MINT: Willkommen im Fachbereich

Die Schülerinnen und Schüler erlernen wesentliche Punkte zur Beschreibung von Elektronenkonfigurationen von Atomen mittels des Orbitalmodells. Zusätzlich können sie den Begriff Orbital anhand der Quantenzahlen definieren, Elektronenkonfigurationen von Atomen und Ionen darstellen und den Begriff der Hybridisierung mittels der Orbitaltheorie an Beispielen erklären. Der Fokus der Einheit liegt auf der Orbitaltheorie. Diese soll eingeführt und behandelt werden als eine Erweiterung des Bohrschen Atommodells zur Darstellung von Elektronenkonfigurationen und atomaren Zusammenhängen. Die Lernenden sollen hierbei das bekannte Modell von Bohr transformieren und um die Darstellung von Orbitalen erweitern. Hierbei liegt ein weiterer Schwerpunkt der Einheit darauf, dass die Lernenden ein Verständnis für Orbitale entwickeln und deren Elektronenbesetzung für konkrete Atome/Ionen darstellen können. Das Thema ist hierbei stark theorieorientiert, wobei der Fokus der Einheit darauf liegen soll, dass die Lernenden Orbitale und Elektronenkonfiguration handlungsorientiert erleben sollen, um ein konkreteres Verständnis zu entwickeln. Dementsprechend ist diese Einheit mit keinen Experimenten verbunden. Die Unterrichtseinheit ist so angelegt, dass die Schülerinnen und Schüler oft im sozialen Austausch sind und sich Erkenntnis selbst oder gemeinsam mit anderen Lernenden aneignen. Beispielsweise recherchieren Lernende zu chemischen Sachverhalten analog und digital, strukturieren und interpretieren ausgewählte Informationen, verwenden Fachbegriffe korrekt, erklären chemische Sachverhalte und argumentieren fachlich schlüssig, präsentieren Arbeitsergebnisse und tauschen sich mit den Lernenden aus, beschreiben chemische Zusammenhänge qualitativ und modellhaft und diskutieren Grenzen und Möglichkeiten von Modellen. Die Lehrkraft übernimmt eine kontrollierende und moderierende Rolle. Relevanz des Themas Das Orbitalmodell ist die Grundlage, um verschiedene chemische Zusammenhänge zu beschreiben. Beispielsweise die Hybridisierung, quantenmechanische Grundlagen (Unschärferelation, diskrete Energieniveaus von Schwingungszuständen…). Zusätzlich ist es ein erster Einblick in quantenmechanische Betrachtungen von Elementen und deren Zusammenhänge und zeigt, dass es oftmals in der Chemie der Fall ist, dass Modelle aufgestellt werden, um Zusammenhänge zu erklären. Es zeigt dementsprechend auch, dass Modelle fehlerbehaftet sein können oder obsolet werden, da empirische (oder theoretische) Untersuchungen zu gegenteiligen Erkenntnissen geführt haben. Dadurch lernen die Lernenden einmal die Relevanz von Modellen, aber auch die Kritik und die Notwendigkeit der Wandelbarkeit dieser Modelle. Leider ist die Einheit ansonsten sehr theorielastig und besitzt neben dem Aspekt der Modellkritik keine größere Relevanz für den Alltag. Vorkenntnisse Die Lernenden müssen das Bohrsche Atommodell kennen und auf Beispiele anwenden können. Zusätzlich sollte ein chemisches Verständnis für den Umgang mit dem Periodensystem vorhanden sein. So beispielsweise, welche Informationen das Periodensystem zu den einzelnen Elementen enthält, wie man es liest sowie dessen grundlegenden Aufbau. Des Weiteren soll den Schülerinnen und Schülern bekannt sein, wie chemische Bindungen, hier vor allem die kovalente Bindung, konstituiert sind sowie die Darstellung von Molekülen in der Lewis-Schreibweise. Didaktisch-methodische Analyse Die Schülerinnen und Schüler werden am Anfang der Einheit aktiviert, indem sie das bekannte Atommodell von Bohr wiederholen und ihnen direkt eine Erweiterung offenbart wird. Ziel ist, sich die neuen Zusammenhänge möglichst selbstständig oder im Team zu erarbeiten, unter der Kontrolle der Lehrkraft. Dabei wird Methodenvielfalt dadurch erzielt, dass sich die Schülerinnen und Schüler mittels verschiedener Sozialformen und Herangehensweisen die Informationen erarbeiten und anwenden. Hierbei wird viel Wert darauf gelegt, dass trotz starker Theorieauslastung die Schülerinnen und Schüler sich das Modell der Orbitale bildlich vorstellen können. Im Fokus ist hierbei, dass das Bohrsche Modell nicht komplett abgelegt wird, sondern eher weiterentwickelt und erweitert wird. Der Begriff des Modells wird kritisiert und genügend erklärt, damit die Schülerinnen und Schüler den Sinn der Veränderung des Bohrschen Modells erkennen und diese nicht als rein theoretisch ansehen. Binnendifferenzierung