Arbeitsblatt: Stoffe erforschen, Naturwissenschaften entdecken

Themengebiet: Schule, Ausbildung, Bildung Unterrichtsmaterial für 5. und 6. Klassen aller Schulformen Stoffe erforschen, Naturwissenschaften entdecken Inhaltsverzeichnis VOM IMPULSEXPERIMENT ZUM FORSCHERAUFTRAG — EINE ANLEITUNG Spannende Stoffe erforschen Einstieg über Impulsexperimente mit Wow-Effekt Ergänzungsexperiment und Forscherauftrag Sicheres Experimentieren im Unterricht Naturwissenschaften sprachsensibel unterrichten BRÜCKEN BAUEN MIT FÄCHERÜBERGREIFENDEN BASISKONZEPTEN BAUSTEIN 1: KUNSTSTOFFFOLIEN — UNGEWÖHNLICHE UND NÜTZLICHE EIGENSCHAFTEN Impulsexperiment: Zappelfisch Hypothesen bilden Ein Experiment planen Methodenkompetenz trainieren Ergänzungsexperiment: Mit Biofolie stark verpackt Nach Anleitung experimentieren Forscherauftrag: An die Kekse, fertig, los! Eine Testreihe starten Eine Testreihe auswerten BAUSTEIN 2: SCHAUMSCHLÄGEREI — STRUKTUR UND FUNKTION VON SCHÄUMEN Impulsexperiment: Schaumschlägerei Zielorientiert experimentieren Materialorientiert experimentieren Ergänzungsexperiment: Mit Badeschaum mollig warm? Eine Messreihe durchführen und dokumentieren Messfehler diskutieren Forscherauftrag: Hartes Wasser oder weicher Schaum? Ein Phänomen mittels Anleitung kennenlernen Durch Wissenstransfer eine Analysemethode entwickeln 2 4 4 5 6 6 7 8 10 12 12 13 13 15 16 17 18 19 20 22 23 23 25 26 27 28 28 29 BAUSTEIN 3: WASSERPERLEN — ALGINATE IN DER MOLEKULARKÜCHE 30 Impulsexperiment: Wasserperlen Genau beobachten und beschreiben Zwischen Beobachtung und Erklärung unterscheiden Ergänzungsexperiment: Mit Puddingpulver hell erleuchtet Wichtige Labortechniken erlernen Forscherauftrag: Süß und salzig Mit vorgegebener Methode ein Produkt entwickeln und optimieren 32 32 33 34 35 36 37 BAUSTEIN 4: TINTENZAUBER — ROHSTOFFE UND REAKTIONEN VON FARBEN 38 Impulsexperiment: Tintenzauber Eine eigene Forscherfrage entwickeln und mit einem Experiment beantworten Ergänzungsexperiment: Tinte aus Tee Eine historisch bedeutende Farbreaktion erkunden Eine bekannte Reaktion mit neuem Ausgangsmaterial durchführen Forscherauftrag: Geheimdienst Chemie Wissen über chemische Reaktionen anwenden 40 40 42 43 43 44 45 Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wurde im folgenden Text die männliche Sprachform gewählt. Sämtliche Personen- und Berufsbezeichnungen gelten gleichermaßen für beide Geschlechter. 3 om Impulsexperiment zum ¥VForscherauftrag – eine Anleitung Ziel des vorliegenden Unterrichtsmaterials ist es, über selbstständiges Experimentieren das Interesse von Schü lern der Klassen 5 und 6 für Stoffe in ihrem Alltag zu wecken und sie für die Naturwissenschaften zu begeistern. Dazu wurden ungewöhnliche Experimente mit Alltagsbezug für diese Altersgruppe zusammengestellt. Ein kompetenzorientierter Zugang über die Erkundung naturwissenschaftlicher Phänomene eignet sich für alle Schulformen und legt die Grundlagen für den späteren Fachunterricht in Biologie, Chemie und Physik. Das Unterrichtsmaterial ist interdisziplinär angelegt und eignet sich für den in vielen Bundesländern üblichen Unterricht der Naturwissenschaften in den Klassen 5 und 6. Eine Übersicht exemplarischer Verknüpfungen mit Inhalten der Rahmenpläne findet sich am Anfang jedes Kapitels. Die meisten der dargestellten Experimente können in einem Klassenraum ohne fachraumspezifische Einrichtung durchgeführt werden. Die Ausstattung dazu wurde bewusst einfach gehalten. Lehrkräfte benötigen minimale Vorbereitungszeiten. Es werden fast ausschließlich Haushaltschemikalien verwendet, die kostengünstig und leicht erhältlich sind. Das relativ geringe Gefahrenpotenzial erlaubt es, die Schülerexperimente mit der gesamten Klasse durchzuführen. Die meisten Experimente können in einer Schuldoppelstunde durchgeführt werden. Sie sind vielfach erprobt und gelingen in der Regel problemlos. 4 Spannende Stoffe erforschen Die vorliegenden Materialien umfassen vier Bausteine mit jeweils drei Experimenten, die die Eigenschaften jeweils eines Stoffes aus unterschiedlichen Blickwinkeln beleuchten. Im 1. Baustein Kunststofffolien befassen sich die Schüler mit den ungewöhnlichen und nützlichen Eigenschaften von Kunststofffolien. Sie experimentieren mit einem Folienfisch, der sich scheinbar von alleine bewegt (Zappelfisch) und stellen selbst eine Folie aus Stärke her. Im 2. Baustein Schaumschlägerei erkunden die Schüler, wie Schaum aus Seife entsteht und welche dämmende und reinigende Wirkung dieser haben kann. In 3. Baustein Wasserperlen führen die Schüler faszinierende Experimente mit Alginaten durch. Sie extrahieren fluoreszierende Stoffe und schließen diese in die zunächst unsichtbaren Wasserkugeln ein. Abschließend kreieren sie einen leckeren und gesunden Cocktail. Im 4. Baustein Tintenzauber stellen die Schüler eine Tinte nach einem historischen Rezept her und erfahren, dass es sich keinesfalls um Zauberei handelt, sondern um – zum Teil reversible – chemische Reaktionen, wenn Tinten ihre Farbe verlieren und wiedergewinnen. HINWEIS Ein Tagebuch der Stoffe führen Um deutlich zu machen, dass alles, was uns umgibt, aus Stoffen besteht, und um inhaltliche Zusammenhänge zu schaffen, die über eine isolierte Behandlung des Themas hinausgeht, wird hier vorgeschlagen, die Schüler ein Forschertagebuch der Stoffe führen zu lassen. Die Schüler erhalten dazu die Kopiervorlage 1 (KV 1 – Stofftagebuch), mit deren Hilfe sie beispielsweise ein DIN-A5-Heft anlegen, das kontinuierlich mit Infor mationen zu Stoffen gefüllt wird. Dies können Sub stanzen sein, mit denen sie experimentieren (siehe Hinweise in Tabellen zu Beginn jedes Bausteins) oder solche, die sie aus ihrem Alltag kennen. Die vorgegebenen Kategorien können geändert oder ergänzt werden. „Interessante Begriffe erlaubt Sprachförderung im Unterricht der Naturwissenschaften; Einträge unter „Was mich zu diesem Stoff interessiert ermöglichen es, spannende Zusatzaufgaben beispielsweise für leistungsstarke Schüler zu identifizieren. Als Vorbereitung sollte die Kennzeichnung von Gefahrstoffen nach GHS mit den Schülern besprochen werden. Hierzu finden sich Materialien in allen gängigen Schulbüchern und im Internet. Einstieg über Impulsexperimente mit Wow-Effekt Herzstück jedes Bausteins ist das Impulsexperiment, das überraschende Effekte liefert und damit Interesse weckt, naturwissenschaftlichen Phänomenen auf den Grund zu gehen. Mit Arbeitsblättern, die beispielsweise Hypothesenbildung, Versuchsplanung und -protokollierung erleichtern, werden die Schüler kompetenzorientiert an naturwissenschaftliches Arbeiten herangeführt. Sie üben dabei, Anleitungen genau zu befolgen und offene Auf gaben zu bearbeiten. Teilweise werden Methoden wie die Darstellung von Messwerten in einer Tabelle vorgegeben; teilweise entscheiden die Schüler selbst, wie sie einzelne Aufgaben bearbeiten. In den Bausteinen 2 und 4 experimentieren die Schüler mit Stoffen, die mit Gefahrenpiktogrammen gekennzeichnet sind: Handspülmittel und Eisensulfat. Spätestens vor dem Einsatz dieser Stoffe sollte die Bedeutung der Piktogramme thematisiert werden. Außerdem werden die Schüler zu Hause auf zahlreiche gekennzeichnete Produkte stoßen, die sie in ihrem Tagebuch der Stoffe eintragen können. Auch dann ist es wichtig, dass sie die Bedeutung der Piktogramme kennen. 