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.

Frankophone Sketche bieten Abwechslung im schulischen Alltag. Sie zu verstehen ist aber selbst für Oberstufenkurse nicht immer leicht. Die Lernenden wissen am besten, welche Hilfen sie brauchen, um die Inhalte zu erschließen. In diesem Unterrichtsprojekt veröffentlichen sie in einem Blog Verständnishilfen für ihre Lieblingssketche.Das Unterrichtsprojekt soll einen auf das Internet gestützten, intensiven und die Selbstständigkeit fördernden Lernprozess initiieren. Ziel ist, über frankophone Sketche im Internet zu lachen und andere Lernende zum Lachen zu bringen. Der sprachliche Schwerpunkt liegt auf der Förderung der Hörverstehenskompetenz. Lernchancen und Grenzen des Kompetenzerwerbs bei der Arbeit mit Blogs in einem Grundkurs der Qualifikationsstufe werden hier aufgezeigt.In der Unterrichtseinheit finden die folgenden Methoden Anwendung: Internetrecherchen zu francophonen Sketchen auf YouTube, Schreibphasen und die Präsentation des Blogs. Die nötigen technischen Kenntnisse werden im Verlauf der Arbeit erworben. Es ist günstig, wenn die Lernenden ein Blog verwalten können. Vorbemerkungen Das Fach attraktiv gestalten, die Lernenden handeln lassen und ihnen Spaß am Französischen vermitteln - das sind die Ziele dieser Einheit. Ablauf der Unterrichtseinheit Eine detaillierte Beschreibung des Unterrichtsverlaufs sowie alle benötigten Arbeitsmaterialien zum Download haben wir hier für Sie zusammengestellt. Reflexion und Ausblick Inwiefern Anspruch und Wirklichkeit in dieser Unterrichtseinheit wirklich übereinstimmen, zeigt diese Reflexion auf. Das Erreichen der anvisierten Kompetenzen kann durch die Erfüllung der folgenden Arbeitsaufträge erkannt werden: Die Schülerinnen und Schüler sollen didaktische Hilfen nutzen und über die wichtigsten Pointen verschiedener von der Lehrkraft didaktisiert eingeführter Sketche lachen. die Namen mehrerer frankophoner Humoristen und Titel ihrer Sketche kennen, um nach diesen auch von zu Hause aus gezielt im Internet zu suchen. den ausgewählten Sketch mehrmals sehen und ein Konzept für eine Didaktisierung erarbeiten. das Konzept in ein Manuskript umsetzen. das Manuskript bei der Lehrkraft zur Korrektur und zur Einholung eines Feedback einreichen. das korrigierte Manuskript lesen und die ihnen schlüssig erscheinenden Korrekturen zeitnah in des Manuskript einarbeiten. das Manuskript in einem Blog veröffentlichen. sich über mehrere Wochen mit den Blog-Beiträgen beschäftigen, indem sie die didaktisierten Sketche zu Hause mehrmals ansehen. ihre Beiträge gegenseitig kommentieren. motiviert sein, sich weiter intensiv mit Sketchen zu beschäftigen, und die Online-Angebote selbstständig in ihrer Freizeit nutzen. Thema Faire rire en français sur Internet Autor Dr. Achim Schröder Fach Französisch Zielgruppe ab dem 5. Lernjahr Referenzniveau ab Referenzniveau B - Selbstständige Sprachverwendung Zeitraum mehrwöchiges Unterrichtsprojekt Technische Voraussetzungen Internetzugang, ein eigener Blog Planung Verlaufsplan "Faire rire en français sur Internet" Das Fach Französisch gilt nicht erst seit gestern als schwierig zu vermittelndes und häufig unbeliebtes Fach, und so wundert es nicht, dass die Französisch-Lerner-Quote der gymnasialen Oberstufe in den 90er Jahren von "gravierenden Einbrüchen" (Nieweler 2005: 31) betroffen war. Die Klagen von Lehrkräften und Lernenden über die Realität des Französischunterrichts sind vielfältig. Die didaktische Gestaltung von computergestützten Projekten für