wird bei leistungsstärkeren Schülerinnen und Schüler durch weitere Aufgaben und das optionale AB [5] vorangetrieben. Des Weiteren können stärkere Schülerinnen und Schüler in Gruppenarbeiten Rollen übernehmen, in denen sie den schwächeren Schülerinnen und Schüler Inhalte und Themen erklären und sie unterstützen. Zusätzlich besitzt die Lehrkraft einen moderierenden Teil und kann ggf. die schwächeren Schülerinnen und Schüler unterstützen und ihnen weiteres Material, Erklärungen (siehe Links) zuarbeiten. Vorbereitung Arbeitsblätter ausdrucken, Links für Modelle und Simulationen bereits öffnen (ggf. schon an die Tafel projizieren, damit diese immer sichtbar sind). Zusätzlich sollte die Lehrkraft Bastelmaterialien für die Darstellung von Orbitale (siehe Ablauf) bereit stellen können, sollte dieser Teil durchgeführt werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Begriff Orbital mittels der Quantenzahlen und stellen die Elektronenkonfiguration für konkrete Atome/Ionen auf. wenden das Pauli-Prinzip und die Hundsche Regel. können chemische Zusammenhänge von Orbitalen, Elektronenkonfiguration und Hybridisierung qualitativ erklären. diskutieren Möglichkeiten und Grenzen von Modellen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler suchen und verarbeiten Informationen aus chemischen Sachtexten. transferieren Erkenntnisse aus digitalen Simulationen und können die Simulationen zu Darstellung chemischer Sachverhalte adäquat nutzen. recherchieren zu chemischen Sachverhalten und strukturieren diese. (erstellen Zusammenfassungen und Erklärungen von chemischen Themen im Format eines Kurzvideos/TikTok.) Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren über chemische Sachverhalten und helfen sich gegenseitig die Aufgaben zu lösen arbeiten gemeinsam an Problemstellungen und kooperieren, um sich die Lösungen zu erarbeiten

Nicht nur Menschen, auch Maschinen müssen Lernen, dabei gibt es viele Gemeinsamkeiten und einige Unterschiede. In dieser Unterrichtseinheit werden Grundlagen menschlicher und künstlicher Intelligenz und Lernstrategien behandelt. In dieser Einheit wird ausgehend vom Aufbau des menschlichen Gehirns über neuronale Netzwerke (die hier nur oberflächlich behandelt werden) zu grundlegenden Lernstrategien ein Bogen gespannt. Alle Bereiche sind so angelegt, dass sie auch ohne Vorwissen allgemein verständlich sind. Es wurde dafür bewusst auf vertiefende Einblicke verzichtet. Diese können aber von der Lehrkraft an jeder Stelle selbst eingebaut werden, ohne den Bogen selbst zu verlassen. Abgerundet wird die Einheit durch einen kurzen Ausblick zu Superintelligenz und einer sehr spielerischen Aufgabe zum verstärkenden Lernen. Das Thema Künstliche Intelligenz (KI) besitzt eine hohe Relevanz für Schülerinnen und Schüler, nicht zuletzt aufgrund ihrer eigenen schulischen Erfahrungswelt, in der sowohl menschliches als auch maschinelles Lernen eine zentrale Rolle spielen. Diese Alltagsnähe trägt wesentlich zur Motivation bei, sich mit der Thematik auseinanderzusetzen. Für die Bearbeitung des Arbeitsblattes sind grundsätzlich keine speziellen Vorkenntnisse erforderlich. Kenntnisse über den Aufbau des menschlichen Gehirns sowie über neuronale Netzwerke können jedoch förderlich sein und bei entsprechender Verknüpfung das Verständnis vertiefen. Das Arbeitsblatt bietet eine gute Gelegenheit, an eventuelles Vorwissen aus dem Biologieunterricht anzuknüpfen und so einen motivierenden Einstieg zu gestalten. Die erste Aufgabe ist spielerisch angelegt und ermöglicht so einen niedrigschwelligen Zugang zum Thema, während die zweite Aufgabe stärker Schülerinnen und Schüler mit mathematisch-physikalischem Interesse anspricht. Für die Bearbeitung der Labyrinth-Aufgabe empfiehlt es sich, die zugehörige Abbildung im Anhang in Originalgröße auszudrucken und jedem Schülerteam (bestehend aus zwei Personen) zur Verfügung zu stellen, um eine effektive und anschauliche Bearbeitung zu ermöglichen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verstehen den Zusammenhang zwischen dem Aufbau des Gehirns und dem Lernen. erfassen, dass KI und das menschliche Gehirn viele Gemeinsamkeiten haben. lernen spielerisch eine Lernstrategie kennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen weiterführende Internetquellen. interpretieren Graphiken. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten spielerisch an der Lösung einer Aufgabe in Paararbeit.