5 Impulsexperiment Mit überraschenden Effekten Interesse wecken, naturwissenschaftlichen Phänomenen auf den Grund gehen. Ergänzungsexperiment Nach Anleitung Wissen erwerben und Kompetenzen vertiefen. Forscherauftrag Mit offenen Aufgaben zum pro blemorientierten und forschenden Lernen hinführen. E rgänzungsexperiment und Forscherauftrag Zu jedem Impulsexperiment werden zwei weitere Experimentiereinheiten vorgeschlagen. Im Rahmen eines Ergänzungsexperiments arbeiten die Schüler weitgehend angeleitet; ein Forscherauftrag führt zum problemorientierten und forschenden Lernen hin. Alle Experimente sollten in Teams von zwei bis vier Schülern bearbeitet werden. Die Bausteine bauen teilweise methodisch aufeinander auf. Es wird deshalb empfohlen, sie in der vorgeschlagenen Reihenfolge zu bearbeiten. Je nach der zur Verfügung stehenden Zeit können die Impulsexperimente mit den ergänzenden Experimenten oder ohne sie behandelt werden. Sicheres Experimentieren im Unterricht Alle im Folgenden beschriebenen Experimente können in einem Klassenraum durchgeführt werden. Ein Wasseranschluss im Raum ist von Vorteil. Lediglich bei drei Experimenten der Bausteine 2 und 4 ist eine Schutzausrüstung mit Brillen und Handschuhen notwendig. Entsprechende Hinweise finden sich bei der Beschreibung der Experimente. Bevor die Schüler mit dem selbstständigen Experimentieren beginnen, müssen sie über Regeln zum sicheren Experimentieren eingewiesen werden. Quellen hierfür finden sich in allen modernen Lehrbüchern für den Unterricht der Naturwissenschaften. Die Schüler können die allgemeinen Experimentierregeln als Poster für den Klassenraum gestalten, das zum Beispiel folgenden Text umfasst: Keine Chemikalien in den Mund nehmen Beim Arbeiten mit Gefahrstoffen Schutzbrillen und Handschuhe tragen Genau zuhören Langsam gehen und nicht toben Gut im Team zusammenarbeiten Sorgfältig arbeiten und am Schluss aufräumen Bei einzelnen Experimenten sollen die Ergebnisse verkostet werden. In diesem Fall ist im Klassenraum zu arbeiten, und es sind Alltagsgerätschaften zu verwenden, die noch keinen Einsatz im naturwissenschaftlichen Fachraum hatten. Geben Sie den Kindern klar zu verstehen, wann das Verkosten beginnt, während der Phase des Experimentierens darf nichts gegessen werden. Auch muss auf hygienisch sauberes Arbeiten geachtet werden. Für alle zwölf Experimente dieses Unterrichtsmaterials wurde eine Gefährdungsbeurteilung1 durchgeführt und die Möglichkeit einer Substitution bei allen Experimenten mit Gefahrstoffen geprüft. Die identifizierten Ge fahren und notwendigen Schutzmaßnahmen werden in diesem Material aufgeführt und sind mit diesem Symbol gekennzeichnet: Bei den Gefährdungsbeurteilungen handelt es sich um Vorschläge der Autoren für den Unterricht in 5. und 6. Klassen. Diesen ist weder die Lerngruppe bekannt, noch haben sie Einsicht in die räumlichen Gegebenheiten der Schule. Die fachkundige Lehrkraft sollte daher die Gefährdungen im Einzelfall eigenverantwortlich prüfen und an die tatsächlichen Gegebenheiten anpassen. 1 6 ie Gefährdungsbeurteilungen können auf www.vci.de/fonds/nawi heruntergeladen werden. aturwissenschaften sprachsensibel unterrichten Sprachsensibler Unterricht in den Naturwissenschaften bietet große Chancen, durch Schülerexperimente und damit verbundene Aufgaben gerade die Schüler zum Sprachelernen zu motivieren, die über andere Themen nicht oder nur viel schwerer erreicht werden. Zum anderen können sprachliche Hilfestellungen gewährleisten, dass Schüler mit geringer Sprachkompetenz nicht davon ausgeschlossen werden, sich mit spannenden Themen aus den Naturwissenschaften zu beschäftigen. Die Arbeitsblätter dieses Unterrichtsmaterials wurden deshalb so gestaltet, dass sie sprachsensiblen Fachunterricht ermöglichen. Bei den Arbeitsblättern kommen dazu unterschiedliche Methoden zum Einsatz. Diese reichen vom Lückentext über die Aufforderung, Laborgeräte und Versuchsanleitungen zu zeichnen, bis hin zu bebilderten Anleitungen, zu denen Texte verfasst werden sollen. Hierfür muss vor dem eigentlichen Experimentieren Zeit investiert werden. Idealerweise geschieht dies auch im Deutschunterricht. Und genau wie die Schüler beim Experimentieren im Team arbeiten sollen, soll dies auch bei den Aufgaben zur Sprachförderung geschehen, damit in diesem Bereich leistungsschwache Schüler von leistungsstarken profitieren. Bei einigen Arbeitsblättern wurde bewusst darauf ver zichtet, alle Arbeitsschritte nach dem sogenannten Forschungskreislauf (Forscherfrage, Vermutung, Material, Versuchsbeschreibung, Beobachtung, Erklärung) durch die Schüler dokumentieren zu lassen; stattdessen wurden die für das jeweilige Experiment wichtigsten Schritte für die Verschriftlichung ausgesucht. Außerdem steht eine Kopiervorlage für ein Protokoll (Kopiervorlage 4) zur Verfügung, das für jedes beliebige Experiment genutzt werden kann. Mit der Kopiervorlage 5 (Protokoll-Checker) können Sie Ihren Schülern effiziente Rückmeldung zu deren Protokollen geben, indem Sie das Kodierungsmanual nutzen. Der Forschungskreislauf Indem die Schüler zu einem beobachteten Phänomen eine eigene Frage stellen und diese dann durch ein Experiment beantworten, arbeiten sie nach dem sogenannten Forschungskreislauf: Frage stellen Ergebnisse erörtern Ergebnisse festhalten Idee Vermutung FORSCHEN Beobachtungen aufschreiben Versuch durchführen Genau beobachten Nach einer Beobachtung formulieren die Schüler dazu selbstständig eine Frage, die sie mit einem Experiment beantworten möchten. Sie vermuten, wie die Antwort lautet (Hypothese). Sie planen und führen das Experiment durch. Sie beobachten den Verlauf und das Ergebnis des Experiments. Sie werten die Ergebnisse aus. Sie präsentieren die Ergebnisse im Plenum. Daraus ergeben sich eventuell neue Fragen: Der Kreislauf schließt sich und beginnt erneut. 7 aturwissenschaften sprachsensibel unterrichten Sprachsensibler Unterricht in den Naturwissenschaften bietet große Chancen, durch Schülerexperimente und damit verbundene Aufgaben gerade die Schüler zum Sprachelernen zu motivieren, die über andere Themen nicht oder nur viel schwerer erreicht werden. Zum anderen können sprachliche Hilfestellungen gewährleisten, dass Schüler mit geringer Sprachkompetenz nicht davon ausgeschlossen werden, sich mit spannenden Themen aus den Naturwissenschaften zu beschäftigen. Die Arbeitsblätter dieses Unterrichtsmaterials wurden deshalb so gestaltet, dass sie sprachsensiblen Fachunterricht ermöglichen. Bei den Arbeitsblättern kommen dazu unterschiedliche Methoden zum Einsatz. Diese reichen vom Lückentext über die Aufforderung, Laborgeräte und Versuchsanleitungen zu zeichnen, bis hin zu bebilderten Anleitungen, zu denen Texte verfasst werden sollen. Hierfür muss vor dem eigentlichen Experimentieren Zeit investiert werden. Idealerweise geschieht dies auch im Deutschunterricht. Und genau wie die Schüler beim Experimentieren im Team arbeiten sollen, soll dies auch bei den Aufgaben zur Sprachförderung geschehen, damit in diesem Bereich leistungsschwache Schüler von leistungsstarken profitieren. Bei einigen Arbeitsblättern wurde bewusst darauf ver zichtet, alle Arbeitsschritte nach dem sogenannten Forschungskreislauf (Forscherfrage, Vermutung, Material, Versuchsbeschreibung, Beobachtung, Erklärung) durch die Schüler dokumentieren zu lassen; stattdessen wurden die für das jeweilige Experiment wichtigsten Schritte für die Verschriftlichung ausgesucht. Außerdem steht eine Kopiervorlage für ein Protokoll (Kopiervorlage 4) zur Verfügung, das für jedes beliebige Experiment genutzt werden kann. Mit der Kopiervorlage 5 (Protokoll-Checker) können Sie Ihren Schülern effiziente Rückmeldung zu deren Protokollen geben, indem Sie das Kodierungsmanual nutzen. Der Forschungskreislauf Indem die Schüler zu einem beobachteten Phänomen eine eigene Frage stellen und diese dann durch ein Experiment beantworten, arbeiten sie nach dem sogenannten Forschungskreislauf: Frage stellen Ergebnisse erörtern Ergebnisse festhalten Idee Vermutung FORSCHEN Beobachtungen aufschreiben Versuch durchführen Genau beobachten Nach einer Beobachtung formulieren die Schüler dazu selbstständig eine Frage, die sie mit einem Experiment beantworten möchten. Sie vermuten, wie die Antwort lautet (Hypothese). Sie planen und führen das Experiment durch. Sie beobachten den Verlauf und das Ergebnis des Experiments. Sie werten die Ergebnisse aus. Sie präsentieren die Ergebnisse im Plenum. Daraus ergeben sich eventuell neue Fragen: Der Kreislauf schließt sich und beginnt erneut. 