7. – 13. Schuljahr

Bernhard Sieve

Vorstellungen visualisieren und modellieren

Erkenntnisgewinnung erfolgt im Chemieunterricht nicht nur auf der Basis von Experimenten und den dabei zu beobachtenden Phänomenen. Häufig ersetzen bildliche Darstellungen und/oder Anschauungsmodelle, gleich ob zwei- oder dreidimensional, ob statisch oder dynamisch, die originäre Begegnung und sind damit genauso wie Experimente Anlass für die Entwicklung tragfähiger Vorstellungen bei Lernenden. Dies gilt besonders für Modellierungen auf der submikroskopischen Ebene, also den Bausteinen der Materie, ihren räumlichen Strukturen und den dadurch bedingten Eigenschaften auf der stofflichen Ebene. Gerade die Betrachtung der Blickwinkel Stoff und Teilchen und der Wechsel zwischen diesen sogenannten Repräsentationsebenen ist für ein tiefgreifendes Verständnis der Chemie von großer Bedeutung [1]. Insbesondere das Struktur-Eigenschaftsdenken stellt dabei für die Schülerinnen und Schüler eine große Hürde dar, da dies ein Hineindenken in die räumliche Struktur eines Teilchens und in die zwischen den Teilchen bestehenden Wechselwirkungen voraussetzt.
Eine weitere Schwierigkeit für Schülerinnen und Schüler im Chemieunterricht ist das Erkennen des Prozesscharakters. So werden Vorgänge wie chemische Reaktionen, Aggregatzustandswechsel oder Diffusions- und Löse- bzw. Kristallisationsprozesse von Schülerinnen und Schülern mitunter nicht als dynamisch, sondern als statisch wahrgenommen [2] (vgl. UC 160, UC 171). In beiden hier aufgeführten Bereichen können digitale Werkzeuge das Lernen wirksam unterstützen.
Struktur der Materie
Neue Stoffe herzustellen ist eine originäre Aufgabe von Chemikern. Dies erfolgt heute zwar noch immer im Labor, doch werden die Moleküle und Synthesen zuvor über leistungsfähige Simulationsprogramme auf der Basis quantentheoretischer Algorithmen berechnet. Einige dieser Programme des computerized molecular modelling (CMM) sind kostenfrei, lassen sich einfach bedienen und sind daher auch für schulische Zwecke gut geeignet [3]. Doch haben diese Programme in der Schule eine andere Funktion: Während das CMM in der chemischen Forschung als Werkzeug für die Modellierung von Reaktionsprozessen eingesetzt wird, ist der Fokus in der Schule eher die Visualisierung von Strukturen und Vorgängen mit dem Ziel, eine stärkere Anschauung zu erzeugen. Am Beispiel der App Avogadro zeigen Weigend und Wieczorek auf, wie virtuelle 3-D-Molekülmodelle konstruiert und für Strukturbetrachtungen verwendet werden können. Diese Software geht über klassische Molekülzeichenprogramme wie ChemSketch, MarvinSketch oder ChemDraw hinaus.
Die per App generierten digitalen Molekülmodelle und -strukturen können die herkömmlich verwendeten, meist zweidimensionalen, bildhaften Darstellungen von Molekülen und Kristallstrukturen aus Schulbüchern und die dreidimensionalen Anschauungsmodelle (Molekülbaukästen, Kugelpackungsmodelle von Ionengittern etc.) ergänzen, um einen tieferen Eindruck über den räumlichen Aufbau von Molekülen (z.B. Isomerie, Chiralität), von Festkörperstrukturen sowie über den Verlauf von Reaktionsmechanismen zu erhalten [4]. So lassen sich die per Simulationsprogramm konstruierten 3-D-Modelle wie ein haptisches Modell drehen. Die digitale Technik erlaubt aber auch Modifikationen der Darstellung, die auf analogem Wege nicht zu erreichen sind (Skalierung, Darstellung als Kugel-Stab- oder Kalottenmodell oder als Elektronendichteverteilung). Gerade die Elektronendichteverteilungen können den Lernenden einen erweiterten Zugang zum Thema Dipoleigenschaften von Molekülen ermöglichen. Die erstellten digitalen 3-D-Modelle lassen sich per Screenshot als Abbildungen für weitere Arbeitsmaterialien nutzen so beispielsweise auch für digitale Arbeitsblätter oder in Erklärvideos (s.u.).
Hinsichtlich der Nutzung von virtuellen 3-D-Molekül-modellen und -strukturen muss jedoch angeführt werden, dass Lernende diese Art der Darstellung erst einmal „lesen lernen...

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