In dieser Unterrichtseinheit zum Erweitern von Brüchen bieten interaktive Arbeitsblätter den Schülerinnen und Schülern einen experimentellen, anschaulichen und nachhaltigen Zugang zum grundlegenden Verständnis des Erweiterns von gemeinen Brüchen. In der vorliegenden Unterrichtseinheit werden die Grundlagen für das Erweitern von Brüchen geschaffen. Eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis des Erweiterns von gemeinen Brüchen ist die Einsicht, dass ein und dieselbe Zahl durch verschiedene wertgleiche Brüche dargestellt werden kann. Die geometrische Veranschaulichung des Erweiterns anhand der Verfeinerung der Unterteilung eines gegebenen Rechtecks wird mithilfe von GeoGebra realisiert und in den interaktiven Übungen zur Veranschaulichung genutzt. Neben der interaktiven Veranschaulichungs- und Experimentierumgebung bietet die Unterrichtseinheit unterschiedliche interaktive Übungsmöglichkeiten zur Individualisierung und Differenzierung des Unterrichts. Eine zusätzliche, nicht zu unterschätzende, Motivation während dieser Übungs- und Vertiefungsphase bietet ein Wettbewerb, bei dem die Schülerinnen und Schüler die von Ihnen erreichte Punktzahl in eine Bestenliste eintragen können. Voraussetzungen Für den Einsatz der interaktiven Arbeitsblätter zum Erweitern von Brüchen müssen weder Lehrkräfte noch Schülerinnen und Schüler über spezielle digitale Kompetenzen verfügen. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Darstellung von Bruchteilen anhand von unterteilten Rechtecken bereits kennen. Die Unterrichtseinheit selbst basiert auf acht interaktiven Arbeitsblättern zum Erweitern von Brüchen, die mit jedem Internet-Browser und auf allen digitalen Endgeräten dargestellt werden können. Funktionsweise des ersten interaktiven Arbeitsblattes Die erste interaktive Aufgabe gehört zum anschließenden Hefteintrag und dient zur Erarbeitung der Regel für das Erweitern von Brüchen (siehe Linkliste). Mit dem Button "neu" wird eine entsprechende Aufgabe erzeugt. Mit dem Schieberegler "Erweiterungszahl" oder den zugehörigen Pfeiltasten wird der blau dargestellte Bruchteil noch einmal unterteilt. Gleichzeitig wird der wertgleiche Bruch dargestellt. Die gesuchte Erweiterungszahl kann anschließend abgelesen werden. Das so gefundene Ergebnis wird in das vorgesehene Feld eingetragen. Der Button "prüfen" dient zur Kontrolle des Ergebnisses. Anstelle einer Einweisung in die Funktionalität des interaktiven Arbeitsblatts kann das bereitgestellte Erklärvideo verwendet werden. Visuelles Üben vor der Algebraisierung Die Bedeutung des ersten interaktiven Arbeitsblatts sollte nicht unterschätzt werden. Es dient zur Festigung der bisherigen Erarbeitung. Im Lernprozess sollte das Üben nicht sofort auf symbolischer Ebene angesetzt werden. Vielmehr ist es wichtig, dass vor der Übung auf der algebraischen Ebene die bildliche Ebene noch einmal vertieft wird. Dazu beinhaltet das Arbeitsblatt 1 unter "Aufgabe 1" die passende Übung. Üben auf unterschiedlichen Niveaustufen Das Arbeitsblatt 1 enthält drei weitere Aufgaben, anhand derer die Schülerinnen und Schüler das Erweitern ohne Veranschaulichung durchführen. Dabei kann die Lehrkraft überprüfen, ob die grundlegenden Kompetenzen für das Erweitern von Brüchen vorhanden sind. Bei "Aufgabe 2" soll ein Bruch mit einer vorgegebenen Zahl erweitert werden, bei "Aufgabe 3" soll anhand von zwei wertgleichen Brüchen die Erweiterungszahl angegeben werden. Die abschließende "Aufgabe 4" ist komplexer gehalten. Hier müssen die Lernenden sowohl die Erweiterungszahl erkennen als auch eine fehlende Zahl ergänzen. Sie bildet den Abschluss der Übungsphase 1 und leitet damit zu den Aufgaben mit höherem Niveau über. Das Arbeitsblatt 2 stellt dafür drei interaktive Übungen bereit. Bei "Aufgabe 1" sollen drei wertgleiche Brüche