Lernumgebungen visualisieren die Reaktionen auf der Teilchenebene und ermöglichen die Untersuchung der Nanopartikel im virtuellen Elektronenmikroskop.Der erste Teil der fächerübergreifenden Unterrichtseinheit (Chemie und Physik) findet im Schul- oder Schülerlabor statt. Die Lernenden präparieren mithilfe einer Versuchsvorschrift unterschiedlich große Gold-Nanopartikel in Dispersion (Kolloidchemie). Die verschiedenen Größen der Goldpartikel werden schon bei der Präparation an der unterschiedlichen Farbe erkennbar. Der zweite Teil der Unterrichtseinheit findet im Rechnerraum statt. Die Schülerinnen und Schüler wiederholen die Präparation der Gold-Nanopartikel noch einmal im Rahmen eines virtuellen Experiments und können dabei beobachten, was auf der Teilchenebene passiert. Mithilfe eines interaktiven Lernmoduls lernen sie zudem Schritt-für-Schritt die Funktion und Betriebsweise eines Elektronenmikroskops kennen: Sie können ein virtuelles Transmissionselektronenmikroskop bedienen, die (virtuell und/oder real) hergestellten Partikel anschauen und sich davon überzeugen, dass den verschiedenfarbigen Goldsolen unterschiedlich große Nanopartikel zugrunde liegen. Kombination von Realexperiment und Computereinsatz Die Nanotechnologie und speziell die chemische Nanotechnologie bieten Schülerinnen und Schülern keinen unmittelbaren Zugang. Nanoplättchen, Nanostäbchen oder Nanopartikel lassen sich im Schülerexperiment zwar leicht herstellen, zum Beispiel durch Fällungen, jedoch lichtmikroskopisch nicht sichtbar machen. Ein Elektronenmikroskop wäre dafür erforderlich, aber eine solche Hochtechnologie-Apparatur ist für Schule und Schülerlabor viel zu teuer und zu empfindlich. Aus diesem Dilemma heraus entstand die vorliegende Unterrichtseinheit: Für die Präparation von Nanopartikeln sollen die Schülerinnen und Schüler vorzugsweise selbstständig experimentieren und damit die Faszination des Experiments erleben. Die Untersuchung der Produkte im virtuellen Elektronenmikroskop einer interaktiven Lernumgebung erfolgt nach dem Realexperiment im Rechnerraum der Schule. Eine Alternative: Außerschulische Lernorte Falls die räumlichen Möglichkeiten für das Schülerexperiment in der Schule nicht gegeben sind, kann dieser Teil der Unterrichtseinheit in einem außerschulischen Schülerlabor, zum Beispiel an einer Universität, stattfinden. Alternativ kann die Lehrperson den Versuch als Demonstrationsexperiment vorführen. In jedem Fall können die Schülerinnen und Schüler den Versuch am Rechner multimedial durchführen beziehungsweise wiederholen. Teil 1: Kolloidale Systeme Nach der (optionalen) Herstellung von Nano-Goldpartikeln werden die Vorgänge auf der Teilchenebene mithilfe einer Lernumgebung visualisiert. Teil 2: Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Schülerinnen und Schüler lernen die Funktionsweise eines Elektronenmikroskops kennen und untersuchen virtuell die Größe von Nano-Goldpartikeln. Materialien Hier finden Sie Hinweise zum Einsatz der klassischen Arbeitsblätter und der Lernumgebungen sowie detaillierte Handreichungen zu den virtuellen Experimenten. Fachkompetenz - kolloidale Systeme Die Schülerinnen und Schüler sollen die Begriffe Kolloid und Nanopartikel und ihren Zusammenhang kennen. die Dimension nanoskaliger Materialien kennen und zu bekannten Materialien anderer Dimensionen in Beziehung setzen können. den Begriff kolloidale Dispersion kennen und kolloidale Dispersionen in Zweistoffsystemen je nach Aggregatzustand der dispersen Phase und des Dispersionsmittels klassifizieren können. Methoden zur Unterscheidung zwischen "echten" Lösungen, kolloidalen Dispersionen und grobdispersen Systemen kennen. die Synthese von Goldkolloiden durchführen. wissen, dass die optischen Eigenschaften der hergestellten Goldkolloide im Zusammenhang mit der Größe der Kolloide stehen. den Begriff Koagulation/Aggregation kennen. Fachkompetenz - Transmissionselektronenmikroskop Die Schülerinnen und Schüler sollen das TEM als Werkzeug zur Visualisierung von Nanopartikeln kennen. begründen, warum Nanopartikel nicht mithilfe eines Lichtmikroskops beobachtet werden können. den Aufbau und den Strahlengang des Elektronenstrahls im TEM kennen. wissen, warum im Vakuum gearbeitet werden muss. die Bilderzeugung im TEM als Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Probe kennen. elastisch und unelastisch gestreute Elektronen als Ursache für die verschiedenen Kontraste im elektronenmikroskopischen Bild kennen. Thema Herstellung und Untersuchung von Nano-Goldpartikeln Autoren Katrin Prete, Dr. Walter Zehren, Prof. Dr. Rolf Hempelmann Fächer Chemie, Physik Zielgruppe ab Klasse 9 Technische Voraussetzungen Möglichkeit für chemisches Experimentieren (optional); Rechner in ausreichender Anzahl (Partnerarbeit), mindestens ein Präsentationsrechner mit Beamer, Flash-Player 9 Dr. Walter Zehren ist Studienrat an der Saarbrücker Marienschule und teilabgeordnet an die Universität des Saarlandes. Dort leitet er das Schülerlabor NanoBioLab und hat zum Thema Forschendes Experimentieren im Schülerlabor promoviert. Rolf Hempelmann ist Professor für Physikalische Chemie und Geschäftsführender Leiter des Transferzentrums Nano-Elektrochemie an der Universität des Saarlandes. Er ist Betreiber des Schülerlabors NanoBioLab und Sprecher des Saarländischen Schülerlaborverbunds SaarLab. Umrechnung von Maßeinheiten Die Schülerinnen und Schüler müssen in der Lage sein, verschiedene Maßeinheiten (Meter, Millimeter, Nanometer) ineinander umzurechnen. Diese Kompetenzen werden im Fach Mathematik in Klasse 5 erworben. Aggregatzustände Die Lernenden benötigen Kenntnisse über Aggregatzustände und über die verschiedenen Typen chemischer Stoffgemische. Diese Kompetenzen werden im Fach Chemie in Klasse 8 erworben. Redox-Reaktionen Zum Verständnis der Synthese der Gold-Nanopartikel müssen die Schülerinnen und Schüler den erweiterten Redox-Begriff kennen: Redox-Reaktionen müssen als Elektronenübertragungsreaktionen bekannt sein. Dies wird im Fach Chemie in Klasse 9 thematisiert. Der erste Teil der Unterrichtseinheit behandelt einige Aspekte der Kolloid- und Nanochemie und besteht aus einem Experimentalteil und einer interaktiven Lernumgebung zur Herstellung von Goldsol, also einer Suspension von Gold-Nanopartikeln. Gold- und auch Silber-Nanopartikel zeigen einen interessanten Farbeffekt im sichtbaren Spektralbereich: Die resonante Anregung von Oberflächenplasmonen führt dazu, dass sich die Farbe des Metalls in Abhängigkeit von der Größe und Form der Nanoteilchen stark verändert (Abb. 1). Zum Beispiel sehen Suspensionen von kleinen Gold-Nanopartikeln in Wasser rot aus (im Gegensatz zu dem gelblichen Schimmer, den Gold normalerweise zeigt). Aggregiert man diese Partikel teilweise, so ändert sich die Farbe zu dunkelblau bis violett. Einstieg und Schülerexperiment Der erste Teil der Unterrichtseinheit gliedert sich in zwei Abschnitte. Zunächst erfolgt eine Einführung in das Thema kolloidale Systeme. Durch geeignete Aufgabenstellungen wird den Schülerinnen und Schülern zunächst die Dimension, also der Größenbereich, der Nanochemie nahe gebracht, und es werden die Begriffe Nanopartikel beziehungsweise Kolloid geklärt. Danach folgt eine Reihe von Experimenten, welche die Schülerinnen und Schüler mit den bis zur Klasse 9 erworbenen Vorkenntnissen in Eigenarbeit durchführen können. Der Einfluss des Zerteilungsgrades (des Dispersionsgrades) auf die Eigenschaften von Stoffen und die Unterscheidung zwischen echten Lösungen und kolloidalen Dispersionen können im Experiment selber entdeckt werden. Zum Abschluss werden Goldkolloide verschiedener Größen hergestellt. Die Herstellung von Goldkolloiden ist gleichzeitig die Überleitung zum zweiten Abschnitt des ersten Teils der Unterrichtseinheit, der Multimedia-Anwendung. Virtuelles Experiment, Visualisierung der Teilchenebene Die interaktive Lernumgebung zeigt zunächst noch einmal den zuvor durchgeführten Versuch zur Herstellung von Goldkolloiden. Dabei werden die Schritte der Reaktion auf der Teilchenebene visualisiert (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken), und den Schülerinnen und Schülern wird schließlich die unterschiedliche Farbe der Goldsole erklärt (Abb. 3). An die Animation zum Versuch schließt sich eine Wiederholungsphase an, in der die Lernenden interaktiv den Zusammenhang zwischen Partikelgröße und Farbe der Goldsole bearbeiten können (Abb. 4). Weiter geht es mit einer Übungsphase, in der Schülerinnen und Schüler das Gelernte anwenden. Methodenvielfalt Im ersten Teil der Unterrichtseinheit wird also mit verschiedenen Medien gearbeitet: Arbeitsblätter, Schülerexperimente und Multimedia-Anwendungen. Durch diese Methodenvielfalt wird auf die Heterogenität der Lernvoraussetzungen und der Interessen der Schülerinnen und Schüler eingegangen, wodurch möglichst viele Lernende erreicht und für die Beschäftigung mit dem Nanobereich motiviert werden sollen. Die einzelnen Schritte und Inhalte des gesamten virtuellen Experiments werden in einer Handreichung (tutorial_goldsole_virtuelles_experiment.pdf) ausführlich beschrieben und mit zahlreichen Screenshots dargestellt. Glühelektrischen Effekt, Kondensator Die Schülerinnen und Schüler müssen Kenntnisse über den Glühelektrischen Effekt und das Prinzip eines Kondensators besitzen (Physik, Oberstufen-Grundkurs). Linke-Hand-Regel Die Lernenden müssen in der Lage sein, mithilfe der Linke-Hand-Regel die magnetischen Feldrichtungen einer Spule zu bestimmen (Physik, Klasse 9). Lorentzkraft Die Schülerinnen und Schüler müssen Kenntnisse über die Bewegung von elektrischen Ladungsträgern im magnetischen Feld besitzen. Sie müssen die Richtung der Kraftwirkung der Lorentzkraft mit der Drei-Finger-Regel bestimmen können (Physik, Klasse 9). In einem interaktiven Lernmodul werden der Aufbau und die Funktionsweise des TEM Schritt-für-Schritt erläutert. Damit wird eine wichtige Methode der Nanotechnologie eingeführt. Sie erlaubt es, die zuvor im (realen und/oder) virtuellen Experiment hergestellten Nanopartikel zu visualisieren. Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, welches das Innere oder die Oberfläche einer Probe mithilfe von Elektronen abbilden kann. Da schnelle Elektronen eine sehr viel kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht haben und die Auflösung eines Mikroskops durch die Wellenlänge begrenzt ist, kann mit einem Elektronenmikroskop eine deutlich höhere Auflösung (etwa 1 Nanometer; mit einem einem Höchstleistungs-TEM bis zu 0,1 Nanometer) erreicht werden als mit einem Lichtmikroskop (typischerweise etwa 1 Mikrometer, im Extremfall bis zu 200 Nanometer). Die einzelnen Seiten, Inhalte und Funktionen der Lernumgebung zum Transmissionselektronenmikroskop (TEM) werden in einer Handreichung (tutorial_goldsole_TEM.pdf) ausführlich beschrieben und mit Screenshots dargestellt. Tutorielles System zur Funktion des TEM Die Lernumgebung erlaubt es, die hergestellten Gold-Nanopartikel "virtuell" zu untersuchen. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, wie die zuvor bereits verwendeten TEM Aufnahmen (vergleiche Abb. 4 ) entstehen. Dabei kommt eine Multimedia-Anwendung im Stil eines tutoriellen Systems zum Einsatz. Auf der Startseite wird das Thema dargestellt, und den Lernenden wird ein motivierender Einstieg in das Thema geboten. Außerdem wird auf dieser Seite ein Einblick gegeben, welche Lerninhalte nachfolgend bearbeitet werden. Informationsseiten An die Startseite knüpfen dann Informationsseiten an, auf denen den Schülerinnen und Schülern Lerninhalte durch Texte, Animationen oder Bilder präsentiert werden, die in individueller Geschwindigkeit bearbeitet werden können (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Sie können dabei auch zu vorangegangenen Lerninhalten zurückzuspringen, um nicht Verstandenes zu wiederholen. Übungen und Ergebnissicherung Die Informationsseiten bilden Themenblöcke oder "Bausteine". Nach jeweils einem Baustein schließen sich Übungsseiten an, mit deren Hilfe das Gelernte überprüft und die Lernergebnisse gefestigt werden (Abb. 6). Dabei kommen in der Regel recht kurz gehaltene Multiple-Choice-Aufgaben, Lückentexte oder Wortpuzzles zum Einsatz, an einigen Stellen allerdings auch komplexere Aufgabenstellungen. Die Übungen bieten auch die Möglichkeit zur Differenzierung - leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler, die schneller mit dem Programm fertig werden, können zusätzliche Aufgaben lösen. Den Abschluss des Programms bildet eine Lückentextübung zum TEM. Anwendungssimulation Im Anschluss an das tutorielle System folgt eine kleine Simulation. Hier haben die Schülerinnen und Schüler ein virtuelles TEM vor sich, in dem sie die Goldsole virtuell untersuchen können. Hierbei handelt es sich um eine Anwendungssimulation. Die Lernenden sollen die Handhabung des TEM prinzipiell verstehen. Dabei führen sie dieselben "Handgriffe" aus, die sie auch im Umgang mit einem realen TEM ausführen müssten (Abb. 7). Bei Fehlern - wenn zum Beispiel vergessen wird, in der Probenkammer ein Vakuum anzulegen - gibt das Programm eine entsprechende Rückmeldung ("Vorsicht, überprüfe dein Vorgehen"). 1. Partikel mit Potenzial: Nanoteilchen und Kolloide Das erste Arbeitsblatt (1_nanoteilchen_groessenvergleiche.pdf) führt die Begriffe Nanoteilchen und Kolloide ein. Der Text beginnt mit den Begriffsbestimmungen. Daran knüpfen sich fünf Aufgaben an, die den Schülerinnen und Schülern helfen sollen, sich die Dimensionen der Nanowelt in Relation zur Lebenswelt zu veranschaulichen: Die Lernenden sollen die Dimension des Nanometers durch Vergleiche mit Gegenständen aus ihrem alltäglichen Erfahrungsbereich erfassen. Nur durch diese Vergleiche ist es möglich, die winzigen Dimensionen zu verdeutlichen. Unbekanntes wird auf Bekanntes zurückgeführt und kann besser gelernt und verstanden werden. Aufgabe 3 ermöglicht es den Lernenden mit einem kleinen Experiment, sich selbst die Größe zu veranschaulichen und die Ergebnisse direkt zu sehen. Die Dimension des Nanometers wird im Experiment natürlich nicht erreicht, dennoch wird sie erlebbar und besser vorstellbar. 2. Eigenschaften von Nanopartikeln und Kolloiden Das zweite Arbeitsblatt (2_eigenschaften_nanoteilchen_kolloide.pdf) soll die Veränderung der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften eines Stoffs in Abhängigkeit von seinem Zerteilungsgrad veranschaulichen. Die Verkleinerung eines Stoffes in nanoskalige Dimensionen führt zu völlig neuen Werkstoffeigenschaften. In der ersten Aufgabe wird zunächst veranschaulicht, dass mit zunehmendem Zerteilungsgrad die Oberfläche eines Stoffes wächst und somit eine viel größere Oberfläche reagieren kann. Die Auswirkung einer größeren Oberfläche auf die Reaktionsgeschwindigkeit kennen die Schülerinnen und Schüler aus Standard-Experimenten des Chemieunterrichts, wie zum Beispiel der Verbrennung eines Eisennagels gegenüber der Verbrennung von Stahlwolle. In einem Versuch sollen die Lernenden nun entdecken, dass sich mit zunehmendem Zerteilungsgrad auch physikalische Eigenschaften verändern, wie zum Beispiel das magnetische Verhalten eines Stoffs. Die Reaktionsgleichung wird auf den Arbeitsblättern angegeben, da sie mit dem den Schülerinnen und Schülern zu Verfügung stehenden Vorwissen nicht aufgestellt werden kann, von diesen aber zum Verständnis der Reaktion benötigt wird. Zusätzlich wird der Begriff des Hydrats kurz vorgestellt, da als Ausgangsstoffe Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat und Eisen(II)-Chlorid-Tetrahydrat eingesetzt werden und der Hydrat-Begriff aus dem Unterricht in dieser Form nicht geläufig ist. 3. Unterscheidung zwischen echten und kolloidalen Dispersionen Mit dem dritten Arbeitsblatt (3_dispersionen.pdf) lernen die Schülerinnen und Schüler den Tyndall-Effekt als eine Möglichkeit kennen, zwischen echten Lösungen und kolloidalen Systemen zu unterscheiden. In einem Versuch werden verschiedene Lösungen beziehungsweise Dispersionen mithilfe des Tyndall-Effektes identifiziert. Mit der Aufgabe, für die Dispersionen das Dispersionsmittel und die disperse Phase anzugeben, wird an das Vorwissen der Lernenden angeknüpft, da die Einteilung von Stoffgemischen bereits in Klasse 8 erlernt wird. 4. Herstellung von Goldkolloiden Das vierte Arbeitsblatt (4_goldkolloide.pdf) beschreibt einen Versuch zur Herstellung von Gold-Nanopartikeln unterschiedlicher Größe. Zum Einstieg werden Verwendungsmöglichkeiten von Gold-Nanopartikeln aufgezeigt und hervorgehoben. Durch die Herstellung von Gold-Nanopartikeln wird mit der Farbe eine weitere spezifische Stoffeigenschaft angesprochen. Sie ändert sich mit zunehmendem Zerteilungsgrad von dem charakteristischen Goldgelb bis hin zu Rot. Hierbei handelt es sich um einen Größenquantisierungseffekt (englisch "quantum size effect"): sehr kleine Teilchen unterliegen mit abnehmender Teilchengröße zunehmend den Gesetzen der Quantenmechanik, woraus sich die Änderung der Eigenschaften von Nanopartikeln im Vergleich zu grobkristallinen Stoffen der gleichen chemischen Zusammensetzung erklärt. Die einführenden Texte dienen zur Motivation der Schülerinnen und Schüler, in einem Experiment selbst Gold-Nanopartikel herzustellen. 5. Arbeitsblatt und interaktive Lernumgebung Für die Bearbeitung der Aufgabenstellungen des fünften Arbeitsblatts (4_2_goldkolloide.pdf) kann die Flash-Lernumgebung zur Herstellung von Goldkolloiden herangezogen werden. Die Aufgabe greift auf bereits vorhandenes Wissen zurück, wie zum Beispiel den erweiterten Redox-Begriff, und fungiert auch als Ergebnissicherung für neu erlernte Inhalte. Die Fragen können nach der Arbeit mit der Lernumgebung beantwortet werden. Teilweise müssen Lerninhalte aus den vorangegangenen Arbeitsblättern angewendet werden, sodass durch zusätzliche Wiederholung eine Festigung des Gelernten gewährleistet werden kann. Einsatzmöglichkeiten Das virtuelle Experiment zur Herstellung verschiedenfarbiger Goldsole veranschaulicht die Vorgänge auf der Teilchenebene. Mit ihm wird auch erarbeitet, dass die Farbe der Goldsole von der Größe der Nano-Goldpartikel abhängig ist. Die Lernumgebung kann flexibel eingesetzt werden: Schülerexperiment und virtuelles Experiment Nach der experimentellen Herstellung von Goldsolen im Schülerversuch (im Chemielabor der Schule oder in außerschulischen Schülerlaboren) kann die Lernumgebung zur Herstellung von Goldsolen zur "virtuellen Wiederholung" und insbesondere zur Darstellung der Vorgänge auf der Teilchenebene genutzt werden. Lernende experimentieren nur "virtuell" Besteht keine Möglichkeit, den Versuch als Schülerexperiment durchzuführen, können die Lernenden die Herstellung von Goldsolen auch ausschließlich am Rechner durchführen - im Idealfall in Partnerarbeit im Computerraum der Schule. Präsentation per Beamer Alternativ oder zusätzlich zur Bearbeitung im Computerraum kann die Lehrperson die Flash-Animationen zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs im Fachraum per Beamer einsetzen. Die Lehrperson oder einzelne Schülerinnen und Schüler können den Prozess dann noch einmal für alle beschreiben. Einsatzmöglichkeiten Dieses Lernmodul ist für die Einzel- oder Partnerarbeit am Rechner konzipiert. Alternativ können die Animationen und interaktiven Übungen aber auch zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs (Beamerpräsentation) genutzt werden. Die Lernumgebung zum TEM kann natürlich auch in anderen unterrichtlichen Zusammenhängen - unabhängig von der Herstellung von Goldsolen - zum Einsatz kommen. Prete, Katrin Visualisierung von Nanopartikeln mittels TEM und STM, aufgearbeitet als eine mediengestützte Unterrichtseinheit, Wissenschaftliche Staatsexamensarbeit, Saarbrücken 2009 Zehren, Walter Forschendes Experimentieren im Schülerlabor , Dissertation, Saarbrücken 2009 Sepeur, Stefan Nanotechnologie - Grundlagen und Anwendungen, Vincentz Network, Hannover 2008 Dörfler, Hans-Dieter Grenzflächen und kolloid-disperse Systeme, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg 2002 Hempelmann, Rolf; Zehren, Walter; Mallmann, Matthias Nanotechnologie im Schulunterricht, NanoBioNet Newsletter II/2008, nanotechnologie aktuell 2, 88-91 (2009) Walter Zehren ist Studienrat an der Saarbrücker Marienschule und teilabgeordnet an die Universität des Saarlandes. Dort leitet er das Schülerlabor NanoBioLab und hat zum Thema Forschendes Experimentieren im Schülerlabor promoviert. Rolf Hempelmann ist Professor für Physikalische Chemie und Geschäftsführender Leiter des Transferzentrums Nano-Elektrochemie an der Universität des Saarlandes. Er ist Betreiber des Schülerlabors NanoBioLab und Sprecher des Saarländischen Schülerlaborverbunds SaarLab.