den Fremdsprachenunterricht ist eines der didaktischen Verfahren, an das Lehrkräfte und die Fachdidaktik die Hoffnung knüpfen, das für das Fach Französisch offenbar besonders schwerwiegend "substantielle Problem der Vermittlung" (Gruschka 2002: 328) zu überwinden. Authentizität und Handlungsorientierung Durch den Einsatz von authentischen Materialien, die auf Online-Kommunikationsplattformen bereitstehen und die handlungs- und produktorientiert bearbeitet werden sollen, wird in internetgestützen Projekten versucht, den Lernenden einen Einblick in aktuelle kulturelle Phänomene zu geben, das selbstständiges Lernen zu fördern, ihre Motivation zu erhöhen und "die herrschende Tradition der schulischen Routine auf vielfältige Weise" aufzubrechen (Arnsdorf/Majari/Steiner 1999: 48). Im Schlagwort Internet "bündeln sich die Hoffnungen auf ein erneuertes Schulwesen" (Moser 2000: 10) und auf einen "Zuwachs an Gestaltungsfreiheit" (Vogt 2004, 7). Die Vielzahl von solchen Unterrichtsprojekten, die beispielsweise hier bei Lehrer-Online zur Verfügung stehen, belegen das wachsende Interesse von Fachdidaktik und Lehrkräften an didaktischen Konzepten, die versuchen, mithilfe digitaler Medien die Distanz zwischen den Lernenden und dem Lerngegenstand, der französischen Sprache und Kultur, zu überwinden. Reflexion zeigt Grenzen auf In diesem Beitrag werden die Chancen, aber auch Grenzen dieses Auswegs aus dem Vermittlungsproblem exemplarisch an einer mit Web-Elementen operierenden Unterrichtseinheit beschrieben. Gefragt werden muss hier auch, in welcher Weise die Lernenden welche Kompetenzen erweitern, wenn sie mit Online-Materialien arbeiten. Es bedarf einer großen Beobachtungsanstrengung, um zu verhindern, dass mit der Propagierung des E-Learnings einer über ihre Grenzen unaufgeklärten "Verselbstständigung der Didaktik" (Gruschka 2002: 364) Vorschub geleistet wird. Nur wenn auf Grenzen und Schwierigkeiten bei der Umsetzung von solchen Projekten ehrlich hingewiesen wird, können möglichst viele Kolleginnen und Kollegen davon überzeugt werden, die großen aber eben zugleich auch begrenzten Chancen dieses didaktischen Mittels zu nutzen. Spaß an Sketchen Die Idee für das vorliegende Unterrichtsprojekt entstand ausgehend von der Selbsterfahrung mit dem Vergnügen, das sich beim Anschauen der nahezu unerschöpflichen Vielzahl von frankophonen Sketchen auf YouTube einstellt. Ziel: Produktorientiert arbeiten und Spaß haben Die Lernenden eines Grundkurses der Qualifikationsstufe, so die produktorientierte Ausgangsüberlegung, gestalten ein Blog, auf dem sie Sketche frankophoner Humoristen vorstellen, mit didaktischen Hilfen versehen und unter der Fragestellung analysieren, was an ihnen witzig ist. Die Lernenden kommen so "auf den Geschmack" und sehen die von ihnen veröffentlichten Sketche und darüber hinaus weiter auch in ihrer Freizeit wiederholt an. Die Vernetzung mit anderen Sketchen sorgt dafür, dass die Lernenden selbstständig auf Entdeckungsreise gehen. Lachen als Zeichen für gelungene Kommunikation Das Projekt ist auf mehreren Ebenen "kompetenzorientiert", ist das Lachen über einen Sketch doch einer der sichersten Indikatoren für eine gelungene Kommunikation zwischen Komiker und Publikum und für den erfolgreichen Erwerb kommunikativer Kompetenzen als Hör-, Leseverstehens- und landeskundlicher Sachkompetenz. Für das Projekt ist der Gedanke zentral, die Lust am Lachen als Motivationsquelle zu nutzen. Das Lachen der Lernenden ist zudem der unmittelbar messbare Output eines kompetenzorientierten