9. – 12. Schuljahr

Lisa Stinken-Rösner und Simone Abels

Gase auf submikroskopischer Ebene untersuchen

Einbinden von Simulationen in den Chemieunterricht

Simulationen lassen sich an vielen Stellen gewinnbringend in den Chemieunterricht einbinden, um Realexperimente zu ergänzen, zu ersetzen oder Erklärungen auf der submikroskopischen Ebene zu visualisieren. Am Beispiel einer Unterrichtseinheit zum idealen Gasgesetz wird in diesem Beitrag aufgezeigt, wie Lernende die Zusammenhänge zwischen Druck, Volumen, Teilchenzahl und Temperatur eines idealen Gases mit Hilfe einer Simulation selbstständig untersuchen und anschlussfähige Modellvorstellungen aufbauen können.
Potentiale und Herausforderungen von Simulationen
Die Eigenschaften von idealen Gasen lassen sich auf vielfältige Weise mit einfachen Realexperimenten untersuchen [2]. Jedoch sind dabei nur makroskopische Veränderungen der beteiligten Größen beobachtbar, die Vorgänge auf der submikroskopischen Ebene bleiben den Schülerinnen und Schülern verborgen. Eine Untersuchung des idealen Gasgesetzes mit Simulationen hat hingegen den Vorteil, dass der gasförmige Aggregatzustand zusätzlich auf der Teilchenebene dargestellt wird. Anhand dieser Visualisierung lassen sich Druck und Gasvolumen in Abhängigkeit von der Teilchenzahl sowie der leere Raum zwischen den Teilchen für die Lernenden nachvollziehen und anschlussfähige Modellvorstellungen aufbauen [2].
Der allgemeine Einsatz von Simulationen im naturwissenschaftlichen Unterricht soll Kompetenzen im Bereich der Erkenntnisgewinnung fördern [1] sowie die digitale Medienkompetenz der Schülerinnen und Schüler steigern [3]. Zudem bieten Simulationen sowohl organisatorische als auch methodische Vorteile im Vergleich zum Realexperiment [4– 5]. Anhand von Simulationen können Phänomene im Unterricht thematisiert werden, die z.B. aufgrund von Kosten, Zeit, Größe, nötiger Materialien oder Sicherheitsbestimmungen normalerweise nicht im Klassen- oder Fachraum dargestellt werden können. Variablen und zeitliche Abläufe können einfach manipuliert werden. Die zusätzliche Nutzung vereinfachter Modelle und unterschiedlicher Visualisierungen erleichtern die Verbindung zwischen Realität und Modellebene [6].
Interaktive Simulationen bieten sich aufgrund der systematischen, aber begrenzten Möglichkeiten zur Manipulation für ein aktives und strukturiertes Untersuchen von Phänomenen durch die Lernenden an. Individuelle Versuchsvorhersagen können anhand von sofortigem Feedback durch die Simulation (z.B. in Form von ikonischen Darstellungen) überprüft werden. Ein zielgerichtetes Arbeiten mit Simulationen kann dazu beitragen, die Aktivität, Partizipation und das Engagement der Schülerinnen und Schüler sowie ihre Problemlösefähigkeiten zu steigern.
Der Einsatz von Simulationen kann jedoch auch Herausforderungen bieten, derer man sich als Lehrkraft bewusst sein sollte. Simulationen können keinesfalls als Ersatz für eigenständige Experimentiererfahrungen und das Erlernen des angemessenen Umgangs mit (potenziell gefährlichen) Stoffen und Materialien angesehen werden. Ebenfalls besitzen Simulationen häufig nicht die gleiche Authentizität wie Realexperimente. Die einfache Bedienbarkeit kann zu ungezielten Spielereien führen statt zu einem geplanten Vorgehen entlang von Fragestellungen oder Hypothesen, wodurch nur eine geringe kognitive Aktivierung durch die Simulation zu erwarten ist und ein Erreichen des inhaltlichen Ziels außer Frage steht. Klare Aufgabenstellungen, die mit Hilfe der jeweiligen Simulation bearbeitet werden sollen, können zusätzliche Struktur und Orientierung für die Lernenden bieten.
Ein generelles Problem fast aller Simulationen aus dem Bereich Chemie ist die grafische Vermischung der makroskopischen und der submikroskopischen Ebene zugunsten der Benutzerfreundlichkeit und intuitiven Bedienung. Beispielsweise werden gleichzeitig Gefäße, Messgeräte etc. auf der makroskopischen Ebene und Teilchen auf der submikroskopischen...

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