Die Schrödingergleichung gehört zu den wichtigsten Gleichungen der Quantenphysik und bildet die Grundlage zum Verständnis von quantenmechanischen Zusammenhängen. Sie benutzt für die Beschreibung quantenmechanischer Abläufe die sogenannte Wellenfunktion, mit der sich zum einen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit, zum anderen die Energieniveaus eines Teilchens in einem Atom berechnen lassen. Sie findet in vielen Bereichen der Physik ihre Anwendung wie etwa in der Atomphysik, der Molekülphysik, der Festkörperphysik und über die Physik hinaus auch in der Quantenchemie. Die Schrödingergleichung ist in ihrer vollen mathematischen Ausprägung sehr anspruchsvoll, kann aber durch geeignete vereinfachende Möglichkeiten wie etwa die Anwendung von Potentialtöpfen als Näherung an die tatsächlichen Vorgänge im Atom anschaulich und altersgerecht vorgestellt werden. Für das einfachste Atom – das Wasserstoffatom – wird es somit mit nachvollziehbaren mathematischen Gleichungen möglich, physikalische Formeln abzuleiten und entsprechende Ergebnisse zu berechnen. Dabei besteht die Grundidee darin, das Coulomb-Potential des Wasserstoffatoms durch einen geeigneten Potentialtopf mit unendlich hohen Wänden anzunähern und Wahrscheinlichkeiten sowie Energieniveaus zu berechnen. In dieser Unterrichtseinheit, die ausschließlich für das Kurssystem der gymnasialen Oberstufe gedacht ist, soll nach Herleitung der zeitunabhängigen und damit leichter zu verstehenden der beiden Schrödingergleichungen eine Methode vorgestellt werden, mit der sich verschiedene Abläufe im Wasserstoffatom mit Näherungslösungen darstellen und berechnen lassen. Für den Unterricht sollten Lehrkräfte gut präpariert sein, um auf kritische Fragen sachkompetent eingehen und antworten zu können. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können nur vorausgesetzt werden, wenn in der Sekundarstufe das Thema Quantenphysik – ausgehend vom Fotoeffekt bis hin zu Wahrscheinlichkeitswellen – bereits ausführlich behandelt wurde. Didaktische Analyse Die Beschäftigung mit "komplizierten" physikalischen Gesetzmäßigkeiten, zu der in erster Linie die Schrödingergleichung gehört, liefert einen tiefen Einblick in eine Physik, die einen Blick eröffnet in eine für die meisten Menschen unbekannte Welt. So kann ein vertieftes Verständnis für die Schrödingergleichung und ihre Bedeutung in der Quantenphysik aufgebaut werden. Methodische Analyse Für interessierte und mathematisch versierte Schülerinnen und Schüler dürften die Herleitungen hin zur Schrödingergleichung zwar anspruchsvoll sein, durch die vielen Möglichkeiten mit entsprechenden Animationen, Näherungen und Vereinfachungen aber gut nachvollziehbar sein. Ablauf der Unterrichtseinheit Ein Vorschlag für einen möglichen zeitlichen Unterrichtsverlauf ist aufgrund des thematischen Umfangs und der aufwendigen mathematischen Herleitungen kaum möglich. Im Rahmen der Gegebenheiten in der gymnasialen Oberstufe mit unterschiedlichen Kursangeboten werden sich Unterrichtsabläufe ergeben, die sich in Abhängigkeit von den jeweiligen Lehrplänen sehr unterscheiden werden. Deshalb soll hier auf einen vorgegeben Unterrichtsablauf verzichtet werden. Vielmehr sollte die jeweilige Lehrkraft für sich entscheiden, welche Inhalte priorisiert werden sollen und wie diese dann in dem zur Verfügung stehenden Zeitrahmen unterrichtet werden können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Grundgedanken der Schrödingergleichung mithilfe des bisher schon Gelernten nachvollziehen und beschreiben. sind in der Lage, mit den entsprechenden mathematischen Gesetzmäßigkeiten die Schrödingergleichung herzuleiten, anzuwenden und Berechnungen anzustellen. können die aus dem linearen Potentialtopf abgeleiteten Formeln auf das Wasserstoffatom in guter Näherung übertragen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden diskutieren zu können.

Die Gestaltung des Übergangs von der Primarstufe in eine weiterführende Schule ist von großer Bedeutung. Wichtig ist es, den Kindern, denen ein Wechsel bevorsteht, Ängste zu nehmen, ihre Neugier und Interessen anzusprechen und Vertrautheit zu schaffen mit den neuen Lernorten, neuen Mitschülerinnen und Mitschülern, neuen Lehrkräften und nicht zuletzt mit den neuen Lerninhalten.Nach dem Wechsel auf die weiterführende Schule beginnen die Schülerinnen und Schüler oft mit großen Erwartungen, gespeist aus den Lernerfolgen in der Grundschule, um dann nach den ersten Leistungsmessungen Versagensängste zu erleben. Die Gestaltung des Übergangs von der Primarstufe in eine weiterführende Schule ist von großer Bedeutung. Methoden- und Kompetenzcurricula und Programme zur Stärkung der Persönlichkeit gehören darum an vielen Schulen bereits zum Standard. Hier setzt das Projekt "Schülerinnen und Schüler unterrichten Grundschülerinnen und Grundschüler" an, es wird auf der Basis von Fachinhalten der Chemie und Physik dargestellt und ist daher geeignet, den verbreiteten Vorbehalten gegen naturwissenschaftliche Fächer zu begegnen. Es lässt sich jedoch unschwer auf andere Fachinhalte transferieren.An weiterführenden Schulen können Schülerinnen und Schüler in Arbeitsgruppen darauf vorbereitet werden, einfache chemische und physikalische Experimente mit Grundschülerinnen und Grundschülern durchzuführen. Denn nicht allen Neulingen gelingt es, sich rechtzeitig auf veränderte Anforderungen einzustellen, sodass sie an sich zweifeln und ihre anfängliche Lernfreude verlieren. Nicht selten befremden auch ungewohnte Lernmethoden und das Klima in der Klasse und der gesamten Schule. Gelingt es Lehrkräften und Eltern nicht, mit vereinten Kräften gegenzusteuern, kann sich in den ersten beiden Schuljahren der weiterführenden Schule die Dynamik einer negativen Schulkarriere entwickeln. Um das vorhandene Potential in einem jungen Menschen anzusprechen und neue positive Impulse zu setzen, eignet sich ganz besonders das Verfahren "Lernen durch Lehren" , das diesem Projekt zugrunde liegt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bilden fachbezogene und arbeitsmethodische Fähigkeiten aus. interessieren sich für naturwissenschaftliche Sachverhalte. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erlernen die Grundlagen der Ergebnissicherung im Team und am Experiment. agieren in der Rolle des Lehrenden und stärken so Selbstbewusstsein und Eigenständigkeit. reflektieren und korrigieren das eigene Verhalten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler aktivieren Hintergrundwissen aus unterschiedlichen Medien.

Auf dieser Seite haben wir Informationen und Anregungen für Ihren Physik-Unterricht zum Thema Atomphysik zusammengestellt. Ein Remotely Controlled Laboratory (RCL) ist ein über das Internet fernbedienbares Realexperiment. Dieser Artikel ist die Basis aller Lehrer Online-Unterrichtseinheiten zum Einsatz von RCLs. Hier finden Sie grundlegende Informationen zu folgenden Themen: Prinzip von RCLs, allgemeiner und spezifischer Mehrwert von RCLs, Konzeption des RCL-Portals, Überblick zu RCLs auf dem RCL-Portal und Einordnung von RCLs unter den Physikmedien. Wie macht man aus einem MCL ein RCL? Um aus einem von Hand durchgeführten Experiment - einem Manually Controlled Laboratory (MCL) - ein Remotely Controlled Laboratory (RCL) zu machen, müssen Experiment und Experimentator über Schnittstellen zum Internet miteinander verbunden werden (Abb. 1). Experimentseitig wird das MCL mit Sensoren und Aktoren ausgestattet. Aktoren sind meist Schrittmotoren, die das zu bewegende Element - wie beim RCL zum Fotoeffekt die Räder mit Grau- und Farbfiltern (Abb. 1) - sehr genau positionieren. Sensoren sind je nach RCL zum Beispiel Lichtsensoren, Geiger-Müller-Zählrohre, Schalter oder - wie beim Fotoeffekt - eine Fotozelle. Interface Das an einen Computer angeschlossene Interface mit Microcontroller und anpassbarer Sensor/Aktor-Elektronik übernimmt die Steuerung der Datenströme von und zu den Sensoren/Aktoren. Bereits jetzt kann ein Experimentator das RCL lokal vor Ort über ein Terminal-Programm mit dem programmierten Befehlssatz des Microcontrollers bedienen (Nahsteuerung). Ein auf dem Computer installierter Webserver mit Informationen zum RCL auf statischen Webseiten und mit der Bedienung des RCLs auf dynamischen Webseiten ermöglicht den Zugriff auf das RCL über das Internet (Fernsteuerung). Bildübertragung per Webcam Die Interaktivität zwischen dem RCL und dem Experimentator wird durch Videobilder von einer oder zwei Webcams (Beobachtung von Versuchseinstellungen und Versuchsergebnissen) und den dynamischen Webseiten (Auswahlfelder für Versuchseinstellungen, Ein- und Ausgabe von Versuchsdaten) hergestellt. Experimentatorseitig werden lediglich ein Internetzugang und ein Computer mit javafähigem Browser benötigt. Gestaltung von RCLs Die Entwicklung von RCLs ist zeitaufwändig und kostenintensiv. Die Investitionen müssen sich bei einer entsprechenden Gestaltung des RCLs und dem Einsatz der Internettechnologie in einem allgemeinen Mehrwert gegenüber MCLs auszahlen. Dazu werden folgende Aspekte beachtet: Authentizität zum MCL RCLs in der Raumfahrt müssen teilweise vollautomatisiert ablaufen. RCls zum Lernen von Physik müssen dagegen möglichst authentisch in der Durchführung zu einem MCL sein, um den Schülerinnen und Schülern Möglichkeiten und Anknüpfungspunkte für ihr eigenes Lernen zu geben. Dazu gehört, dass das RCL in ähnlicher Weise wie das MCL bedient (zum Beispiel Einschalten von Versuchsgeräten) und auf eine automatisierte Auswertung der Versuchsdaten verzichtet wird. Außer der schriftlichen Versuchsauswertung mit einem Taschenrechner können hierbei Tabellenkalkulationsprogramme und Computeralgebrasysteme genutzt werden (siehe Einordnung von RCLs unter den Physikmedien ). Barrierefreie Zugriffsmöglichkeit Der Zugriff auf die RCLs des RCL-Portals ist jederzeit, weltweit, kostenlos, ohne zusätzliche Software und ohne Anmeldung möglich. Ein Buchungssystem wird zukünftig auch die Reservierung von RCLs bieten (siehe Das RCL-Portal ). Intuitive Bedienbarkeit Die Bedienung der meisten RCLs erfolgt mit wenigen Bedienelementen bei maximaler Interaktivität des Nutzers mit dem RCL (siehe Das RCL-Portal ). Vollständigkeit Mit der Lernumgebung zum RCL kann der Nutzer ohne zeitaufwändige Suche von Informationen das RCL durchführen (siehe Das RCL-Portal ). Nachbaubarkeit Durch Dokumentation und durchgehenden Aufbau des RCLs mit Open-Source-Software ist ein Nachbau durch Schülerinnen und Schüler mit möglichst geringen Kosten möglich (siehe Zusatzinformationen ). Gestaltungsfreiheit Der Aufbau von RCLs bietet große Freiheiten in der Gestaltung der Experimentiermöglichkeiten mit dem RCL (siehe Spezifischer Mehrwert