7 rücken bauen mit fächerübergreifenden ¥BBasiskonzepten Die Naturwissenschaften haben in jüngster Vergangenheit zunehmend Einzug in die Grundschulen gehalten; der Anteil an Themen aus Biologie, Chemie und Physik ist in den Lehrplänen des Sachunterrichts in Deutschland in den letzten Jahren deutlich gestiegen.2 Fächerübergreifender Unterricht der Naturwissenschaften in den Klassen 5 und 6 bietet die Chance, an die Erfahrungen der Grundschüler mit naturwissenschaftlichen Themen anzuknüpfen und den Fachunterricht in Biologie, Chemie und Physik vorzubereiten – in einer Entwicklungsphase der Schüler, in der diese sich immer noch mit großer Neugier und Begeisterung auf Themen aus den Naturwissenschaften einlassen. Im Rahmen des vorliegenden Unterrichtsmaterials wird empfohlen, zur Vermittlung von Fachwissen fächerübergreifende Basiskonzepte einzusetzen, die für die Grundschule ausgesucht wurden3, aber auch für den naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht eingesetzt werden können.4 Es handelt sich um drei einfache Konzepte, die Schüler – mit etwas Übung – direkt dazu verwenden können, beobachtete Phänomene zu analysieren und dann altersgerechte Erklärungen zu finden. Die drei Basiskonzepte lauten: 2. Basiskonzept: Mit Energie kann man etwas tun. Konzept der Energie 1. Basiskonzept: Auf der Welt geht nichts verloren. Konzept der Erhaltung Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh); Bildung in Chemie stärken – Tutzinger Offensive der GDCh für die Jahrgangsstufen 5 6, 2017 R. Demuth, K. Rieck; Schülervorstellungen aufgreifen – grundlegende Ideen entwickeln; SINUS-Transfer Grundschule, 2005 4  R. Demuth, K. Rieck; Grundlegende Konzepte für den naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht; Praxis der Naturwissenschaften – Chemie in der Schule 54 (4), S. 22–29, 2005 2 3 8 Schüler, die diese Basiskonzepte verinnerlicht haben, wissen beispielsweise, dass das Wachs einer brennenden Kerze nicht „verschwindet, dass ein Windrad Energie braucht, um sich zu drehen, und dass Pflanzen nicht zufällig nach oben wachsen. Wer dies versteht, wird angeregt, den Verbleib des Kerzenwachses zu erkunden. Er kann erste Vorstellungen entwickeln, warum Wind genau wie Benzin oder Erdgas ein Energieträger ist. Und er kann mit einem Experiment testen, welches „Ding dafür verantwortlich ist, dass Pflanzen in die Höhe wachsen. Auf diesem Weg erwerben Schüler nicht nur Fachwissen, sondern entwickeln auch fachspezifische Kompetenzen. So entsteht das Fundament für eine solide naturwissenschaftliche Grundbildung (Scientific Literacy), die Schritt für Schritt weiter ausgebaut werden kann. 3. Basiskonzept: Dinge beeinflussen sich gegenseitig. Konzept der Wechselwirkung BASISKONZEPTE Mit Basiskonzepten Zusammenhänge schaffen Im vorliegenden Material finden sich zu jedem Expe riment Hinweise, wie drei einfache interdisziplinäre Basiskonzepte konkret zur Diskussion und Erklärung der dargestellten Themen herangezogen werden können. Um deren Einführung zu erleichtern, erhalten die Schüler die Kopiervorlagen 2 und 3 (Die Spielregeln der Naturwissenschaften). Kopiervorlage 2 dient dazu, die Basiskonzepte kennenzulernen. Idealerweise sollte sie im Lauf der Bearbeitung des ersten Bausteins zum Einsatz kommen. So gewöhnen sich die Schüler frühzeitig daran, die Basiskonzepte zur Erklärung der durchgeführten Experimente heranzuziehen. Auf Kopiervorlage 3 protokollieren die Schüler fort laufend Beispiele für die einzelnen Konzepte, die sich aus den durchgeführten Experimenten speisen. Be arbeiten sie mehrere Bausteine, entsteht zu jedem Konzept eine Sammlung von Phänomenen. Vor allem im Überblick bieten solche Aufzeichnungen die Chance auf ein fundiertes Verständnis und damit eine nach haltige naturwissenschaftliche Bildung. Im besten Fall finden die Basiskonzepte Eingang in alltägliches Denken und Handeln. Beide Kopiervorlagen können auch für andere naturwissenschaftliche Projekte genutzt bzw. im weiteren Verlauf des Unterrichts der Naturwissenschaften ergänzt werden. Empfehlenswert ist außerdem, ein von den Schülern gestaltetes Plakat mit den Basis konzepten im Klassenraum aufzuhängen, auf dem Beispiele kontinuierlich ergänzt werden. 9 Baustein 1: Kunststofffolien – ungewöhnliche und ¥Kunststofffolien nützliche Eigenschaften Den Impuls für den Einstieg in den ersten Baustein zum Thema Kunststofffolien gibt eine naturwissenschaftliche Kuriosität: Ein Folienfisch liegt flach auf der Hand, rollt sich zusammen, streckt die Schwanzflosse in die Höhe oder springt gar von der Handfläche herunter. Seine Bewegungen sind so unerwartet wie unvorhersehbar. Dies macht den „Zappelfisch zu einem spannenden Forschungs objekt für den Einstieg in die Hypothesenbildung. Die Schüler entwickeln eigene Theorien für das Verhalten des Fisches, diskutieren sie mit ihren Klassenkameraden und versuchen, sie mit einfachen, selbst geplanten Experimenten zu belegen oder zu widerlegen. Im Ergänzungsexperiment stellen die Schüler nach Anleitung selbst eine Kunststofffolie her. Auf Grundlage ihrer Erfahrungen aus den ersten beiden Experimenten bearbeiten sie abschließend einen Forscherauftrag, bei dem sie nach der optimalen Verpackung für frische Kekse suchen. IMPULSEXPERIMENT Kurzbeschreibung Fachspezifische Kompetenzen Anbindung an die Rahmenpläne Stoffe Zappelfisch Hypothesen bilden Versuchsprotokoll Zellophanfolie Die Schüler schneiden aus Zellophanfolie einen Fisch aus. Wenn sie diesen auf die flache Hand legen, fängt der Fisch an, sich zu bewegen. Durch einen Concept Cartoon werden sie angeregt, zu erforschen, warum das passiert. Einfaches Experiment planen und durchführen Kennzeichen des Lebendigen Protokoll verfassen Eigenschaften der Haut Zeitbedarf: 2 Termine (je 90 min) Bezugsquellen für Folienfische z.B.: 10 Entstehung von Bewegung Gelenke und Muskeln Eigenschaften von Stoffen 1 ERGÄNZUNGSEXPERIMENT Kurzbeschreibung Fachspezifische Kompetenzen Anbindung an die Rahmenpläne Stoffe Mit Biofolie stark verpackt Anleitung erfassen und bearbeiten Sicheres Experimentieren Kartoffelstärke Müll trennen Glycerin Materialien sortieren Lebensmittelfarbe Die Schüler stellen eine durchsichtige Folie aus Stärke her und testen dabei den Einfluss des Weichmachers Glycerin. Die Folie kann nach Belieben gefärbt werden und eignet sich auch für Fensterbildercollagen (Kunstunterricht). Eigenschaften und Umwandlung von Stoffen Mikroskopieren Zeitbedarf: 2 Termine (je 90 min) FORSCHERAUFTRAG Kurzbeschreibung Fachspezifische Kompetenzen Anbindung an die Rahmenpläne Stoffe An die Kekse, fertig, los! Variablen definieren Vergleichen und ordnen Die Schüler backen oder kaufen Kekse und testen, in welcher Verpackung diese möglichst lange frisch bleiben. Sie untersuchen dabei auch die Folie aus dem Impulsexperiment oder ihre selbst hergestellte Folie. Vergleichende Untersuchung planen und durchführen Vernetzen von Sachverhalten Backzutaten (Mehl, Zucker, Backpulver, Schokolade) Messwerte darstellen Verpackungen (Aluoder Frischhaltefolie, Butterbrotpapier) Eigenschaften von Stoffen Stoffgruppen unterscheiden Zeitbedarf: 2 Termine (je 90 min) 11 ¥Impulsexperiment Zappelfisch Arbeitsblätter Materialien 1, 2 und 3 pro Schüler 1 Schere 1 Stück Zellophan-Folie* (10 cm x10 cm) * Farbige Zellophan-Folie kann im Internet bestellt werden, Suchwort „Zellglas bunt oder „Zellophan Blätter bunt Erster Unterrichtstermin Die Schüler beginnen – ohne Einführung oder vorbereitende Erklärungen – direkt mit dem Impulsexperiment. Dazu erhält jeder Schüler ein Stück Zellophanfolie; zu dieser Zeit sollte nur eine Farbe verwendet werden. Die Schüler erhalten Scheren und den Auftrag: Schneidet einen Fisch aus der Folie. Legt den Fisch auf die flache Hand und beobachtet, was passiert. Der Fisch beginnt, sich langsam zu bewegen; je nach Schneiderichtung der Folie rollt sich diese längs oder quer. Manchmal „springt der Fisch von der Hand. Nach einer Phase des Ausprobierens werden die Beobachtungen im Plenum gesammelt, schriftlich festgehalten und diskutiert. Dabei sollte auf genaue Formulierungen geachtet werden. Erfahrungsgemäß ergibt sich dabei sehr schnell die Frage: Warum bewegt sich der Fisch? pro Klasse 2 – 3 Haushaltsschwämme Zellophanfolie in unterschiedlichen Farben, andere durchsichtige Folien (z.B. Dokumentenhüllen) Tipp: Im Handel sind kleine Beutel aus reinem Zellophan oder Einmachfolie erhältlich. Hypothesen bilden Die Schüler erhalten das Arbeitsblatt mit einem Concept Cartoon (Arbeitsblatt 1), das zur Hypothesenbildung auffordert. Die Ergebnisse werden im Plenum gesammelt und diskutiert. Danach werden Gruppen aus zwei bis vier Schülern gebildet, die je eine Hypothese gemeinsam bearbeiten. Dieser Prozess sollte so gesteuert werden, dass jede Gruppe eine Fragestellung wählt, die sich unter den gegebenen Bedingungen einfach untersuchen lässt. Die genaue Versuchsplanung obliegt den Schülern. Jetzt sollten Folien unterschiedlicher Farben zur Verfügung stehen, damit der Einfluss der Farbe untersucht werden kann. Erfahrungsgemäß könnten die Schüler vermuten, dass der Fisch sich bewegt wegen der Sonne. weil er durchsichtig ist. mit der Energie aus meinem Körper. wegen der Luft. Die Schüler könnten diese Hypothesen untersuchen, indem sie das Verhalten des Fischs in einem künstlich beleuchteten oder dunklen Raum testen, dafür sorgen, dass der Fisch undurchsichtig ist, den Fisch auf anderen Oberflächen beobachten, einen Bereich schaffen mit möglichst wenig Luftbewegung. 12 1 Ein Experiment planen Die erste Unterrichtseinheit endet mit der Planung des Experiments. Dazu erhalten die Schülergruppen das Arbeitsblatt 2 für ein entsprechendes Protokoll. Das für das Experiment benötigte Material sollte sich im Klassenraum befinden, oder die Schüler bringen es für die folgende Unterrichtsstunde von zu Hause mit. Da die Hände des Menschen warm und mehr oder weniger feucht sind, könnte man vermuten: a. Der Fisch braucht Feuchtigkeit, um sich zu bewegen. b. Der Fisch braucht Wärme, um sich zu bewegen. Diese beiden Hypothesen sollten von mindestens je einer Schülergruppe untersucht werden. Dazu kann der Fisch zum Beispiel auf einen leicht (!) angefeuchteten Schwamm gelegt werden (a), über die Heizung oder an einen anderen warmen Ort (b). Auch die Frage, ob sich ein Fisch auf einer anderen, durchsichtigen Folie bewegt, sollte nach Möglichkeit von einer Gruppe geklärt werden. Eine wichtige Frage, die sich während der Diskussionen sicherlich stellen wird, lautet: Müsste ein Fisch, der sich bewegt, nicht lebendig sein? Um dies zu beantworten, bietet sich eine Recherche im Lehrbuch oder im Internet zum Thema „Kennzeichen des Lebens an. HINWEIS Die Mutter aller Folien Zellophan besteht aus Zellulosehydrat. Es wird aus Holz hergestellt und ist deshalb kompostierbar. Der Name leitet sich von Zellulose und dem altgriechischen Begriff für durchsichtig (diaphanés) ab. Zellophan wurde 1908 in der Schweiz erfunden und war lange Zeit die einzige Verpackungsfolie. Erst nach dem Zweiten Weltkrieg wurden weitere Kunststofffolien entwickelt. Unbeschichtetes Zellophan ist weitgehend undurchlässig für Gase aber durchlässig für Wasserdampf, deshalb eignet es sich als Verpackungsmaterial für Back- und Süßwaren, Käse, Fleisch und andere Lebensmittel. Heute wird Zellophan oft auch mit anderen Kunststoffen beschichtet als Verbundkunststoff produziert. Es ist dann weder für Wasserdampf durch lässig noch kompostierbar. Zweiter Unterrichtstermin Methodenkompetenz trainieren Spätestens zu Beginn des zweiten Termins schließen die Schülergruppen die Planung ihres Experiments ab, indem sie beginnen, das Arbeitsblatt 2 auszufüllen. Alle dazu notwendigen Materialien müssen vorhanden sein. Dann führen die Schüler das Experiment durch und protokollieren es – einschließlich ihrer Beobachtungen und erster Erklärungsversuche auf der phänomenologischen Ebene. Die Ergebnisse werden im Plenum besprochen. Es ist wichtig, dass alle Experimente gebührend diskutiert werden, auch wenn der Erkenntnisgewinn bei dem einen oder anderen Versuch vielleicht gering ausfällt. Ausschlaggebend ist, dass die Schüler an dieser Stelle „Forscherkompetenzen üben und damit auf forschendes Lernen vorbereitet werden. Wichtiger als die Erarbeitung von Fachwissen ist deshalb das Trainieren von Methodenkompetenz: eine naturwissenschaftliche Fragestellung erfassen können und mögliche Antworten (Vermutungen, Hypothesen) klar formulieren können, ein einfaches Experiment inkl. Materialbedarf zum Testen einer Vermutung planen können, das Experiment durchführen, den Verlauf beobachten und protokollieren können, die Ergebnisse deuten und sich darüber im Klaren werden, ob das Experiment die Frage beantworten konnte, das Resultat im Plenum vorstellen und Fragen dazu beantworten können. 13 Insgesamt sollten die Schüler mit möglichst wenig Unterstützung am Ende der Diskussion zu folgenden Erkenntnissen kommen, die sie auch unter „Unsere Erklärung auf ihrem Protokoll ergänzen können: 1. Die benutzte Folie hat besondere Eigenschaften. Ein Fisch aus anderen Kunststofffolien bewegt sich nicht. 2. Der Fisch bewegt sich auf feuchten Oberflächen. Auf der Hand ist also die Feuchtigkeit entscheidend, nicht die Körperwärme. Auf dem Protokoll kreuzen die Schüler abschließend an, ob ihre Vermutung richtig oder falsch war. An dieser Stelle sollte diskutiert werden, dass es kein „Fehler oder Versagen darstellt, Vermutungen aufzustellen, die sich als falsch erweisen. Vielmehr ist dies ein wichtiger Teil des Forschungsprozesses, ohne den es keine bahnbrechenden neuen Erkenntnisse gäbe. Wichtig ist es, aufzuzeigen, dass auch Vermutungen, die sich nicht bestätigen, zu neuen Forscherfragen führen. HINWEIS Die besonderen Eigenschaften des Zellophans sind verantwortlich dafür, dass sich der Fisch auf der flachen Hand bewegt. Der Kunststoff ist hygroskopisch, das heißt, er bindet Feuchtigkeit – beispielsweise in Form von Wasserdampf – aus der Umgebung. Liegt Zellophan auf der Hand, absorbiert zunächst die der Hand zugewandten Seite der Folie Feuchtigkeit aus der Haut und quillt auf. Folglich „biegt sich die Folie nach oben – der Fisch bewegt sich. Die Schüler sollten spätestens am Ende dieser Unterrichtseinheit erfahren, dass der Kunststoff, aus dem ihr Fisch besteht, Zellophan heißt. Sie erhalten das Arbeitsblatt 3 mit einer Erklärung, warum sich der Zappelfisch auf der Hand bewegt und mit weiteren spannenden Hintergrundinformationen zu Kunststofffolien, aus denen inzwischen beispielsweise biegsame Solarzellen gefertigt werden. BASISKONZEPTE Zappelfisch Solange die Schüler das Teilchenmodell noch nicht kennen, sollte sich die Erklärung, warum sich ein Fisch aus Zellophanfolie bewegt, nicht auf molekularer Ebene bewegen. Stattdessen kann folgendes Basiskonzept herangezogen werden: Dinge beeinflussen sich gegenseitig Die wichtigste Erkenntnis, die hiervon abgeleitet werden kann, lautet: Es handelt sich nicht um Zauberei, 14 wenn der Fisch sich bewegt oder wenn beliebige andere zunächst nicht erklärbare Effekte beobachtet werden. Es gibt immer eine Ursache, ein „Ding, das ein anderes „Ding – wie den sich bewegenden Fisch – beeinflusst. Wer verinnerlicht hat, dass Basiskonzepte immer gelten, wird sich also auf die Suche machen, das „Ding zu finden, das den Fisch bewegt. Da nur eine Seite des Fischs Kontakt mit der feuchten Handfläche hat, beginnt sich der Fisch „unsymmetrisch zu verformen – und er bewegt sich. 1 ¥EMitrgänzungsexperiment: Biofolie stark verpackt Arbeitsblatt Materialien 4 pro Gruppe (2 – 4 Schüler): 2 Bechergläser, 250 mL 1 Teigschaber oder 1 Teelöffel 1 Gefäß für Glycerin (beschriftet), darin 1 Pasteurpipette aus Kunststoff 10 mL Glycerin (w 50 %) 2 Dokumentenhüllen ca. 1/2 Fläschchen flüssige oder eine halbe Packung feste Lebensmittelfarbe Erster Unterrichtstermin Für dieses Ergänzungsexperiment stellen die Schüler nach Anleitung eine Folie aus Kartoffelstärke her. Zuvor kann der Begriff Biokunststoff eingeführt werden. Biokunststoffe werden entweder aus nachwachsenden Rohstoffen produziert, oder es handelt sich um Kunststoffe, die aus Erdöl hergestellt werden, aber kompostierbar sind. Die