bestimmt werden. Bei "Aufgabe 2" werden zwei unterschiedliche Brüche erzeugt, die dann so zu erweitern sind, dass sie den gleichen Nenner besitzen. Hier wird bereits propädeutisch das Addieren und Subtrahieren von Brüchen eingeleitet. Schließlich sollen die Schülerinnen und Schüler bei "Aufgabe 3" ihre Kenntnisse auf einen Sachverhalt anwenden, in dem sie eine Perlenkette mit farbigen Perlen erzeugen. Lehrerrolle Da die Kontrolle der Lösungen digital durch den Computer stattfindet, kann die Lehrkraft eine beobachtende Rolle einnehmen. Sollten bei der Bearbeitung der Aufgaben schwächere Schülerinnen oder Schüler auf Schwierigkeiten stoßen, kann die Lehrkraft diese individuell betreuen und unterstützen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten selbstständig die Regel für das Erweitern von Brüchen. können die Regeln für das Erweitern von Brüchen verbal beschreiben. wenden ihre erworbenen Kenntnisse auf unterschiedliche Aufgaben an. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erfassen und interpretieren Inhalte aus digitalen Informationsquellen. nutzen Medieninhalte und formulieren daraus eigene Hypothesen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stärken während der Paararbeit ihre Kommunikations- und Teamfähigkeit. können ihr Wissen im Austausch mit anderen auf erweiterte Fragestellungen anwenden.

Die Schülerinnen und Schüler der fünften und sechsten Klasse lernen natürliche Stoffkreisläufe kennen und verstehen, wie Verpackungsabfälle diese aus dem Gleichgewicht bringen können. Sie setzen sich mit der korrekten Mülltrennung auseinander und erkennen den Recyclingprozess als wichtigen Teil eines geschlossenen Kreislaufs. Die Verringerung der Treibhausgasemissionen ist eine zentrale Aufgabe des 21. Jahrhunderts. Die korrekte Trennung von Restmüll und leeren Verpackungen trägt zur Ressourcenschonung bei und entlastet die Umwelt. Durch das Recycling von Glas-, Papier- und Plastikverpackungen werden große Mengen an Kohlenstoffdioxid eingespart. Außerdem kommt hinzu, dass durch das Recycling weniger Müll verbrannt wird, was die Emissionen von Kohlenstoffdioxid zusätzlich reduziert. Die Entsorgung von Verpackungen ist Teil unseres täglichen Lebens. Die Unterrichtseinheit liefert einen Überblick über die natürlichen Stoffkreisläufe und vermittelt ein grundlegendes Verständnis für ökologische Prozesse, geht aber auch auf die Bedeutung von Kreisläufen in der Natur ein. Des Weiteren wird eine Verbindung zwischen den natürlichen Kreisläufen und der Mülltrennung geschaffen, wodurch die Schülerinnen und Schüler verstehen, wie eine falsche Entsorgung die Umwelt belastet, und den Pflanzen sowie Tieren schadet. Die Schülerinnen und Schüler lernen, wie die entsorgten und getrennten leeren Verpackungen aufbereitet werden, um erneut in den Kreislauf zu gelangen. Darüber hinaus verstehen sie wie diese Recyclingprozesse den Kreislauf unterstützen und vollenden. Dies fördert ihr Verständnis in Bezug auf die Auswirkungen der Mülltrennung auf den Umweltschutz. Ergänzend dazu festigen die Schülerinnen und Schüler ihr erlerntes Wissen durch verschiedene interaktive Übungen. Dabei dienen die Übungen nicht nur der Wiederholung, sie aktivieren auch die praktischen Kenntnisse zur richtigen Mülltrennung und deren Anwendung im Alltag. Das vorliegende Unterrichtsmaterial eignet sich für den Unterricht in der Sekundarstufe I im Fach Biologie oder Naturwissenschaften (NaWi). Es kann als Material für die Themen Ökologie und Stoffkreisläufe herangezogen werden und verdeutlicht die Auswirkungen von Mülltrennung. Sie bietet einen klaren Lebensweltbezug und regt an verschiedenen Stellen zum Denken an. Die Unterrichtseinheit stärkt das Umweltbewusstsein der Schülerinnen und Schüler und fördert ihre Handlungskompetenz. Durch direkte praktische Anwendungen im Alltag werden die Schülerinnen und Schüler motiviert und sensibilisiert. Neben verschiedenen Lernmethoden und Sozialformen bietet die Unterrichtseinheit auch vertiefende Zusatzaufgaben, die optional bearbeitet werden können. Dadurch kann die Einheit insbesondere auch für heterogene Lerngruppen genutzt werden. Das erste Arbeitsblatt kann als eine allgemeine Einführung in das Thema natürliche Stoffkreisläufe genutzt werden. Der Fokus liegt dabei auf dem Kohlenstoffkreislauf und der damit verbundenen Fotosynthese. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich außerdem mit der Bedeutung von Stoffkreisläufen auseinander. Weiterhin kann mit Hilfe des zweiten Arbeitsblattes die Auswirkung von Restmüll und leeren Verpackungen oder Essensresten auf natürliche Kreisläufe thematisiert werden. Das Arbeitsblatt drei hebt die Wichtigkeit einer korrekten Mülltrennung hervor. Abschließend werden mittels des vierten Arbeitsblatts die Wege der getrennten leeren Verpackungen, sowie die Aufbereitung der Stoffe besprochen. Dabei erhalten die Schülerinnen und Schüler durch visuelle Darstellungen und praxisnahe Beispiele aus ihrem Alltag ein weitgehendes Verständnis für Recyclingprozesse. Die interaktiven Übungen erlauben darüber hinaus nicht nur eine Wiederholung des Stoffes, durch die direkte Anwendung des Wissens wird das Erlernte auch gefestigt. Ein spezielles Vorwissen wird für die Bearbeitung der Aufgabenstellung nicht benötigt, da das benötigte Wissen in den Infotexten vermittelt wird. Ein grundlegendes, altersgerechtes Wissen in Bezug auf das Themengebiet Ökologie beziehungsweise das fächerübergreifende Themenfeld Nachhaltigkeit kann jedoch hilfreich sein. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen natürliche Stoffkreisläufe und ihre Bedeutung kennen. wenden die korrekte Mülltrennung für verschiedene Materialien an. befassen sich mit verschiedenen Recyclingprozessen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen Smartphones oder Tablets, um die richtige Mülltrennung spielerisch zu üben. nutzen interaktives Material zur selbstständigen Wiederholung und Festigung des erlernten Wissens. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Aufgaben in Partner- oder Gruppenarbeit. wenden ihr Wissen auf fächerübergreifende Fragestellungen an. bewerten die Folgen inkorrekter Müllentsorgung für Tiere und Umwelt. 1. N. Abels, S. Adamitzki, H. Groth, Dr. P. Hoppe, T. Hoppe, J. Jakobsen, D. Kroll, U. Leidning, N. Matzke, D. Mittler, Dr. K. Moschner-Rahe, I. Sanders-Seidler, T. Sudeik, J. Volkmer, P. Wolthaus (2021). Blickpunkt Naturwissenschaften Westermann Bildungsmedien Verlag GmbH, S. 272-273. 2. nabu.de/natur-und-landschaft/meere/muellkippe-meer/muellkippemeer.html 3. nabu.de/umwelt-und-ressourcen/ressourcenschonung/kunststoffe-und-bioplastik/25222.html 4. nabu.de/natur-und-landschaft/meere/muellkippe-meer/muellkippemeer.html 5 . umweltbundesamt.de/presse/pressemitteilungen/verpackungsverbrauch-2018-weiter-gestiegen 6. Öko-Institut, Studie „Ökobilanz zu den Leistungen der dualen Systeme im Bereich des Verpackungsrecyclings“, 2022, oeko.de/fileadmin/oekodoc/Duale_Systeme_Oekobilanz_Endbericht.pdf 7. muelltrennung-wirkt.de/de/recyclingkreislauf/ 8. Umweltbundesamt, F. Wellenreuther, M. Krüger, M. Busch, A, Detzel, Aktualisierte Ökobilanz von Grafik- und Hygienepapier spotlightreport, (2022) 9. umweltbundesamt.de/publikationen/aktualisierte-oekobilanz-von-grafik-hygienepapier 10. muelltrennung-wirkt.de/de/recyclingkreislauf/kunststoff/ 11. F. Kreplin; H.-J. Putz , Hrsg.: S. Schabel ; Fachgebiet Papierfabrikation und Mechanische Verfahrenstechnik (PMV) (2020) Ermittlung der Eigenschaftsänderungen von Wellpappe beim mehrfachen Recycling und Abschätzung der maximal möglichen Umläufe. doi: 10.25534/tuprints-00012681