von RCLs ). Vorteile gegenüber MCLs und Kompensation von Nachteilen Ein zu flüchtiger Blick auf RCLs verleitet leicht zu der Aussage, dass eine Zwischenschaltung des Internets zwischen Experimentator und Experiment aufgrund der Distanz zu einem Verlust an Qualität gegenüber dem MCL führt. Das Dokument "vorteile_nachteile_RCL.pdf" informiert in Tabellenform über die Vorteile von RCLs gegenüber MCLs und zeigt, wie Nachteile von RCLs kompensiert beziehungsweise vorteilhaft genutzt werden können. Die Realisation eines RCLs nach dem mechanistischen Schema, die Versuchsdurchführung "irgendeines" Experiments fernbedienbar zu machen, ist wenig Erfolg versprechend, weil die Anforderungen an ein qualitativ hochwertiges RCL sehr komplex sind. Die nachfolgenden Leitfragen stellen die Entscheidung für oder gegen die Umsetzung eines in Planung befindlichen RCLs auf eine rationale Basis. Nur so lässt sich ein Mehrwert des realisierten RCLs gegenüber anderen Medien gewährleisten. Leitfragen zum Lehr-Lern-Kontext Ist das Thema des Experiments in der Physik, im Alltag und als Anwendung physikalischer Gesetze bedeutsam? Ist das Thema des Experiments auch Lehrplanthema? Ist das Experiment nicht an Schulen verfügbar (zu teuer)? Wird das Experiment im Unterricht nicht oder nur selten eingesetzt (zu zeitaufwändig, zu kompliziert, zu anspruchsvoll)? Haben Schülerinnen und Schüler Lern- oder Verständnisschwierigkeiten mit dem Thema des Experiments? Ist das Experiment nicht als Schülerversuch durchführbar (zu gefährlich: hohe Spannungen, gefährliche Strahlungen, giftige Substanzen)? Leitfragen zum Experiment Gibt es ausreichende und vielfältige Experimentiermöglichkeiten? Kann eine ausreichende Anzahl quantitativer Messungen durchgeführt werden? Sind über den Standardversuch hinausgehende Messungen möglich? Handelt es sich um ein völlig neues oder von Lehrgeräte-Herstellern nicht lieferbares Experiment? Kann das Experiment als Multi-Use-RCL mit vielen Experimentiermöglichkeiten im Rahmen eines Themengebiets realisiert werden? Leitfragen zur RCL-Realisation Ist der finanzielle und zeitliche Aufwand bei der Realisation durch den Mehrwert des RCLs gerechtfertigt? Ist die Verwendung von Standardkomponenten möglich? Sind alle Versuchsmaterialien beschaffbar oder herstellbar? Ist ein RCL wirklich das geeignete Medium (Simulationen und Messvideos als Alternativen)? Ist das Experiment bis jetzt noch nicht als RCL verfügbar? Können zeitabhängige Versuchsabläufe im Webcam-Bild dargestellt werden (Problem Datenübertragungsrate)? Folgende Punkte sind im Hinblick auf den Erwerb experimenteller Fertigkeiten und Fähigkeiten mit RCLs relevant: Die Anzahl der Experimente, die Schülerinnen und Schüler in Schulen selbst durchführen können, sind durch fehlendes Experimentiermaterial, zu große Klassen, zu hohen zeitlichen Aufwand oder dadurch, dass fast alle Oberstufenexperimente Lehrerdemonstrationsexperimente mit geringen Beteiligungsmöglichkeiten für die Lernende sind, stark begrenzt. Bei RCLs entfällt zwar der Aufbau und die haptische Durchführung des Experiments, was jedoch schneller höhere experimentelle Fähigkeiten in den Fokus rücken lässt. Bei der Nutzung von RCLs als Hausexperimente haben die Schülerinnen und Schüler genügend Zeit, um unbeeinflusst von anderen Lernenden und der Lehrkraft im eigenen Lerntempo experimentelle Fertigkeiten und Fähigkeiten zu üben. Das RCL-Portal zeichnet sich durch die folgenden Eigenschaften aus: Da auf RCLs im Internet weltweit zugegriffen werden kann, sind alle RCLs in englischer und deutscher Sprache, zwei zusätzlich in italienischer und französischer Sprache, verfügbar. Nutzer, die RCLs in ihre Landessprache übersetzen möchten, werden von der AG Didaktik der Physik an der TU Kaiserslautern unterstützt. Der Zugang zum RCL-Portal ist kostenlos und anmeldungsfrei (auch unter einem zukünftigen Buchungsystem). Die technischen Voraussetzungen sind: Ports 8080, 8081 (Windkanal), 8082 (Radioaktivität) und 8083 (Weltpendel Kaisersesch) müssen freigeschaltet sein. Zur Darstellung der Videobilder ist ein Browser mit installierter JRE (kostenloser Download) und mindestens DSL 1000 erforderlich. Zielgruppen des RCL-Portals sind technisch oder naturwissenschaftlich interessierte Laien, Schülerinnen und Schüler sowie Präsenz- oder Fernstudierende. Struktur der RCL-Webseiten Unter dem Hauptmenüpunkt "Labs" findet man die einzelnen RCLs. Nach der Auswahl eines RCLs gelangt man zu dem für alle Experimente einheitlich gestalteten Versuchs-Menü aus Einstieg (Einführung und Zielsetzung), Aufbau (Beschreibung und Daten), Theorie (theoretische Grundlagen und Hinweise zur Versuchsdurchführung), Aufgaben (experimentelle Fragestellungen), Labor (Versuchsdurchführung mit dem RCL), Diskussion (weiterführende Fragestellungen), Material (Versuchsmaterial, didaktisches Material und Literaturhinweise) und Betreuung (Inhaltliche Verantwortung und Versuchsentwickler). Abb. 2 (zum Vergrößern anklicken) zeigt einen Screenshot des RCLs "Windkanal". Struktur der Laborseiten Neben der linken Menüleiste (Abb. 2) werden die Videobilder (maximal zwei) der Webcams sowie die zur Durchführung und Auswertung des Versuchs unmittelbar benötigten Hinweise und Daten angezeigt. Im Bedienfeld rechts daneben kann der Experimentator über Buttons, Auswahllisten, Ein- und Ausgabefelder das RCL steuern. Mit dem Button "RCL RESET" lässt sich bei einer auftretenden Fehlfunktion der Webserver ferngesteuert neu starten. Verfügbarkeit der RCLs Da RCLs Liveexperimente sind, kann immer nur ein Experimentator die Kontrolle über das RCL haben. Ihm steht eine vom RCL abhängige, heruntergezählte Experimentierzeit zwischen zwei und fünf Minuten zur Verfügung (siehe Abb. 2, Bedienfeld oben). Innerhalb dieser Zeit setzt jede Aktion im Bedienfeld die noch verfügbare Experimentierzeit auf den Anfangswert zurück. Damit bleibt das Experiment auch für andere Nutzerinnen und Nutzer verfügbar, die die verbleibende Experimentierzeit angezeigt bekommen und die Aktionen des Experimentators im Videobild der Webcam(s) mitverfolgen können. Um in der Lehre das RCL mit Sicherheit verfügbar zu haben, wird zurzeit ein Buchungssystem entwickelt. Auf dem RCL-Portal sind derzeit die RCLs Elektronenbeugung, Lichtgeschwindigkeit, Fotoeffekt, Beugung und Interferenz, U-I-Kennlinen (zwei Varianten), Roboter im Labyrinth, Windkanal, Maut, Heißer Draht, Optische Pinzette, Optische Computertomographie, Radioaktivität, Rutherfordscher Streuversuch und Oszilloskop verfügbar. Eine verbesserte Variante von Beugung und Interferenz, Weltpendel, Optische Fouriertransformation/Ordnung und Unordnung werden bis Ende 2008 verfügbar sein. Der Datei "ueberblick_RCL_portal.pdf" können zu diesen fast 20 RCLs folgende Angaben entnommen werden: Fachgebiet, Zielgruppe und Lehrplanbezug Das RCL ist einem oder mehreren Fachgebieten zugeordnet. Es ist angegeben, ob das RCL in Sekundarstufe I, Sekundarstufe II oder der Universität und ob es im Rahmen der exemplarisch ausgewählten Lehrpläne von Rheinland-Pfalz eingesetzt werden kann. Single- oder Multi-Use-RCL Single-Use-RCLs sind solche, die in einem Themen- oder Fachgebiet der Physik nur einmalig eingesetzt werden. Häufig sind das Experimente zur Bestimmung von Konstanten. Dagegen decken Multi-Use-RCLs inhaltlich mit ihrer Vielfalt an Experimentiermöglichkeiten fast ganze Themengebiete der Physik ab. Motivation/Lernkontext Es ist angegeben, ob das RCL eher in einem anwendungsorientierten, einem alltagsorientierten oder einem innerphysikalisch Kontext eingesetzt werden kann. In den letzten zwei Jahrzehnten sind im Zuge der Entwicklung von Multimedia und Internet zahlreiche "Species" digitaler Medien entwickelt worden (Abb. 3, zum Vergrößern anklicken). Speziell der Vermittlung physikalischer Inhalte dienen Physikmedien wie Simulationen, Realexperimente sowie Informations- und Lehr-/Lernsysteme. Kognitive Werkzeuge entlasten die Lernenden von Routinearbeiten und regen sie gleichzeitig zu einer vertiefenden Informationsverarbeitung an. Unter den Realexperimenten sind RCLs und die digitale Messwerterfassung Live-Experimente, während bei der Videoanalyse, den interaktiven Bildschirmexperimenten (IBEs) und den Messvideos zunächst ein Video des Experiments aufgenommen und dann zeitversetzt das Experiment wiederholt und ausgewertet wird. Mit Live-Experimenten kann der gleiche Versuch beliebig oft wiederholt werden, was insbesondere bei der Gewinnung größerer Datenmengen und von statistischen Aussagen notwendig ist. Während Realexperimente und speziell RCLs der Untersuchung ausgewählter Realitätsbereiche dienen, werden diese mit Simulationen anhand bekannter physikalischer Gesetzmäßigkeiten vom Programmierer (Applets, Physlets und Simulationsprogramme) oder von den Lernenden selbst (Modellbildung) nachgebildet und untersucht. Die Ergänzung von RCLs durch Simulationen ermöglicht die physiktypische Wechselwirkung von Experiment und Theorie. Innerhalb des RCL-Konzepts, das Experiment durch den Verzicht auf eine automatisierte Auswertung möglichst authentisch zum MCL zu gestalten, spielen die kognitiven Werkzeuge Tabellenkalkulation und Computeralgebrasysteme zur Auswertung und Weiterverarbeitung von Versuchsdaten sowie zum Vergleich von experimentellen und theoretischen Daten eine große Rolle. Die Schülerinnen und Schüler sollen Atommodelle kennen. die alpha-, beta und gamma-Strahlung kennen. künstliche Kernumwandlungen kennen. das Aufstellen von Zerfallsgleichungen beherrschen. erkennen, dass der Unterschied zwischen gesteuerter und ungesteuerter Kettenreaktion für die Nutzung der Kernenergie immens wichtig ist. Thema Atomphysik - vom Atommodell zur Kernenergienutzung Autor Jens Tiburski Fach Physik Zielgruppe Klasse 9, Klasse 10 zur Prüfungsvorbereitung Zeitraum 1-3 Stunden, je nach didaktischem Ort Technische Voraussetzungen Computerarbeitsplätze in ausreichender Anzahl (Einzel- oder Partnerarbeit); VRML-Plugin (zum Beispiel BlaxxunContact ), Java , Video-Player (zum Beispiel DivX oder RealOne Player ) Einsatz im Unterricht Der Einsatz der Sammlung von interaktiven Übungen und 3D-Animationen zur Atomphysik sollte unterrichtsbegleitend erfolgen. Nach der Behandlung des jeweiligen Themas im Unterricht (Arbeitsblätter als Word-Dokumente im Download-Paket "atomphysik_materialien.zip") können Übungsphasen im Computerkabinett den Unterricht lebendiger gestalten und zur Binnendifferenzierung genutzt werden. Die Verwendung der 3D-Animationen soll dabei die Anschaulichkeit erhöhen und die Visualisierung der Aufgabenstellung gerade bei den "unsichtbaren" Sachverhalten im submikroskopischen Bereich vereinfachen. Hinweise zur Nutzung der interaktiven Arbeitsblätter In