meisten Biokunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen sind ebenfalls kompostierbar. Biokunststoffe werden heute vor allem als Verpackungsmaterialien eingesetzt. Weit verbreitet sind beispielsweise aufgeschäumte Verpackungschips, Tragetaschen, die im Einzelhandel verwendet werden, oder Tüten, die zum Sammeln von Biomüll dienen. pro Klasse 2 – 3 Waagen (max. 2000 g) 1 großer Topf 1 Heizplatte, (alternativ: 1 feuerfestes Gefäß, 1 Bunsenbrenner, 1 Dreifuß) 1 Schneebesen 1 Messbecher 250 Kartoffelstärke Wasserfarben, Tinte Entsprechend der Anzahl an Schülergruppen werden Kartoffelstärke und Wasser abgemessen (pro Gruppe 12 Gramm Kartoffelstärke und 120 Gramm Wasser) und unter Rühren in einem feuerfesten Gefäß über einem Bunsenbrenner oder in einem Topf auf einer Heizplatte zum Kochen gebracht. Sobald die zunächst weiße Mischung klar ist, kann sie weiterverarbeitet werden. Da Kartoffelstärke je nach Hersteller unterschiedliche Eigenschaften haben kann, sollte das Rezept vorab getestet werden. Soll die Konsistenz der Masse während der Zubereitung durch Zugabe von Wasser oder Stärke verändert werden, muss die Mischung nochmals aufgekocht werden. Bevor die Schüler die Folie aus Stärke herstellen, werden sie aufgefordert, eine Versuchsbeschreibung zu verfassen (Arbeitsblatt 4). Sie nutzen dazu eine Abbildung und einen Lückentext mit Wortliste. Diese Beschreibung sollte im Plenum besprochen werden, bevor die Schüler anfangen zu experimentieren. Zur Herstellung der Folie muss Kartoffelstärke mit Wasser aufgekocht werden. Aus Sicherheitsgründen kann dies die Lehrkraft übernehmen – eventuell mit Unterstützung von zwei bis drei Schülern. Pro Gruppe (zwei bis vier Schüler) werden etwa 120 Gramm Kartoffelstärke-Wasser-Mischung benötigt. Diese kann für alle Gruppen gleichzeitig zubereitet werden. Sie muss frisch hergestellt und sofort verwendet werden. 15 BASISKONZEPTE Mit Biofolie stark verpackt Die Herstellung der Folie eignet sich unter anderem dazu, folgendes Basiskonzept zu illustrieren: dicke variiert werden. Wichtig ist, dass die Schüler ihre „Rezepte genau dokumentieren und ihre Proben sorgfältig beschriften. Die Folien müssen dann mindestens zwei bis drei Tage trocknen, damit auch dickere Folien komplett durchtrocknen können. Mit Energie kann man etwas tun Durch Erhitzen wird der Stärke-Wasser-Mischung Energie zugeführt. Dadurch wird aus einem weißen Pulver und Wasser eine durchsichtige Masse, aus der Folie hergestellt werden kann. Diese Veränderung ist für die Schüler offensichtlich. Ohne Energiezufuhr ist sie nicht möglich – die Schüler können dies leicht mit einem Experiment verifizieren. Dabei findet beim Erhitzen von Stärke in Wasser keine chemische Reaktion statt, sondern ein physikalischer Lösungs prozess. Nach Anleitung experimentieren Jede Schülergruppe erhält ca. 120 Gramm Stärkelösung in einem Becherglas und kann damit – im Rahmen des ersten und zweiten Forscherauftrags (Arbeitsblatt 4) – vier verschiedene Folien herstellen: mit verschiedenen Mengen an Glycerin als Weichmacher, unterschiedlich gefärbt und verschieden dick. Mindestens eine Gruppe sollte testen, was geschieht, wenn kein Glycerin zugefügt wird. Zum Anfärben der Folie eignet sich Lebensmittelfarbe besonders gut. Die Schüler können aber auch Tinte oder Wasserfarben verwenden. Die Masse wird dann auf einer Dokumentenhülle mit einem Teigschaber oder mit einem Teelöffel glatt gestrichen – dabei kann die Schicht- 16 Zweiter Unterrichtstermin Laut drittem Forscherauftrag (Arbeitsblatt 4) sollen die Eigenschaften der getrockneten Folien verglichen und im Plenum diskutiert werden. Zur genaueren Untersuchung der Folienstrukturen eignen sich Lupen oder Stereomikroskope. Generell werden die Schüler feststellen, dass ihre Folien auch nach dem Trocknen durchsichtig bleiben, Folien mit Glycerin biegsam und elastisch sind, aber relativ schnell reißen. Ohne Glycerin wird das Material vergleichsweise fest und brüchig. Auch mit bloßem Auge sind Lufteinschlüsse zu erkennen. Die Folien lösen sich auch nach mehreren Tagen in Wasser kaum auf, quellen aber etwas auf. Sie können danach erneut getrocknet werden. Auf dem entsprechenden Arbeitsblatt 4 werden die Schüler aufgefordert, Vor- und Nachteile einer Einkaufstüte aus Kartoffelstärke zu diskutieren. Sie sollen außerdem kreative Ideen für den Einsatz ihrer selbst hergestellten Folie im Alltag entwickeln. Abschließend können aus den selbst gemachten Folien Formen und Figuren mit Scheren ausgeschnitten und mit wenig Wasser ans Fenster geklebt werden. Die Objekte lassen sich später leicht wieder entfernen. 1 ¥Forscherauftrag: An die Kekse, fertig, los! Arbeitsblatt Materialien 5 pro Gruppe (2 – 4 Schüler): 20 Kekse, selbst gebacken (siehe Rezept auf Arbeitsblatt) oder gekauft 2 Zellophanbeutel (oder Zellophanfolie) pro Klasse: diverse Verpackungsmaterialien z. B. Dosen aus Kunststoff oder Metall Gläser mit Schraubdeckel Stoffbeutel sowie Butterbrotpapier unterschiedliche Folien wie Frischhalte- oder Alufolie Haushaltspapier Erster Unterrichtstermin Um an forschendes Lernen herangeführt zu werden, bearbeiten die Schüler folgenden Forscherauftrag: Untersucht, wie Kekse verpackt sein sollten, damit sie lange knusprig bleiben. Auch bei dieser Experimentiereinheit spielt Zellophan folie, wie sie für das Impulsexperiment Zappelfisch verwendet wurde, eine besondere Rolle. Da sie im Gegensatz zu anderen gängigen Folien wasserdampfdurchlässig ist, werden darin verpackte Kekse schnell weich. Um dies zu erklären, können die Schüler an ihre Erfahrungen mit dem Impulsexperiment und die Informationen auf dem Arbeitsblatt 3 anknüpfen. Es empfiehlt sich, die Schüler zunächst recherchieren zu lassen, welche Lebensmittelverpackungen es gibt, welche spezifischen Eigenschaften diese haben und welches Verpackungsmaterial sich für Kekse eignet. Hier kann unterschieden werden, ob Kekse kommerziell oder für den privaten Verbrauch verpackt werden. Generell sorgen Lebensmittelverpackungen unter anderem dafür, dass Lebensmittel lange haltbar bleiben und dabei ihr Aroma und ihre Konsistenz behalten, Lebensmittel hygienisch transportiert und gelagert werden können, Produkte leicht zu etikettieren sind. HINWEIS Lecker verpackt Plätzchen werden häufig in Zellophanbeuteln verpackt. Weil das Material wasserdampfdurchlässig ist, bildet sich nach dem Verpacken frisch gebackener Plätzchen kein Kondenswasser im Beutel. Andererseits tritt mit der Zeit Wasserdampf ein, wodurch die Backwaren weich werden. Was bei vielen Plätzchen ein unerwünschter Effekt ist, wird bei Anisplätzchen, bekannt als „Springerle, bewusst eingesetzt: Die nach dem Backen relativ harten Plätzchen werden in Zellophanbeuteln mit der Zeit weich und verzehrfähig. 17 Eine Testreihe starten Kurz vor dem Experimentiertermin backen die Schüler zu Hause oder – falls vorhanden – in der Schulküche Kekse nach dem auf dem Arbeitsblatt vorgegebenen Rezept (Arbeitsblatt 5). Alternativ werden Butterkekse eingekauft. Jede Gruppe aus zwei bis vier Schülern benötigt ca. 20 Kekse und vier verschiedene Verpackungsmaterialien. Geeignet sind unter anderem Butterbrotpapier, unterschiedliche Folien wie Frischhalte- oder Alufolie, Dosen aus Kunststoff oder Metall, Gläser mit Schraubdeckel, aber auch Haushaltspapier oder Stoffbeutel. In Anknüpfung an das Impulsexperiment Zappelfisch werden Zellophan-Beutel zur Verfügung gestellt. Auch die selbst hergestellte Stärkefolie aus dem Versuch „Mit Biofolie stark verpackt kann als Verpackungsmaterial getestet werden. Insgesamt sollte darauf geachtet werden, dass die Gruppen verschiedene Materialien testen. Nach Möglichkeit sollten die Schüler diese von zu Hause mitzubringen. 