Unterrichts. Damit dieser Output messbar wird, bedarf es einer intensiven Förderung der drei oben genannten Kompetenzen. Dank des Materialangebots im Internet, so die Überlegung, müsste ein solches Vorhaben wohl erfolgreich durchführbar sein. Sketche sind nicht nur auf YouTube und DailyMotion in stetig wachsender Zahl zu sehen, sondern häufig auch als Transkripte im Internet verfügbar. Zugriff auf YouTube oder DailyMotion Für die Unterrichtseinheit müssen nur wenige technische Vorarbeiten getroffen werden. Eine zentrale Voraussetzung ist die Verfügbarkeit eines schulischen Zugriffs auf die Medienportale YouTube oder DailyMotion. Erstellen des Blogs Zudem muss ein Blog angelegt werden. Wie dies im einzelnen funktioniert erklärt sich nahezu von selbst. wordpress.com: Einführung in die Erstellung eines Weblogs Hier wird in einem Lehrfilm erläutert, wie ein Blog kostenlos beispielsweise auf der Seite www.wordpress.com erstellt werden kann. Lernhilfen nutzen In einer ersten Phase werden die Lernenden in die Didaktisierung von Sketchen eingeführt. Hierzu wählt die Lehrkraft einen oder mehrere Sketche ihrer Wahl aus und stellt die aus ihrer Sicht notwendigen Lernhilfen zur Verfügung. Arbeit mit dem Text In einem ersten Schritt wird hier zunächst die szenische Darstellung einer Situation angeleitet, die von Les Inconnus karikiert wird: das Verhalten der Kandidaten einer Fernsehsendung, in der Singles versuchen, einen Lebenspartner zu finden. Anschließend wird der lückenhaft transkribierte Beginn des Sketches als Lückentext bearbeitet. Hörverstehenskompetenz Zur Schulung der Hörverstehenskompetenz wird der Sketch dann angesehen und die noch nicht gefundenen Lücken werden gefüllt. Die Aufgabe C zielt auf ein Globalverstehen. Die Lernenden füllen eine tabellarische Aufstellung mit Informationen zu den vier Protagonisten der Sendung aus. Auswertung des Sketches Zur inhaltlichen Auswertung des Sketches wird das komplette Transkript abschließend gelesen und die komischen Stellen präzise bestimmt, um diese in einem ersten Versuch auf ihre komische Wirkung hin zu analysieren und zu beschreiben. Das Lachen Die Theorie über den Witz, die Sigmund Freud in seiner Abhandlung "Der Witz und seine Beziehung zum Unbewussten" 1905 vorgelegt hat, ist ein hervorragendes Instrument, Humor zu analysieren und den Genuss, den das Lachen bereitet, noch zu steigern. Glücklicherweise liegt mit der Übersetzung von Marie Bonaparte der gesamte Text von Freud in Französisch vor. Übersetzungsübungen, die durchaus sinnvoll sein können, können so mühelos gestaltet werden. Die Dynamik des Lachens Die Lernenden erarbeiten hier einen zentralen Aspekt von Freuds Deutung der triebökonomischen Dynamik des Lachens über Witze: Freud verweist auf die subversive und befreiende Funktion des Lachens, das ein Ausleben von Triebregungen ermöglicht, die durch den zivilisatorischen Fortschritt und die mit ihm verbundenen Tabu- und Zensurschranken zunehmend unterdrückt werden. Auswahl des Sketches Die selbstständige Recherche kann ganz zu Anfang des Projekts beginnen. Hierzu erhalten die Lernenden eine Auswahlliste (fiche de travail 3) mit wenigen klassischen und vielen modernen Sketchen sowie den Auftrag, möglichst viele der genannten Humoristen und ihre Sketche kennen zu lernen. Dabei wird das Ziel der Unterrichtseinheit von Beginn an transparent gemacht: Einer der Humoristen soll ausgewählt und ein Sketch in einem Blog mit Lernhilfen versehen und damit erklärt werden. Selbstständige Didaktisierung Die