der Klassenstufe 9 hat sich der Einsatz des Beamers bewährt, wenn die Schülerinnen und Schüler die Arbeit mit interaktiven Arbeitsblättern noch nicht gewohnt waren. Für die Eingaben in die Formularfelder der interaktiven Übungen sollte ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Schreibweise erfolgen. Dies führt zu erhöhter Konzentration und weniger Frusterlebnissen, wenn Fragen inhaltlich richtig, aber infolge falscher Rechtschreibung als falsch beantwortet wurden. Auch Partnerarbeit von Lernenden mit guten Deutschkenntnissen zusammen mit Schülerinnen und Schülern, welchen die deutsche Sprache schwer fällt (Integrationskinder), ist hier gut möglich. Technische Hinweise Um die 3D-Modelle öffnen zu können, ist ein VRML-Plugin nötig. Alle animierten GIFs und interaktiven 3D-Animationen der verwendeten Übungen wurden vom Autor der Unterrichtseinheit mithilfe des 3D-CAD-Programmes FluxStudio erzeugt. Dieses Programm ist für die pädagogische Arbeit als Freeware verfügbar (~ ~http://www.sn.schule.de/~ms16l/virtuelle_schule/Projektwoche_2008/index_projekt.htm~~). Die Schülerinnen und Schüler sollen eine zeitgemäße Atomvorstellung kennen. die Entstehung von Licht beschreiben können. Kenntnisse über die geschichtliche Entwicklung von Modellen haben. physikalische Größen darstellen und interpretieren können. den Zusammenhang zwischen Linienspektren und atomaren Übergängen kennen. die Spektralanalyse anwenden und physikalisch erklären können. Thema der Unterrichtseinheit Das Elektronium-Modell Autor Patrick Bronner Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Klasse 10 (Fortsetzung in Sek II möglich) Zeitraum 9 Stunden (mit Lernzirkel zum Thema "Analogie Licht-Schall": 14 Stunden) Technische Voraussetzungen Demonstrationsrechner mit Beamer, kostenlose Plugins Quicktime-Player und Java3D Methoden Lernzirkel, Gruppenarbeit, Kugellager, Gruppenpuzzle, Theaterspiel, Schülerreferat, Lehrervortrag Die Schülerinnen und Schüler sollen die Vorgänge bei der Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium sowie das Ergebnis beschreiben können. das Funktionsprinzip des Magnetfeldkäfigs zum Einschließen des heißen Plasmas am Beispiel der beiden grundlegenden Reaktortypen Stellarator und Tokamak kennenlernen und erklären können. die Gefahren bei der Nutzung der Kernfusion erarbeiten und im Vergleich mit anderen Formen der Energieerzeugung bewerten. die Kernfusion als potenzielle, nahezu unerschöpfliche Energiequelle der Zukunft erkennen. Thema Wann "zündet" die Idee der Kernfusionstechnologie? Autorinnen und Autor Roland Wengenmayr, Dieter Lohmann, Sabina Griffith Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II, nach didaktischer Reduktion auch Klasse 9 und 10 Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetanschluss in ausreichender Anzahl (Arbeit in Kleingruppen), Flash-Player (kostenfreier Download) Planung Tabellarischer Verlaufsplan Die Materialien der Unterrichtseinheit sind ein Angebot der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. Auf der Webseite max-wissen.de finden Sie weitere Materialien für den Unterricht und Hintergrundinformationen zu aktuellen Forschungsthemen aus Physik, Chemie, Biologie und Erdkunde. An allen max-wissen-Beiträgen sind Fachwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Max-Planck-Gesellschaft beteiligt: Aktualität und fachliche Richtigkeit sind somit gewährleistet. Ein weiteres Angebot der Gesellschaft ist das Fragen-Portal : Lernende und Lehrpersonen können hier Fragen an Forscherinnen und Forscher stellen. Unterrichtsverlauf und Materialien Fachliche Voraussetzungen, Einbettung des Themas in den Unterricht und der Verlauf der Doppelstunde werden hier skizziert. ITER ? der Weg zu neuer, sauberer Energie Für die Fortführung des Themas im Unterricht finden Sie hier weitere Informationen, Grafiken und Links zur internationalen Fusionsforschungsanlage. Ein Remotely Controlled Laboratoy (RCL) ist ein über das Internet fernbedienbares Realexperiment. Die hier vorgestellte Unterrichtsreihe in der Atomphysik nutzt die mediendidaktischen Eigenschaften des RCLs "Rutherfordscher Streuversuch". Lernende können das an Schulen nur selten vorhandene Demonstrationsexperiment als Hausexperiment durchführen, Messdaten in Gruppen zusammentragen und auswerten. Diese werden mit den Vorhersagen der Atommodelle von Dalton, Thomson und Rutherford verglichen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse aus der Mechanik, Elektrostatik und Radioaktivität zur Erklärung der Streuung von Alpha-Teilchen anwenden. mit dem RCL "Rutherfordscher Streuversuch" die Streuung von Alpha-Teilchen experimentell untersuchen. die Vorhersagen zur Streuung der Alpha-Teilchen nach dem Daltonschen, Thomsonschen und Rutherfordschen Atommodell mit den Messergebnissen vergleichen. Arbeitsergebnisse sachgerecht präsentieren. Thema Entdeckung des Rutherfordschen Atommodells mit dem RCL "Rutherfordscher Streuversuch" Autor Sebastian Gröber Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II, Grundstudium Physik und Chemie Zeitraum 10-15 Unterrichtsstunden, je nach Lerngruppe und Unterrichtszielen Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder Zuhause, javafähiger Browser Software Zur Auswertung der Messergebnisse: Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) oder Computeralgebrasystem (zum Beispiel (debug link record:lo_unit_subpage:tx_locore_domain_model_unitsubpages:646351) als kostenfreie 30-Tage-Testlizenz) Zur Simulation der Ablenkung von Alpha-Teilchen: Modellbildungsprogramm (zum Beispiel kostenlose Version von Powersim oder Coach 6 Studio MV. Der Rutherfordsche Streuversuch gehört zu den zentralen Versuchen der Physik. Historisch bildet das mit ihm abgeleitete Rutherfordsche Atommodell den Übergang von früheren Atomvorstellungen (antike Atommodelle und Thomsonsches Atommodell) zu unserer heutigen Atomvorstellung, nach der ein Atom aus einem positiv geladenen Kern und einer negativ geladenen Atomhülle besteht. Der Rutherfordsche Streuversuch liefert ebenso die physikalischen Grundlagen für die heutige Standardmethode der elementspezifischen Analyse von Festkörperproben mittels Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS). Damit ist dieser Versuch sowohl allgemeinbildend für Lernende in Schule und Hochschule als auch fachbildend für Studierende der Physik und Chemie. Vorteile und Lernpotentiale des RCL Welche Vorteile hat das RCL gegenüber dem traditionellen Experiment? Welches Lernpotenzial hat der Rutherfordsche Streuversuch? Steckbrief und Materialien zum RCL ?Rutherfordscher Streuversuch? Informationen zum Versuchsaufbau, zu den Experimentiermöglichkeiten und Link zum RCL; kommentierte Materialien der Unterrichtseinheit zum Herunterladen. Die Schülerinnen und Schüler sollen die reibungsbehaftete Bewegung der Öltröpfchen in Luft qualitativ erklären können. das Ziel "Ladungsbestimmung" des Millikan-Versuchs erkennen. möglichst eigenständig die Formel einer Messmethode zur Bestimmung der Öltröpfchenladung herleiten. einzeln oder in Gruppen mit dem RCL "Millikan-Versuch" Messdaten erheben, zusammentragen und in Diagrammen darstellen. die Ladungsquantelung als Hypothese formulieren und bestätigen sowie die Elementarladung bestimmen. Beschießt man ein Plättchen aus Graphit mit beschleunigten Elektronen, dann beobachtet man auf einem Fluoreszenzschirm ein Muster aus konzentrischen Ringen. Das Erstaunliche dabei ist, dass mit dem "Materieteilchen" Elektron von der Struktur her die gleichen Beugungsmuster erzeugt werden wie mit elektromagnetischen Wellen (Röntgenstrahlung). Mit dem RCL "Elektronenbeugung" können Schülerinnen und Schüler dieses Phänomen im Vergleich zum traditionellen Unterricht in einem ersten Schritt eigenständiger und ohne den lenkenden Einfluss der Lehrkraft entdecken und beginnen, es zu verstehen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse zur Röntgenbeugung an polykristallinen Kristallen im Versuch zur Elektronenbeugung anwenden. erkennen, dass Elektronen Welleneigenschaften zugeordnet werden können. ihre Arbeitsergebnisse an der Tafel oder mit einer PowerPoint-Präsentation vorstellen. Thema Elektronenbeugung - das Elektron als Welle Autor Sebastian Gröber Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-3 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder Zuhause, javafähiger Browser Software Bei der Messung der Ringradien kommen ein Zeichenprogramm (zum Beispiel Paint) und ein Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) zum Einsatz. Die Schülerinnen und Schüler sollen qualitative Experimente zum Fotoeffekt deuten können. Hypothesen zum Zusammenhang zwischen Größen des eingestrahlten Lichts und Größen der ausgelösten Elektronen formulieren. den Zusammenhang zwischen der Energie der Elektronen und der Frequenz beziehungsweise der Intensität des Lichts mit dem RCL "Fotoeffekt" untersuchen. begründet angeben können, welche Versuchsergebnisse zum Fotoeffekt sich im Wellenmodell nicht erklären lassen und wie diese im Fotonenmodell erklärt werden. technisch-physikalische Anwendungen des äußeren und inneren Fotoeffekts kennen lernen. Thema Fotoeffekt und Fotonenmodell des Lichts Autor Sebastian Gröber Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum etwa 4 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder zuhause, javafähiger Browser Software Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel), Computeralgebrasystem ( Maple ) oder spezielles Datenanalyseprogramm (zum Beispiel Origin ) für die Hochschule Wellen- und Fotonenmodell des Lichts sind in ihrer Struktur sehr unterschiedlich: Ist beim Wellenmodell die Lichtenergie über den Raum verteilt, abhängig von der Amplitude und unabhängig von der Frequenz der elektromagnetischen Welle, so ist beim Fotonenmodell die Lichtenergie in einzelnen Fotonen konzentriert und frequenzabhängig. Schülerinnen und Schüler mit dem Fotoeffekt vom Wellen- zum Fotonenmodell zu führen, ist nicht einfach: Anhand eines Versuchs sollen relevante experimentelle Ergebnisse gewonnen und als im Wellenmodell nicht erklärbar erkannt werden. Das Fotonenmodell wird eingeführt und der Fotoeffekt damit erklärt. Die Unterrichtseinheit folgt diesem Weg und versucht die genannten Schritte zum besseren Verständnis für die Lernenden möglichst klar gegeneinander abzugrenzen. Das RCL "Fotoeffekt", eine Tabelle und Aufgaben sind dazu die wichtigsten Medien und Materialien dieser Unterrichtseinheit. Hinweise zum Unterrichtsverlauf und Materialien Lernvoraussetzungen, Unterrichtsverlauf, Steckbrief des RCLs "Fotoeffekt" und Arbeitsmaterialien zur Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Kalk" untersuchen die Lernenden den Einfluss der Kohlenstoffdioxid-Konzentration auf das Calciumcarbonat/Calciumhydrogencarbonat-Gleichgewicht, entwickeln eigenständig ein Experiment und führen es durch.Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich den Lerngegenstand mit einem offenen Schülerexperiment weitgehend eigenständig. Abläufe in einer Tropfsteinhöhle werden in der Folgestunde mithilfe eines Videos veranschaulicht. Die Unterrichtsstunde kann in eine Reihe zum Thema " Bringen wir das Klima aus dem Takt? Der menschliche Eingriff in den natürlichen Kohlenstoffdioxidkreislauf und die Veränderung des Weltklimas " eingebettet werden.Die Unterrichtseinheit hat eine Gelenkfunktion zwischen der Behandlung technischer Prozesse (zum Beispiel Haber-Bosch-Verfahren oder Solvay-Verfahren) und der Thematisierung des Eingriffs in ein natürliches Kreislaufgeschehen. Die Lernenden sollen bei der weitergehenden Behandlung des gesamten Kohlenstoffkreislaufs erkennen, dass die Zusammenhänge in Stoffkreisläufen nicht linearer Natur sind und dass der Eingriff des Menschen weitreichende, negative Folgen haben kann, deren Abwendung politisches Handeln erfordert. Die Naturwissenschaften legen für solche Entscheidungen lediglich die Faktenbasis. Finden Sie mehr methodisch-didaktische Hinweise in den spezifischen Unterrichtsphasen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erklären den Einfluss der Kohlenstoffdioxid-Konzentration auf den Calciumcarbonat/Calciumhydrogencarbonat-Kreislauf. zeigen ausgehend von einem Problem experimentell, dass Kalk sich unter Einwirkung von Kohlenstoffdioxid und Wasser löst. erklären den Vorgang mithilfe von Reaktionsgleichungen im Diskontinuum. sagen die Verlagerung des Gleichgewichts bei Verringerung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration voraus, prüfen und erläutern dies mithilfe des Prinzips von Le Chatelier. stellen Zusammenhänge zwischen chemischen Sachverhalten und Alltagserscheinungen her (höherer Energieverbrauch bei der Heißwasserbereitung durch Verkalkung von Heizstäben, Totalverkrustung von Rohrleitungen bei hoher Wasserhärte, Korrosionserscheinungen in Rohren durch zu weiches Wasser). verstehen die Abläufe in einer Tropfsteinhöhle. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen Online-Ressourcen als Verständnishilfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten kooperativ. arbeiten zielorientiert und selbstständig. Gregor von Borstel, Andreas Böhm: ChemZ – Chemieunterricht mit medizintechnischem Gerät, Naturwissenschaft im Unterricht Chemie, Heft 81, 2004. Mojib Latif, Klaus Wiegandt: Bringen wir das Klima aus dem Takt? Hintergründe und Prognosen. Forum für Verantwortung Frankfurt; Januar 2007. Stefan Rahmstorf, Katherine Richardson: Wie bedroht sind die Ozeane? Biologische und physikalische Aspekte, Frankfurt, Juli 2007. Wenn der Boden plötzlich wegbricht Faszination Höhle

Die Evolution des Universums, der Ursprung und die Entwicklung des Lebens auf der Erde – das sind die Themen des hier vorgestellten Evolutionspfads. In dem fächer- und jahrgangsstufenübergreifenden Projekt entwickeln Schülerinnen und Schüler im Rahmen von Referaten, Fach- oder Projektarbeiten Beiträge zu wichtigen "Meilensteinen" der letzten 14 Milliarden Jahre. Die evolutionären Zeiträume sind kaum vorstellbar. Der Evolutionspfad des Gymnasiums am Stadtpark in Krefeld-Uerdingen soll das Unanschauliche jedoch anschaulich machen: Auf einer Länge von etwa 130 Metern wird die Geschichte des Universums dargestellt. Wichtige und interessante Kapitel - wie zum Beispiel die Entstehung des Planetensystems oder das Auftreten der ersten Vögel - sollen dabei mit Exponaten und Präsentationen von Schülerinnen und Schülern "beleuchtet" werden. Entlang des Pfades durch das Schulgebäude erstreckt sich ein 30 Zentimeter hoher Wandfries, der die Zeiträume in zwei Maßstäben darstellt: Die unvorstellbar großen Realzeit-Zahlen in Jahren werden ergänzt durch Zeitangaben, die die Geschichte des Universums - in Anlehnung an die Schöpfungsgeschichte - auf einen Zeitraum von sechs Tagen verdichten. Das Projekt wird durch die Bayer Foundation gefördert. Wie jede Projektarbeit besitzt die Arbeit an dem Evolutionspfad einen fächerverbindenden Charakter und einen starken Kontextbezug. Neben der Biologie und der Physik sind die Chemie und die Geographie beteiligt. Auch astronomische und astrophysikalische Themen fließen zwangsläufig in die Geschichte des Universums ein. Schülerinnen und Schüler bearbeiten die Themen in Form von Referaten oder auch Facharbeiten. Sie erstellen Informationstafeln oder präsentieren ihre Arbeiten in einem digitalen Bilderrahmen, der in den Evolutionspfad integriert wird. Dadurch kommt diesen Schülerleistungen auch eine besondere Wertschätzung zu. Das Projekt wird ständig fortgeführt und bleibt so "lebendig". Allgemeine Hinweise Als weitere Bausteine des Evolutionspfads dienen Ausstellungsobjekte. Individuelle Förderung und Schulung der Teamfähigkeit spielen bei dem Projekt eine wichtige Rolle. Der Krefelder Evolutionspfad Die ersten Schülerarbeiten sowie die räumliche und zeitliche Einteilung des Krefelder Evolutionspfads werden hier vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen in unterschiedlichen Quellen recherchieren und die Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch auswerten. biologische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache und mithilfe von geeigneten Modellen und Darstellungen beschreiben und veranschaulichen. ihre Arbeit - auch als Team - planen, strukturieren, kommunizieren und reflektieren. den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sach- und situationsgerecht sowie adressatenbezogen in Form von Texten, Skizzen, Zeichnungen, Tabellen oder Diagrammen dokumentieren und präsentieren - auch mithilfe elektronischer Medien. Thema Ein Evolutionspfad durch das Schulgebäude Autor Andreas Birmes Fächer Biologie, Physik, Chemie, Geographie, Astronomie Zielgruppe Sekundarstufe I und II Zeitraum ständige Fortführung, zum Beispiel durch Fach- und Projektarbeiten Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss, Drucker zum Ausdruck farbiger Folien, digitale Bilderrahmen Die hier angegebenen Quellen eignen sich für Recherchen zu Themen der Erdgeschichte und der biologischen Evolution: H. Burda, S. Begall (Herausgeber) Evolution - Ein Lese-Lehrbuch, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (2009) F. R. Paturi Die Chronik der Erde, Chronik Verlag, Augsburg (1996) P. D. Ward Der lange Atem des Nautilus, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (1998) Neben der Entwicklung eigener Beiträge (Informationstafeln, Präsentationen) planen die Lernenden auch die Anschaffung von Exponaten. Es ist vorgesehen, eine möglichst große Vielfalt unterschiedlicher Anschauungsobjekte zusammenzutragen, zum Beispiel unterschiedliche Arten von Fossilien (Abdrücke, Steinkerne, Bernsteineinschlüsse), Repliken und Modellen. Aber auch selbst gesammelte Fossilien und Gesteine sollen ausgestellt werden. Sie können zum Beispiel im Rahmen von Wandertagen oder auf Klassenfahrten gesammelt und bestimmt werden. Um Anregungen für die Präsentation der Ausstellung zu erhalten, ist auch der Besuch von Museen geplant. Als Produkte der Schülerarbeiten entsteht jeweils ein neues Exponat für die Ausstellung. Die Lernenden werden dabei in verschiedener Hinsicht individuell gefördert. Sie besitzen Freiheiten, was die Auswahl ihres Themas, die verwendeten Quellen und die Art der Präsentation (Texttafeln oder elektronische Präsentationen im digitalen Bilderrahmen) und die Anschaffung von Exponaten betrifft. Sie bestimmen ihr eigenes Arbeitstempo und arbeiten im Team zusammen. Dabei kann durch eine arbeitsteilige Vorgehensweise verschiedenen individuellen Fähigkeiten und Vorlieben Rechnung getragen werden. Dies betrifft insbesondere folgende Tätigkeiten: Quellenrecherche Die Recherche schließt neben der Sichtung allgemeiner fachlicher Informationen auch die Sichtung der Internetseiten von Museen und Ausgrabungsprojekten ein. Formulierung von Texten Alle Textbeiträge, die in den Evolutionspfad eingearbeitet werden, müssen adressatenbezogen formuliert, also informativ für die Mitschülerinnen und Mitschüler sein. Zudem müssen sie einheitlichen formalen Anforderungen genügen, zum Beispiel bezüglich der Textlänge und Textgliederung. Erstellung von Folien oder Präsentationen Die Präsentationen werden in einheitlichem Layout konzipiert und am Rechner erstellt. Handwerkliche Arbeiten Hierunter fallen vielfältige Tätigkeiten, wie zum Beispiel das Zurechtsägen und Aufhängen der Tafeln, das Aufkleben der Folien oder auch der Selbstbau von Modellen. Unser Projekt befindet sich noch im Anfangsstadium. Im Jahr 2010 wurden die beiden ersten Schülerarbeiten fertiggestellt. Das erste Ausstellungsstück ist die Replik des Flugsauriers Pterodactylus kochi aus dem Solnhofer Plattenkalk (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Zwei Schülerinnen der Jahrgangsstufe 13 haben die dazugehörigen Informationen für den Evolutionspfad recherchiert und aufbereitet. Außerdem entstand eine Präsentation zur Entstehung von Vielzellern. Dieses Thema war Gegenstand einer Facharbeit der Jahrgangsstufe 12 und wird in einer Zusammenfassung als Präsentation im digitalen Bilderrahmen gezeigt. Realzeit und Sechs-Tage-Woche Der Evolutionspfad erstreckt sich über drei Flure, deren Gesamtlänge etwa 130 Meter beträgt. Am letzten Flur befindet der Biologieraum. Um die großen Zeiträume der Evolutionsgeschichte für die Schülerinnen und Schüler erfahrbar und anschaulich darzustellen, haben wir eine lineare Zeiteinteilung gewählt und geben zwei Zeitmaßstäbe an: Neben den Jahreszahlen ist in Anlehnung an die biblische Schöpfungsgeschichte eine Einteilung der gesamten Entstehungsgeschichte in sechs Tagen dargestellt. "Zeitlupe" für die letzten 2,5 Milliarden Jahre Bei einem durchgängigen, linearen Maßstab nähme der biologisch wichtige Teil der Evolution ab dem Kambrium nur etwa sechs Meter ein. Um dieser Phase einen größeren Raum zu geben, haben wir den Maßstab ausnahmsweise gewechselt: Der erste Flur mit einer Länge von 45 Metern umfasst die ersten fünf Tage der Schöpfungsgeschichte und endet mit dem Archaikum (also vor 2,5 Milliarden Jahren). Danach ändert sich der Maßstab: Auf den übrigen beiden Fluren entspricht eine Strecke von 3,5 Metern einem Zeitraum von 100 Millionen Jahren (Tab. 1). Bezogen auf den sechs-Tage-Maßstab entspricht dies einer Stunde. Auf diese Weise entspricht der Biologieflur (24 Meter Länge) den letzten 720 Millionen Jahren. Die Phylogenese der Gattung Mensch erstreckt sich über eine Länge von nur 10 Zentimetern (zwei Minuten im sechs-Tage-Maßstab), wenn man das erste Auftreten der Gattung Homo auf den Zeitraum vor etwa drei Millionen Jahren datiert. Flur Länge (Meter) Zeitraum (Jahre) Strecke (Meter) entspricht in Jahren Sechs-Tage-Raster (Stunden) Klassenräume 45 14-2,5•10 9 9 2,5•10 9 24 Physik, Chemie 60 2.500-720•10 6 3,5 100•10 6 1 Biologie 24 720•10 6 bis heute 3,5 100•10 6 1