18 Die Schüler verpacken ihre Kekse mit den ausgewählten Materialien und dokumentieren ihr Vorgehen und später auch die Ergebnisse mit oder analog der Kopiervorlage 4 – Protokoll. Sie müssen darauf hingewiesen werden, hygienisch sauber zu arbeiten, weil die Kekse später verkostet werden sollen (s. Gefährdungsbeurteilung). Die verpackten Kekse werden dann etwa eine Woche gelagert. Die größte Herausforderung für die Schüler besteht da rin, eine systematische Untersuchung durchzuführen. Dazu sollte in der Planungsphase die Bedeutung und die Verwendung von einzelnen Variablen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht, ) eingeführt werden. Außerdem sollte im Plenum diskutiert werden, dass die Testergebnisse nicht nur vom Verpackungsmaterial, sondern auch von der „Verpackungstechnik abhängen. Auch diese kann von den Schülern dokumentiert werden. 1 Zweiter Unterrichtstermin Eine Testreihe auswerten Nach etwa einer Woche werden die Kekse ausgepackt und analysiert. Die Schüler notieren ihre Beobachtungen in das begonnene Protokoll. Verglichen werden können beispielsweise Geschmack, Geruch und Konsistenz der Kekse sowie Aussehen und Beschaffenheit der Verpackung. Außerdem könnten die Schüler simulieren, wie sich Kekse und Verpackungsmaterial verhalten, wenn sie bei Regen oder unter Schütteln transportiert werden. Erfahrungsgemäß werden die Schüler dabei feststellen, dass es nicht einfach ist, klare Kriterien für die Beurteilung zu definieren und dass die meisten Beobachtungen subjektiv sind, die Ergebnisse also auch davon abhängen, wer sie ermittelt. Mögliche Beobachtungen sind: Werden frisch gebackene Kekse in Folien (außer Zellophanfolie) verpackt, bildet sich Kondenswasser, die Kekse können dadurch weich werden und zerfallen. Zellophanfolie ist wasserdampfdurchlässig, es bildet sich deshalb kein Kondenswasser. Mit der Zeit dringt aber Wasserdampf von außen in die Tüten, was ebenfalls dazu führen kann, dass ursprünglich knusprige Kekse weich werden. Kekse können den Geschmack von Kunststofffolien annehmen. Dies wurde beispielsweise bei Bratschläuchen beobachtet. Kekse, die mit luftdurchlässigen Materialien oder nicht sorgfältig verpackt wurden, werden weich. In Dosen aus Metall oder Kunststoff sowie Gläsern mit Schraubverschluss bleiben die Kekse knusprig. Die Ergebnisse der Testreihen sollten im Plenum präsentiert und Vor- und Nachteile der einzelnen Materialien diskutiert werden. Zum Schluss kann die „beste/am besten geeignete Keksverpackung gekürt werden. BASISKONZEPTE An die Kekse, fertig, los! Wie bei jedem naturwissenschaftlichen Phänomen können auch bei diesen Verpackungstests Bezüge zu allen drei Basiskonzepten hergestellt werden. Da die Schüler vor allem die Wechselwirkung zwischen den Keksen und deren Umgebung untersucht haben, erscheint folgender Bezug besonders deutlich: Dinge beeinflussen sich gegenseitig Dabei gilt es klarzustellen, dass die Schüler nur in Ausnahmefällen eine direkte Wechselwirkung zwischen Keksen und Verpackungsmaterial beobachtet haben. Vielmehr sorgt beispielsweise die Luftfeuchtigkeit – also Wasserdampf – dafür, dass die Kekse weich wurden. 19 Baustein 2: Schaumschlägerei ¥Struktur und Funktion von Schäumen Welcher Schaumberg ist der höchste, welcher hält am längsten? Ein Forscherwettbewerb gibt den Schülern den Impuls, sich intensiv und kreativ mit den Eigenschaften und der Struktur von Schäumen zu beschäftigen. In den beiden darauffolgenden Versuchen untersuchen sie die dämmende Funktion von Seifenschaum und dessen Wechselwirkung mit Kalk im Leitungswasser. Im Ergänzungsexperiment erstellen sie hierbei eine Temperaturmessreihe. Bei diesem Experiment ist exaktes Arbeiten gefragt. Im abschließenden Forscherauftrag entwickeln die Schüler ein Testverfahren für die Härte von Wasser und messen diese über die Schaumbildung von Schmierseife. IMPULSEXPERIMENT Kurzbeschreibung Fachspezifische Kompetenzen Anbindung an die Rahmenpläne Stoffe Schaumschlägerei Zielorientiert und materialgesteuert experimentieren Schätzen und messen Handspülmittel Eigenschaften von Stoffen Handseife Gefahrstoffsymbole Fester Badezusatz Die Schüler stellen einen möglichst stabilen Schaumberg her und testen dazu unter schiedliche Schaumbildner und Methoden. Zeitbedarf: 1 Termin (90 min) 20 Mikroskopieren Reflexion und Brechung von Licht 2 ERGÄNZUNGSEXPERIMENT Kurzbeschreibung Fachspezifische Kompetenzen Anbindung an die Rahmenpläne Stoffe Mit Badeschaum mollig warm? Anleitung erfassen und bearbeiten Messwerte in Tabellen und Diagrammen darstellen Verpackungschips (aus Styropor oder Stärke) Die Schüler erforschen die Dämmleistung von Schaum. Dafür messen sie die Temperatur von warmem Wasser mit und ohne Schaumdecke in Abhängigkeit von der Zeit. Temperatur in Abhängigkeit der Zeit messen Schutz vor Wärme und Kälte bei Tieren Kunststoff Tabelle und Diagramm erstellen Wärmeenergie, -leitung und -erhaltung Glas Zeitbedarf: 1 Termin (90 min) FORSCHERAUFTRAG Kurzbeschreibung Fachspezifische Kompetenzen Anbindung an die Rahmenpläne Stoffe Hartes Wasser oder weicher Schaum? Aus Anleitung vergleichendes Analyseverfahren entwickeln Eigenschaften von Stoffen Schmierseife Stoffgemische Kalk Lösungen Leitungswasser Konzentration Destilliertes Wasser Die Schüler vergleichen die relative Wasserhärte verschiedener Wasserproben mit Hilfe einer Schmierseifenlösung. Sie entwickeln eine vergleichende Untersuchung, warum Schmierseife heute im Haushalt kaum mehr verwendet wird. Mineralwasser Kohlenstoffdioxid Zeitbedarf: 1 Termin (90 min) 21 ¥Impulsexperiment: Schaumschlägerei Arbeitsblätter Materialien 6 und 7 pro Gruppe (2 – 4 Schüler): 1 Schutzbrille pro Schüler 1 Tablett als Arbeitsunterlage 1 Becherglas, 250 mL 1 Kunststoffschüssel (ca. 1,5 L) 2 – 3 kleine verschließbare Gefäße, 40 mL, z. B. Reagenzgläser mit Stopfen oder Rollrandschnappdeckelgläser 1 Teelöffel 4 Strohhalme, möglichst individuell verpackt 1 Haushaltsschwamm 1 Schneebesen Jede Schülergruppe bekommt eine Materialsammlung inklusive eines Tabletts, das als Arbeitsunterlage dient; auf einer Materialtheke stehen verschiedene Schaumbildner bereit. Jeder Schüler erhält außerdem ein Versuchsprotokoll (Arbeitsblatt 6) mit dem Forscherauftrag: Stellt in einem Becherglas einen Schaumberg her. Er soll möglichst hoch und lange stabil sein. Achtung! Da die Schüler mit Handspülmittel arbeiten (siehe GHS-Kennzeichnung auf der Verpackung), tragen sie während der gesamten Experimentierzeit Schutzbrillen (s. Gefährdungsbeurteilung). Dies sollte zum Anlass genommen werden, die Gefahrenpiktogramme nach GHS einzuführen. Gegebenenfalls sollten die Schüler darauf hingewiesen werden, dass sie die zur Verfügung gestellten Strohhalme nicht zum Trinken benutzen sollen, sondern damit Luft in Seifenlösung pusten können. 22 pro Klasse: 2 Flaschen Handspülmittel 2 Flaschen flüssige Handseife 2 feste Handseifen 2 Gefäße mit Zucker 2 Gefäße mit Salz mehrere Lupen optional: fester Badezusatz batteriebetriebene Milchaufschäumer HINWEIS Von der Seifenblase zum Schaum Schaum ist eine lockere Masse gasgefüllter Blasen, die durch dünne Wände voneinander getrennt sind. Diese Wände sind entweder flüssig, zum Beispiel bei Badeschaum oder Meeresgischt, oder fest, wie bei Styropor oder Bimsstein. Flüssige Schäume lassen sich mit Wasser und einem Schaumbildner, etwa Seifen oder Waschmittel, herstellen. Dabei senken Tensidmoleküle die Oberflächenspannung des Wassers; wird Luft in die Seifenlösung eingebracht, entstehen Blasen. Je feiner die Luft in die Lösung blubbert, desto kleiner werden die Blasen, und desto stabiler wird der Schaum. Während große Seifenblasen schnell platzen, sind flüssige Schäume mit sehr kleinen Blasen über einen langen Zeitraum stabil. Zucker stabilisiert Schaum vor allem nach dem Trocknen. Wenn das Wasser verdampft, kristallisiert der Zucker an den Wänden der Schaumblasen, und der Schaum wird fest. 2 Zielorientiert experimentieren Bevor die Schüler anfangen zu experimentieren, halten sie ihre Ziele auf dem Arbeitsblatt 6 fest. Dieses zielorientierte Vorgehen entspricht anwendungsbezogener Forschung: Zu einem vorgegebenen Ziel (Problem) werden Lösungswege entwickelt. Vor Beginn des Experimentierens kann es sinnvoll sein, die zur Verfügung stehenden Materialien zu benennen, damit die Schüler