Mit alltäglichen Materialien wird eine Versuchsanordnung entwickelt, mit der sich eine Kettenreaktion auslösen lässt, die wie zufällig wirkt. Durch die Aufzeichnung des Ereignisses mit der Videokamera entsteht eine künstlerische Arbeit.Das Künstlervideo Der Lauf der Dinge des schweizer Künstlerduos Fischli & Weiss gibt die Anregung für ein kontrolliertes Happening nach den Gesetzen der Physik und Chemie. Es bildet den Einstieg für eine grundlegende Reflexion und künstlerische Bearbeitung des Alltagsphänomens Zufall mit neuen Medien. Die Unterrichtseinheit zeigt eine Möglichkeit für die Arbeit mit einem erweiterten Kunstbegriff und für fächerübergreifendes Lernen. Sie entstand im Rahmen des kubim-Projekts "KLiP - Kunst und Lernen im Prozess", das Möglichkeiten erprobte, wie prozesshafte Kunst unter den institutionellen Bedingungen von Schule für Lernprozesse von Kindern und Jugendlichen fruchtbar gemacht werden können. Durch Beobachtung zum eigenen Experiment Den Einstieg in die Thematik bilden Beobachtungsaufgaben. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Naturgesetzlichkeiten der Kettenreaktion im Film von Fischli & Weiss beobachten und erkennen, um diese in einem eigenen Experiment anwenden zu können. Nach der Auswertung des Films bekommen die Schülerinnen und Schüler ein Materialpaket, um einen eigenen Versuchsaufbau zu konstruieren. Sie arbeiten dabei im Team. Der Arbeitsprozess und das fertige Ergebnis werden mit der Videokamera dokumentiert und als Film aufbereitet. Das Thema Zufall kann durch philosophische Texte und Literatur erweitert werden. Beobachten und Analysieren Durch das Beobachten der Vorgänge im Künstlervideo ergeben sich Fragen. Ereignisse hervorrufen Zur Beziehung von Kunst und Naturwissenschaft. Ergebnisse aufzeichnen Die Kettenreaktionen werden filmisch dokumentiert und zu einem Künstlervideo geschnitten. Ergebnisse beurteilen und vertiefen Der fertige Film wird vorgeführt, der Entstehungsprozess reflektiert und vertieft. Inhaltliche Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen die Erscheinungsweise physikalischer Phänomene in ein ästhetisches Produkt umwerten. prozesshaftes künstlerisches Arbeiten kennen lernen und anwenden. sich mit dem Phänomen des Zufalls und der Kettenreaktion praktisch und theoretisch auseinander setzen. Ziele im Bereich der Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Einstellungsgrößen und Schwenks als wesentliche Bestandteile der Filmsprache üben. Identität von Dokumentation und Kunstvideos praktisch erfahren. das filmdramaturgische Konzept des Intervalls kennen lernen und anwenden. Thema Den Zufall erfahren - Experiment mit einer Kettenreaktion Autorin und Autor Susanne Thäsler-Wollenberg, Carsten Eggers Fach Kunst, fächerübergreifend mit Physik oder Chemie Zielgruppe Sekundarstufe I und II Zeitraum 4 bis 12 Unterrichtsstunden Medien Digitale Videokamera, digitale Fotokameras mit Videofunktion, Computer Software Bildpräsentationsprogramm, Videoschnittprogramm Voraussetzungen Grundkenntnisse in der Bedienung der digitalen Videokamera Der Film Das Video "Der Lauf der Dinge" von Fischli & Weiss ist die vermeintlich amateurhaft produzierte Dokumentation einer 30-minütigen Kettenreaktion: Labile Arrangements von Alltagsgegenständen werden zum Einsturz gebracht, wodurch fortwährend gerade so viel Energie freigesetzt wird, um das nächste Arrangement umzustoßen. Der Platz, die Zeit und das Material scheinen hierfür unbegrenzt zur Verfügung zu stehen. Die Künstler, die - bei allem Understatement - Effekte wie Feuerwerkskörper und künstlichen Nebel einsetzen, scheinen wie zufällig auf Materialien wie Autoreifen, Müllsäcke und Trittleitern gestoßen zu sein. Dass das Künstlerduo Fischli & Weiss aber hauptsächlich mit dem gearbeitet haben, was sie im Atelier vorfanden, verleiht dem Video seine Glaubwürdigkeit: Die Betrachterinnen und Betrachter erkennen darin eine "Spielregel", die das Projekt für sie nachvollziehbar macht. Die Ästhetik der kinetischen Energie Die Schülerinnen und Schüler sehen im Film zahlreiche Vorgänge, die eine Ursache und einen Ausdruck haben. Im Gegensatz zur rein naturwissenschaftlichen Betrachtungsweise ist die Beobachtung des Filmes vielschichtiger. Es sollen daher nicht nur physikalische Gesetzmäßigkeiten wie Rückstoß, Hydraulik und schiefe Ebene erkannt werden. Darüber hinaus geht es um die Erscheinungsweise der Bewegung, die mit einer Choreografie verglichen werden kann. Wie sieht ein Vorgang aus, welche Qualität hat die Bewegung? Welche subjektiven Reaktionen folgen? Gefühle wie Erschrecken, Vorahnung und Erleichterung begleiten die Kettenreaktion. Die Faszination macht sich während der Betrachtung in Kommentaren und Gelächter bemerkbar. Der emotionalen Dimension folgt die inhaltliche: "Es geht in diesem Film natürlich auch um das Problem von Schuld und Unschuld. Ein Gegenstand ist schuld, dass es nicht weiter geht, und auch schuld, wenn es weitergeht." (Fischli & Weiss) Filmzeit und Intervall Die Abläufe im Film sind mit nur wenigen Schnitten dargestellt und wirken trotz ihrer Rohheit poetisch. Die Zuschauerinnen und Zuschauer erfahren eine magische Beziehung zu den Gegenständen, die sich auf das Zeiterlebnis ausdehnt. Die Zeit des Films wird in Intervalle gegliedert, in denen gewartet werden muss, bis die nächste Aktion stattfindet. Den Schülerinnen und Schülern, deren Sehgewohnheiten durch extrem schnelle Bildfolgen geprägt sind, werden diese Intervalle des Wartens eine Eingewöhnung abverlangen. Dies führt zur Fragestellung, worin die besondere Attraktion dieses Filmes besteht. Die Schnitte sind im Film so geschickt eingebracht, dass sie erst mit einem Beobachtungsauftrag bewusst werden: Die gleiche Umgebung täuscht einen langen Weg vor, den rollende Objekte zurücklegen; bei chemischen Prozessen verkürzt ein Schnitt die Zeit. Schnitte und Schwenks lassen Rückschlüsse auf den Aufbau und die Entstehung der Kettenreaktion zu. Diese filmischen Mittel sind wichtig für eine gelungene Filmdokumentation der eigenen Arbeit. Ist der Unterricht fächerübergreifend angelegt, erweitert sich das Spektrum der Möglichkeiten. Es kann in den Fachräumen der Physik und Chemie experimentiert werden. Außerdem können die Kenntnisse der Naturwissenschaftler einbezogen werden. Spannend für Schülerinnen und Schüler ist es, wenn sie wie im Film mit Alltagsgegenständen hantieren können, die jetzt ein Schicksal erfahren sollen und eine Aufgabe zugewiesen bekommen. Es kann sinnvoll sein, zunächst jeder Schülerin und jedem Schüler ein einfaches Materialpaket zu geben, mit dem das Gesetz der schiefen Ebene experimentell erfahrbar wird. In der Schule wird man jedoch aus Sicherheitsgründen auf die Energie aus chemischen Reaktionen und den Einsatz von Flüssigkeiten verzichten müssen. Im Team experimentieren und kreative Lösungen finden Sind die Grundlagen verstanden worden, können die Schülerinnen und Schüler im Team zusammen arbeiten. Es lassen sich jetzt kompliziertere Gegebenheiten konstruieren, die mehr als zwei Hände zur Herstellung brauchen. In einer offenen Phase wird durch spielerisches Experimentieren Erfahrungswissen mit verschiedenen Gegenständen gesammelt. Zufall und Planung, Versuch und Irrtum bilden die pragmatische Komponente, in der sich die gemeinsame Intelligenz und Kreativität widerspiegeln. Die Erfahrung zeigt, dass die Zusammenarbeit in solchen Gruppen intensiv ist, da auf ein gemeinsames Ziel hingearbeitet wird und sich die Brauchbarkeit von Ideen an der Realität messen lässt. Werden Lösungen gefunden, stellt sich die Frage der ästhetischen Bewertung. Hier bildet sich die ästhetische Beziehung zum Experiment. In der Diskussion um die dramaturgische Tauglichkeit eines Ereignisses für das Gesamtergebnis wird ästhetisches Urteilsvermögen entwickelt und der Bezug zur Kunst hergestellt. Zeit und Raum für Experimente Die Abläufe im Künstlervideo "Der Lauf der Dinge" funktionieren: es geht manchmal stockend, jedoch kontinuierlich weiter. Die Schülerinnen und Schüler haben die Aufgabe, einen solchen Ablauf nachzubauen, sind jedoch in ihren Mitteln wesentlich eingeschränkter. Es wird je nach Zeit und Raum, die für die Experimente zur Verfügung stehen, zu entscheiden sein, wie lang eine Sequenz pro Gruppe sein kann. Im beschriebenen Experiment erarbeiteten je vier Schüler eine zehn Sekunden andauernde Kettenreaktion in einer Doppelstunde. Erarbeitung von Bewertungskriterien Die Frage der Bewertung einer Versuchsanordnung ist Kriterien unterworfen, die die Schülerinnen und Schüler auch in anderen kreativen Tätigkeiten zu erfüllen haben. Diese ergeben sich bereits durch die Beobachtungsaufträge. Denn die Vielfältigkeit der gefundenen Aktionen und Antriebsarten, die Problemlösung eines funktionierenden Ablaufs und die Dauer der Versuchsanordnung sind objektivierbar. Es gibt naheliegende Lösungen, die sich stark an das Vorbild des Filmes anlehnen, und es wird neue und originelle Ereignisse geben. Die Schülerinnen und Schüler sollten insbesondere in die Beurteilung der Wirkung einbezogen werden. Mögliche Kriterien werden in der Gruppe diskutiert, verschriftlicht und können zur Selbstbewertung herangezogen werden. Wie in jeder künstlerischen Arbeit muss auch in diesem Experiment die Unsicherheit einer offenen Fragestellung einkalkuliert werden. Da das Ergebnis im Team entwickelt wurde, ist die soziale Form der Zusammenarbeit ein weiteres maßgebliches Kriterium. Vorbereitung der filmischen Arbeit in Expertengruppen Die Arbeit im Team sieht vor, dass die Gruppen selbstständig experimentieren. Bis die ersten Ergebnisse gefunden sind, kann je ein Teammitglied zum Kameraexperten ausgebildet werden. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Handhabung der Videokamera, den Gebrauch des Stativs für den Schwenk, die Kameraperspektiven und den Gebrauch des Zooms. Aus den Beobachtungen des Künstlervideos und den Notizen können die Regeln für die praktische Filmarbeit leicht abgeleitet werden. Authentisch wirkt die einfache Aufzeichnung der Verlaufsketten. Es muss sorgfältig überlegt werden, wo die Kamera positioniert werden kann, um die Bewegungen günstig darzustellen. Sind Schwenks nötig, muss der Kameramann oder die Kamerafrau vorher üben, in welche Richtungen sie schwenken muss. Auf ausreichendes Licht und das Vermeiden einer Gegenlichtsituation muss ebenfalls geachtet werden. Aufzeichnung und Schnitt von Videosequenzen Ziel des Kamerabeauftragten ist die Dokumentation von Zwischen- und Endergebnissen. Die Experimente können bereits als Teilsequenzen aufgenommen werden. Diese Methode ist auch sinnvoll, wenn mehrere Unterrichtsstunden an dem Thema gearbeitet wird, sich ein Übergang von einer Sequenz zur nächsten herstellen lässt oder die Versuchsanordnung nicht wiederholt werden kann. Der Filmschnitt kann mit einfacher Schnittsoftware erfolgen. Die Bedienung von Programmen wie dem kostenfreien Windows Movie Maker lernen die Schülerinnen und Schüler in wenigen Minuten. Unterstützung der Wirkung durch den Filmschnitt Gelingt eine gute Vorführung und Dokumentation der Kettenreaktion, kann auf einen Schnitt des Materials verzichtet werden, da der Film seinen Reiz aus der Authentizität bezieht. Sind Ereignisse als Sequenzen aufgenommen worden, kann ein Zusammenschnitt filmdramaturgische Überlegungen einbeziehen. Den Schnitt sollten mindestens zwei Gruppenmitglieder durchführen. Die Schülerinnen und Schüler müssen erkennen, wo die Kettenreaktion zu schnell oder zu langsam abläuft, wo überflüssige Passagen gekürzt oder durch ein Zeitlupentempo verändert werden können. Impulse durch die eigene Arbeit Das Ergebnis der eigenen Arbeit ist der Anlass, weiterführende Fragestellungen zu bearbeiten. Die praktische Erfahrung, die sich nun in einem eigenen Medienkunstwerk spiegelt, kann künstlerische Ebenen aufschließen, deren Verständnis Zugang zu weiteren Werken der zeitgenössischen Kunst eröffnet. Der künstlerische Prozess kann bei den Schülerinnen und Schülern neue Ideen ausgelöst haben, die sie weiter bearbeiten wollen. Reflexion über den Zufall "Man spricht von Zufall, wenn ein Ereignis nicht notwendig oder nicht beabsichtigt auftritt. Umgangssprachlich bezeichnet man ein Ereignis auch als zufällig, wenn es nicht absehbar, vorhersagbar oder berechenbar ist. Zufälligkeit und Unberechenbarkeit oder Unvorhersagbarkeit sind jedoch nicht dasselbe. Als zufällig gelten Ereignisse wie eine Augenzahl beim Würfeln oder das Ergebnis eines Münzwurfs, jedenfalls wenn eine Manipulation ausgeschlossen wurde." ( Artikel "Zufall", Wikipedia ) Zusammenschau des Phänomens Die Unterrichtseinheit greift ein grundlegendes philosophisches und naturwissenschaftliches Problem auf, welches in seiner Vielschichtigkeit historisch in unterschiedlichen Geistes- und Naturwissenschaften bearbeitet worden ist und auf die es keine endgültigen Antworten gibt. Da das Thema an Alltagserfahrungen anknüpft, eignet es sich grundsätzlich für jede Altersstufe und kann in seiner Reflexionstiefe in unterschiedliche Richtungen weitergedacht werden. Die unmittelbaren und vergleichbaren Erlebnisse mit dem Zufall beinhalten die poetische und schicksalhafte Dimension des Lebens und eröffnen den Blick auf grundlegende philosophische Fragestellungen. In Zusammenarbeit mit andern Fächern, in denen ergänzend die Peripherie bearbeitet wird, kann eine Zusammenschau des Phänomens erfolgen.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) besitzen enormes Zukunftspotenzial als energieeffiziente Beleuchtungsmittel. Neben einem deutlich geringeren Energieverbrauch als bei LED-Displays weisen OLEDs eine hervorragende Bildqualität und noch viele weitere Vorteile auf.Organische Leuchtdioden (OLEDs) revolutionieren derzeit die Beleuchtungsindustrie. Energiesparlampen und Halogenstrahler - in wenigen Jahren werden diese Lichtquellen vielleicht vergessen sein. Bei OLEDs handelt es sich um dünne Folien, die tagsüber transparent sind und nachts in allen denkbaren Farben leuchten. Organische Leuchtdioden sind hocheffiziente Lichtquellen, die viele positive Eigenschaften haben: sie sind äußerst energiesparend, leuchten großflächig, sind extrem dünn und außerdem voll dimmbar. Außerdem haben OLEDs keine Verzögerungszeit beim Einschalten und sie sind so flexibel und transparent herzustellen, dass man sie sogar in Fensterscheiben integrieren kann. Relevanz des Themas Die Unterrichtseinheit kann beispielsweise zu einer längeren Unterrichtsreihe in Physik zum Thema "Licht" eingegliedert werden. Zunächst müssen im Unterricht wichtige Grundlagen der Strahlen- und Wellenoptik sowie der Quantenphysik erarbeitet werden. Zu den vorab zu behandelnden Themen sollten unter anderem die Reflexion, Brechung, Brechungsgesetz, Beugung und Interferenz von Licht sowie der Welle-Teilchen-Dualismus des Photons gehören. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit aktuellen Forschungsergebnissen zur Bedeutung von OLEDs für neue optische Licht- und Speichermedien auseinandersetzen und diese auswerten. Hintergrundinformationen zu OLEDs Hier finden Sie nähere Informationen zu OLEDs und Biolumineszenz von Leuchtkäfern sowie zu Perspektiven für die Medizinforschung. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Organischen Leuchtdiode verstehen und beschreiben können. ein Thema selbstständig recherchieren und beschreiben können. wichtige Anwendungsbereiche für OLEDs kennenlernen. in reduzierter Form wissenschaftliche Neuentwicklungen für OLEDs bewerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen eine interaktive Lernumgebung bedienen können. Informationen zur Thematik aus einem Text entnehmen, wesentliche Aussagen verstehen und in eigenen Texten wiedergeben können. die Nutzungsmöglichkeiten des Internets kennen- und anwenden lernen. Thema Organische Leuchtdioden aus Kohlenstoff Autorin Jana Haberstroh Fächer Physik, Chemie, Biologie, Technik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Klasse 7 Zeitraum circa 2-3 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang (am besten für je 2 Personen), Beamer Der deutsche Chemiker Herbert Naarmann hat bereits 1969 Strom leitende Polymere - die Vorstufe der OLED - beobachtet, doch es sind noch ganze 21 Jahre vergangen, bis eine Forschergruppe in Cambridge erstmals eine Leuchtdiode herstellte. Die verwendeten organischen Halbleiterschichten waren nur etwa 100 Nanometer dick, also zehntausend Mal dünner als ein Millimeter. Alleine die Leuchteffizienz und Lebensdauer der OLEDs blieben jahrelang hinter der Konkurrenz zurück. Immer wieder entdeckten Forscher "Nebenwirkungen", wie zum Beispiel die Verkürzung der Lebensdauer durch kleinste Verunreinigungen. Auch der Aufbau wurde immer komplizierter. Um gegen Luftfeuchtigkeit resistent zu werden, müssen die OLEDs hinter Glas geschützt werden. Aufbau einer organischen Leuchtdiode Ein transparentes Substrat (Glas, Quarz oder Polymerfolie) dient als Basis für den Aufbau. Die Anode, eine ITO-(Indium-Zinn-Oxid-) Schicht ist elektrisch leitfähig und für sichtbares Licht durchlässig. Das Licht entsteht in den "aktiven" organischen Schichten, wenn dort Paare von Elektronen und "Löchern" rekombinieren und jeweils ein Photon erzeugen. Das Licht wird durch das optisch transparente Substrat abgestrahlt. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, werden für den Transport von Ladungsträgern eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgebracht. Schließlich wird als Kathode ein optisch nicht transparenter Metallkontakt aufgedampft. Beim Anlegen einer äußeren Spannung von weniger als 5 Volt zwischen Kathode und Anode kommt es zur Emission von Licht, dessen Farbe von den eingesetzten aktiven Materialien abhängt. Die Chemie der OLEDs Die OLED basieren auf organischen Kohlenstoffmolekülen, also Verbindungen aus mehreren Kohlenstoffteilchen mit anderen Elementen. Setzen sich mehrere gleiche Molekülketten aneinander, dann entstehen sogenannte Polymere. Diese verhalten sich wie Halbleiter, was zur Folge hat, dass sie elektrischen Strom leiten. Und mit diesem bringt man die Folien zum Leuchten. Die Lichtfarben bestehen aus Kohlenstoff-Ringstrukturen, in die ein metallisches Zentralatom integriert wird - beispielsweise Edelmetalle wie Platin oder Iridium. Der OLED-Regenbogen Die OLEDs leuchten beim Anlegen einer Spannung, ob gelb, grün, rot oder blau - alle Farben sind möglich. Die Farbe der Emission wird anders als bei den anorganischen LEDs durch die Energielücke des Halbleiters bestimmt (durch die Energie, die frei wird, wenn ein Elektron und ein "Loch" zusammentreffen und rekombinieren). Diese Energie und damit die Farbe der Emission kann durch die Wahl des organischen Materials gezielt verändert werden. Innerhalb weniger Jahre hat man bereits sämtliche Farben von Rot über Grün bis Blau realisiert. Die Entwicklung ist bereits so weit fortgeschritten, dass erste vollfarbige Bildschirmprototypen hergestellt werden konnten. LED versus OLEDs Anders als bei den anorganischen LEDs wird weißes Licht durch Mischen der Grundfarben rot, blau und gelb erzeugt. Blau ist die Achillesferse der weißen OLED - dieser Farbstoff ist am kurzlebigsten. Multitalent OLED Der größte Markt für OLEDs ist der Bereich "Display", das heißt, OLEDs werden beispielsweise für Fernseher oder Displays von Mobiltelefonen eingesetzt. Displays aus organischen Leuchtdioden benötigen keine Hintergrundbeleuchtung und ermöglichen einen geringen Stromverbrauch. Sie ermöglichen zudem einen größeren Betrachtungswinkel. Zukunftsvision leuchtende Tapeten Organische Leuchtdioden dienen sogar als Basis für Tapeten, die Licht erzeugen und sogar, je nach Stimmung, die Farbe wechseln können. Diese gedruckte Elektronik wird im Fachjargon Polytronik genannt. Die Leuchtfolie emittiert ein für das Auge angenehmes, monochromatisches Kaltlicht, das auch bei Staub, Rauch oder Nebel besser sichtbar sein soll als jede andere Lichtquelle. Die Glühwürmchen sind die OLEDs des Tierreiches. Sie können ihr gelbliches Licht, welches in der Paarungszeit werbewirksam eingesetzt wird, ein- und ausschalten. Forscherinnen und Forscher haben die dahinter stehenden Grundlagen der Lumineszenz analysiert und festgestellt, dass einige natürliche Polymere Halbleitereigenschaften haben und somit für den Transport elektrischer Ladungen geeignet sind. Solche konjugierten Polymere können mittlerweile künstlich und genau spezifiziert hergestellt werden. Halbleiter und andere elektrische Bauteile sind also bald nicht mehr auf Kristallstrukturen angewiesen, sondern können aus Kunststoffen gefertigt werden. In der medizinischen Forschung benutzt man ebenfalls Zellen oder Bakterien mit integiertem Luciferase-Gen. Injiziert man beispielsweise einer Maus Salmonellen-Erreger, die das Luciferase-Gen tragen, so breiten sich die Erreger in ihrem Körper aus. Infusiert man eine Luciferinlösung, so kann man diese Ausbreitung durch das entstehende Licht von außen verfolgen, ohne die Maus zu töten. Analog verhält es sich mit markierten Karzinomen bei denen man die Metastasenbildung und Verbreitung optisch durch das emittierte Licht verfolgen kann.