später ihr Versuchsprotokoll selbstständig schreiben können. Schließlich sollten Regeln für sicheres, aber auch „kollegiales Forschen im Team besprochen werden. Material, das zur allgemeinen Verfügung auf der Materialtheke steht, muss beispielsweise nach Gebrauch zügig zurückgebracht werden, damit es von allen benutzt werden kann. Die Schüler sollten zunächst möglichst mehrere Schaumbildner und Methoden zur Schaumproduktion ausprobieren. Die Methode, die die besten Ergebnisse liefert, wird dann auf dem Protokoll beschrieben. Materialorientiert experimentieren Der bearbeitete Forscherauftrag entspricht einem sogenannten Egg Race (vgl. Hinweis). Die Schüler lösen dabei eine Aufgabe selbstständig; es gibt mehrere Lösungen und folglich auch verschiedene Lösungswege. Gesteuert wird das Experiment über das zur Verfügung stehende Material. Dieses kann auch „sinnlose Geräte oder Sub stanzen umfassen – im vorliegenden Fall Salz. Erfahrungsgemäß sind Schüler hochmotiviert, Egg Races zu bearbeiten, da sie selbst Ideen und Strategien entwickeln können, was zu großen Erfolgserlebnissen führt. HINWEIS Egg Race – Wettkampf um die beste Lösung Der Begriff „Egg Racing stammt aus England. Dort wurde in einer Fernsehsendung die Aufgabe gestellt: Bewegen Sie ein rohes Ei mit der kinetischen Energie eines Gummibandes maximal weit. Diese Aufgabe begeisterte viele Zuschauer, so dass noch viele weitere „Eierrennen folgten. In der Didaktik wird der Begriff Egg Races für Aufgabenstellungen genutzt, die von mehreren Gruppen und mit Hilfe von vorgegebenen Rahmenbedingungen erfüllt werden müssen. Das Besondere dabei: Die Schüler dürfen ergebnisoffen arbeiten. Diese Freiheit zum Tüfteln kombiniert mit der Wettbewerbssituation wirkt motivierend. Hinzu kommt, dass die Schüler den naturwissenschaftlichen Erkenntnisweg selbst nachvollziehen und nicht nur Versuche nachahmen. Die Schüler wählen zunächst einen Schaumbildner und mischen diesen mit Wasser. Erfahrungsgemäß widmen sie der Entscheidung, welchen Schaumbildner sie wählen und in welchem Verhältnis sie diesen mit Wasser mischen, wenig Aufmerksamkeit. Es kann daher sinnvoll sein, auf den Einfluss dieser Variablen hinzuweisen. Folgende Methoden eignen sich zur Herstellung von Schaum mit der gegebenen Ausstattung: Rühren einer Seifenlösung mit dem Schneebesen: Ist der Schneebesen zu groß für ein Becherglas, kann dies nur in der Rührschüssel geschehen. Der Schaum muss dann in das Becherglas umgefüllt werden. Erfahrungsgemäß lässt sich mit dieser Methode nur wenig Schaum herstellen. Die Blasen sind relativ groß und instabil. 23 Einblasen von Luft in eine Seifenlösung mit dem Strohhalm: Mit dieser Methode können sehr schnell hohe Schaumberge aus großen Blasen hergestellt werden, die aber nicht sehr stabil sind. Allerdings können große Schaumblasen durch vorheriges Lösen von Zucker im Seifenwasser stabilisiert werden. Pressen der Seifenlösung durch einen Schwamm: Dieser kann beispielsweise mit Seifenlösung getränkt und dann ausgedrückt werden. So entstehen relativ stabile Schäume mit kleinen Blasen. Außerdem können die Schüler ein Stück Schwamm in den unteren Teil des Strohhalms stecken. Auch so entstehen feine Blasen und damit ein stabiler Schaum. Schütteln der Seifenlösung in einem geschlossenen Gefäß, zum Beispiel in einem Reagenzglas mit Stopfen. Erfahrungsgemäß beginnen die Schüler während der Schaumproduktion ganz nebenbei, den Schaum beispielsweise mit einer Lupe genauer zu erforschen. Anstöße für vertiefende Beobachtungen geben folgende Leitfragen: Wie sieht Schaum zwischen zwei Glasscheiben aus, zum Beispiel zwischen zwei Petrischalen? Bei diesem sogenannten zweidimensionalen Schaum, der auch als Polyederschaum bezeichnet wird, lässt sich die Polyederstruktur der einzelnen Schaumzellen besonders gut erkennen. Welche Form haben große Blasen im Schaumverband? Auch in dreidimensionalen Strukturen lassen sich polyederförmige Zellen erkennen. Welche Farbe haben Seifenblasen? Es kommt zu schillernden Farbeffekten, die sich scheinbar auf der Oberfläche der Blasen hin und her bewegen. Wie lässt sich Schaum zeichnen? Hier können kreative Kunstwerke entstehen, bei denen die Schüler auch eine gute Beobachtungsgabe beweisen können. 24 Um die Bedeutung von Schäumen im Alltag und in der Natur zu illustrieren, können Beispiele für flüssige und feste Schäume gesammelt werden. Flüssige Schäume tauchen bei zahlreichen Waschvorgängen auf – wobei übermäßige Schaumproduktion oft unerwünscht ist, zum Beispiel in Wasch- oder Spülmaschinen. Auch Eischnee ist ein Schaum, den die Schüler vielleicht schon selbst hergestellt haben. Zu den festen Schäumen gehören Schaumstoff in Kissen oder Matratzen, Styropor in Fahrradhelmen oder zum Dämmen von Gebäuden. In der Natur vorkommende Schäume sind zum Beispiel Schaumnester von Insekten oder Gesteine wie Bimsstein. Vor allem Proben fester Schäume können eindrucksvoll mit einem Stereomikroskop betrachtet werden. Die Schüler erhalten das Arbeitsblatt 7, das unter anderem erklärt, aus was ein Schaum besteht und wie ein stabiler Schaum entsteht. BASISKONZEPTE Schaumschlägerei Bei diesem Impulsexperiment stellen die Schüler Schaum her. Sobald Dinge entstehen oder sich verändern, muss nach dem Basiskonzept Mit Energie kann man etwas tun Energie eine Rolle spielen. Auch die Produktion von Schaum gelingt folglich nur, wenn Energie zur Verfügung steht. Mit den Schülern kann diskutiert werden, wo diese Energie herkommt. Wird ein Schneebesen zur Schaumproduktion verwendet, wird Muskelenergie aufgewendet. Dies gilt auch, wenn Luft durch einen Strohhalm in die Seifenlösung gepustet wird. Nutzen die Schüler dagegen einen Milchaufschäumer, wird Batteriestrom eingesetzt. Hier kann folglich der Energiebegriff einführend diskutiert werden. Das Ergänzungsexperiment bietet darauf aufbauend die Möglichkeit, Energieübertragung und -erhaltung zu thematisieren. 2 ¥EMitrgänzungsexperiment: Badeschaum mollig warm? Arbeitsblatt Materialien 8 pro Gruppe (2 – 4 Schüler): 1 Schutzbrille pro Schüler 2 große Kunststoffschüsseln, ca. 3,5 2 kleine Kunststoffschüsseln, ca. 1,5 Material zum Dämmen, zum Beispiel Verpackungschips aus Styropor 1 – 2 Thermometer 1 Esslöffel 1 Messkrug 1 Stoppuhr Badeschaum wirkt nicht nur reinigend, unter einem hohen Schaumberg bleibt das Badewasser auch länger mollig warm, wie die Aufnahme mit der IR-Kamera belegt. Mit dem Ergänzungsexperiment untersuchen die Schüler die Dämmleistung von Seifenschaum mittels bebilderter Anleitung, führen dazu eine Messreihe der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit durch und üben deren Darstellung in Form einer Tabelle und eines Diagramms. Voraussetzung ist, dass die Schüler mit einem Thermometer umgehen und dieses ablesen können. pro Klasse: Material, um stabilen Schaum herzustellen (siehe Impulsexperiment) warmes Wasser (ca. 50 ºC) Es empfiehlt sich, den Ablauf des gesamten Experiments zunächst mit allen Schülern zu besprechen und gegebenenfalls die Verwendung einer Tabelle und eines Diagramms – wie auf dem Arbeitsblatt 8 dargestellt – zu erläutern. Zur Vorbereitung des Experiments muss sich jede Schülergruppe für eine Methode entscheiden, die möglichst stabilen Seifenschaum liefert, und sicher stellen, dass alle benötigten Materialien vorhanden sind. Einfach und schnell lässt sich für dieses Experiment geeigneter Schaum mit Hilfe eines Milchaufschäumers herstellen. Auch hier müssen alle beim Impulsexperiment Schaumschlägerei beschriebenen Sicherheitsvorkehrungen beachtet werden (s. Gefährdungsbeurteilung). 25 Eine Messreihe durchführen und dokumentieren Die Schüler bauen dann – wie auf dem Arbeitsblatt 8 gezeigt – die Versuchsapparatur auf. Sie stellen mit warmem Wasser Schaum her, befüllen die kleinen Kunststoffschüsseln mit dem warmen Wasser und bedecken dann das Wasser in einer der beiden kleinen Schüsseln mit einer möglichst dicken Schaumschicht. Dies muss zügig geschehen, da der Schaum und das warme Wasser in den kleinen Kunststoffschüsseln möglichst die gleiche Temperatur (ca. 50 ºC) haben sollten. Ist der Schaum wesentlich kühler als das Wasser, führt deren Vermischung zur Abkühlung des Wassers, was den Effekt der Dämmung – der gemessen werden soll – ungünstig überlagert. Nach Möglichkeit sollte jede Gruppe zwei Thermometer zur Verfügung haben. Beim Arbeiten mit nur einem Thermometer können Messfehler auftreten, die die Auswertung des Experiments erschweren. In Schritten von etwa fünf Minuten sollten Messwerte in beiden Schüsseln abgelesen werden. Starten die Schüler mit ca. 50 ºC warmem Wasser, zeigen sich nach 30 bis 40 Minuten deutliche Temperaturunterschiede (2–4 ºC) in den beiden Kunststoffschüsseln. 26 Aus der gemessenen Temperaturdifferenz lässt sich folgern, dass auch flüssige Schäume zum Dämmen geeignet sind. Zeit [min] Wassertemperatur [ºC] mit Schaum Wassertemperatur [ºC] ohne Schaum 0 48 49 6 47 47 11 46 45 15 46 44 21 45 43 27 44 41 32 43 40 36 43 39 40 43 38 2 Ist Kälte übertragbar? Als Wärme wird die Energie bezeichnet, die aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen Stoffen übertragen wird. Kälte ist dagegen nur die Abwesenheit von Wärme, so wie Dunkelheit die Abwesenheit von Licht ist. Der Energieübergang erfolgt immer von warm nach kalt. Es wird also immer Wärme übertragen und niemals Kälte, wie umgangssprachlich oft behauptet wird. Die Wärmeübertragung zwischen Stoffen erfolgt über Wärmeleitung (Bewegung der Moleküle), Wärmestrahlung (infrarote Strahlung) oder Konvektion (Strömung in Gasen oder Flüssigkeiten). Luftige, leichte Materialien mit großer Schichtdicke, wie Schaum, vermindern die Wärmeleitung durch ihre geringe Dichte und wirken daher dämmend. Wassertemperatur [ºC] HINWEIS 49 47 45 43 41 39 37 35 0 10 20 30 40 Zeit [min] mit Schaum ohne Schaum Beispiel für zwei Temperaturmessreihen in einem Gefäß mit 50 C warmem Wasser mit bzw. ohne Schaumschicht BASISKONZEPTE Messfehler diskutieren Die gemessenen Temperaturverläufe werden von Gruppe zu Gruppe variieren. Hier sollte eine qualitative Fehlerdiskussion im Plenum stattfinden, die zur Folge haben kann, dass sich einzelne Gruppen entschließen, den Versuch zu wiederholen. Gängige Fehlerquellen sind: Der Schaum wird mit kaltem Wasser hergestellt (s.o.) oder die Herstellung mit ursprünglich warmem Wasser dauert so lange, dass der Schaum wesentlich kälter ist als das Wasser in den kleinen Kunststoffschüsseln. Die Temperatur wird an jeweils unterschiedlichen Positionen in den Schüsseln gemessen. Die Schaumschicht löst sich vor Ende der Messzeit auf. Die Dämmungen durch den Schaum in den Schüsseln der Arbeitsgruppen waren unterschiedlich wirksam. Mit Badeschaum mollig warm? Anhand dieses Experiments kann mit Schülern über Energieerhaltung gesprochen werden. Wenn die Temperatur des Wassers in den kleinen Schüsseln – mit oder ohne Schaumdecke – langsam sinkt, entweicht dem Wasser Energie. Diese geht nicht verloren, denn nach dem Basiskonzept Auf der Welt geht nichts verloren bleibt nicht nur Materie, sondern auch Energie erhalten. Mit dem vorgegebenen Versuchsaufbau lässt sich nur spekulieren, wo die Energie, die dem Wasser entweicht, hingelangt. Erfahrungsgemäß werden manche Schüler vermuten, dass Energie aus dem Wasser an die Umgebungsluft abgegeben wird. Diese Hypothese kann gegebenenfalls experimentell überprüft werden. 27 ¥Forscherauftrag: Hartes Wasser oder weicher Schaum? Arbeitsblatt Materialien 9 pro Gruppe (2 – 4 Schüler): 1 Becherglas, 250 mL 2 Pasteurpipetten aus Kunststoff 1 Reagenzglasständer 5 Reagenzgläser mit 5 Stopfen 500 mL Leitungswasser von zu Hause Im Rahmen des Forscherauftrags testen die Schüler zunächst, wie sich Schmierseife in Wasser mit und ohne Kalk verhält. Das hierbei gewonnene Wissen setzen sie ein, um den relativen Kalkgehalt einer weiteren Wasserprobe zu ermitteln. Vorab sollten die Schüler erfahren, was der Begriff Wasserhärte bedeutet, und verstehen, dass hartes – oder kalkhaltiges Wasser – einen hohen Kalziumionen-Gehalt aufweist. Dies ermöglicht Vergleiche zwischen Leitungs- und Mineralwasser mit unterschiedlichem Kalziumionen-Gehalt. Ein Phänomen mittels Anleitung k ennenlernen Die Schüler erhalten eine Versuchsbeschreibung in Textform und als Grafik (Arbeitsblatt 9). Sie stellen zunächst eine Schmierseifenlösung her und versetzen diese mit Wasser mit unterschiedlichem Kalziumionen-Gehalt. Sie üben dabei den Umgang mit typischen Laborgeräten wie Reagenzgläsern und Pasteurpipetten. Sie müssen sorgfältig arbeiten, genau abmessen und umfüllen. pro Klasse: 1 destilliertes Wasser 1 Flasche Schmierseife je 1 Mineralwasser ohne Kohlensäure, mit wenig und viel Kalzium optional: Leitungswasser über Marmorkies, Wasser aus Tischwasserfilter mittel durch, stellen sie fest, dass sich damit – unabhängig vom Kalziumionen-Gehalt der Wasserproben – kein Niederschlag und vergleichsweise viel Schaum bildet. Lediglich bei flüssigen oder festen Handseifen, die aus pflanzlichen Ölen hergestellt werden (vorwiegend Biohandseifen) ist ein feiner Niederschlag erkennbar. Im naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht können die Erklärungen zu diesem Experiment auf phänomenologischer Ebene bleiben. Vor dem Schütteln Nach dem Schütteln Je höher der Calciumionen-Gehalt der Wasserproben, desto mehr weißer Niederschlag flockt aus, wenn die Wasserproben zur Schmierseifen-Lösung gegeben werden, und desto weniger Schaum entsteht (siehe Abbildung). Mit diesen Ergebnissen kann man erklären, warum sich Schmierseife für viele Anwendungen wie beispielsweise Wäschewaschen oder Geschirrspülen nicht eignet: Würde mit kalkhaltigem Wasser gewaschen, würde sich ein weißer Niederschlag bilden, der Wäsche oder Geschirr verschmutzt; außerdem verhindert Kalk die Schaumbildung, die hier als phänomenologischer Beweis für Waschleistung steht (vgl. Hinweis). Führen die Schüler die gleiche Testreihe mit moderner Handseife oder Spül28 Destilliertes Stilles Mineralwasser Wasser Kalziumionen: 485 mg/L Leitungswasser 2 HINWEIS Wäsche waschen mit Seife? Schmierseife gehört zu den anionischen Tensiden und enthält Kaliumsalze von Fettsäuren mit einer Kettenlänge von 16 bis 18 Kohlenstoffatomen. In Anwesenheit von Kalziumionen fallen die Kalziumsalze dieser Fettsäuren aus und bilden einen weißen Niederschlag. Dieser lässt sich direkt nach dem Mischen der Seifen lösung mit der Wasserprobe beobachten: bei Leitungswasser als feiner weißer Niederschlag, bei stillem Mineralwasser mit vergleichsweise hohem Kalzium ionen-Gehalt (485 mg/L) als weiße Flocken. Das Aus fällen der Kalziumsalze verhindert die Schaumbildung; weniger Schaum bedeutet weniger Waschleistung. Zur Bestimmung der absoluten Wasserhärte von Leitungswasserproben können Teststäbchen verwendet werden. Außerdem können die Schüler die Wasserhärte beim regionalen Wasserversorger erfragen. BASISKONZEPTE Hartes Wasser oder weicher Schaum? Bei der beobachteten Niederschlagsbildung handelt es sich um eine chemische Reaktion, die vereinfacht und qualitativ wie folgt dargestellt werden kann: Kalziumionen aus den Wasserproben Schmierseife weißer Niederschlag Dies illustriert das Basiskonzept Durch Wissenstransfer eine A nalysemethode entwickeln Das erworbene Wissen – je mehr Kalk im Wasser, desto mehr Niederschlag bildet sich mit Schmierseifenlösung – wenden die Schüler anschließend an, um den relativen Kalkgehalt einer weiteren Wasserprobe zu bestimmen. Ziel ist es, dass sie über genaues Beobachten und Vergleichen ermitteln, ob diese Probe mehr, weniger oder genauso viel Kalk enthält wie eine oder mehrere Proben, die sie bereits verwendet haben. Dinge beeinflussen sich gegenseitig Es können jetzt Beispiele für weitere chemische Reaktionen aus der unbelebten, aber auch aus der belebten Natur gesammelt werden. 29 Baustein 3: Wasserperlen ¥Alginate in der Molekularküche Zunächst scheint nichts zu geschehen, wenn die Schüler zwei farblose Lösungen in einem Becherglas vereinen. Umso größer ist die Überraschung, wenn sie dann transparente Kugeln au