Lernenden fertigen in einem nächsten Schritt ein Konzept für eine Didaktisierung an, die sie ausformulieren und der Lehrkraft zur Korrektur und Beratung vorlegen. In dem Beratungsgespräch, das online, per E-Mail oder "live" umgesetzt werden kann, werden die erfolgten sprachlichen Korrekturen und Vorschläge zu einer verbesserten Didaktisierung erläutert. Eigene Didaktisierung und Links zum Original Die Veröffentlichung der Didaktisierungen erfolgt auf einem Blog (Beispiel: Rire en français ), in dem durch Verlinkung unmittelbar auf die Sketche und die offiziellen "sites" der Humoristen zugegriffen werden kann. Solche Blogs können bei verschiedenen Anbietern wie Wordpress oder Blogspot kostenlos und ohne große medientechnische Kompetenz erstellt werden. Die Frage der Blogbetreuung Von zentraler Bedeutung für die Unterrichtsreihe ist allerdings die Frage, wer das Blog betreuen soll: Lehrkraft betreut Blog Entscheidet sich die Lehrkraft wie im vorliegenden Fall dafür, das Blog selbst zu verwalten, stärkt sie die Produktorientierung des Projekts. Sie behält die Kontrolle über Ablauf und Gestaltung. Sie vermeidet, von den Lernenden getroffene Entscheidungen autoritär wieder aufheben zu müssen, garantiert eine relativ fehlerfreie sprachliche Erscheinung und ist zu jeder Zeit über den Stand des Projekts informiert. Lerngruppe gestaltet Blog Überlassen Sie es der Lerngruppe, das Blog zu gestalten, stärkt dies die Prozessorientierung und die medienpädagogische Ausrichtung des Projekts und die Kompetenz des selbstständigen Lernens. Es bedarf allerdings eines gewissen Mutes, mitunter Qualitätseinbußen hinzunehmen, eine nicht unerhebliche Unterrichtszeit für "Redaktionssitzungen" zu investieren und auszuhalten, wenn das Projekt nicht fristgerecht fertig wird und am Ende anders als geplant veröffentlicht wird. Lerngruppe und Lehrkraft gestalten Blog Ein gangbarer Mittelweg wäre wohl, den Blog mit einem für alle bekannten Passwort zu versehen und gemeinsam mit interessierten Lernenden zu gestalten. Lernen durch Lehren Andreas Gruschka hat den Verblendungszusammenhang, in dem Pädagogik und Didaktik sich bewegen, in einem Vortrag über Adorno und die Pädagogik wie folgt beschrieben: "Die Aufforderung Adornos, Pädagogik als Aufklärung über sich selbst zu betreiben, also zu erkennen, was sie dazu beiträgt, dass sie nicht wird, was sie zu sein beansprucht, ist in der Pädagogik nur selten angekommen." (Gruschka 2003) Anspruch versus Lernziel? Angesichts des Auseinanderklaffens von Anspruch und Wirklichkeit des hier vorgestellten Projekts scheint mir eine solche Selbstaufklärung notwendig zu sein, denn nicht alle oben beschriebenen Kompetenzen können bei kritischer Betrachtung der Ergebnisse als erworben bezeichnet werden. Zu fragen ist nicht nur nach den nicht von allen vollständig erreichten Kompetenzen, denn dies könnte ja damit abgetan werden, zu behaupten, man habe nicht in der Kategorie von Mindest-, sondern der Regelstandards gedacht. Vielmehr ist danach zu fragen, wie der zentrale Anspruch des Konzeptes, durch die Online-Arbeit die Kompetenz des selbstständigen Lernens mit Sketchen zu fördern, dazu beigetragen hat, dass nicht erreicht wurde, was beansprucht war. Genutzte Lernchancen Betrachten wir zunächst die von den Lernenden erworbenen Kompetenzen. Ein Blick auf den im Rahmen des Projekts entstandenen Blog belegt genutzte Lernchancen. Mit den Erläuterungen der Sketche "La drague", "Le week-end", "La fête des enfants", "Le colonel", "Le bac" und "Avion barbie" und mit den Analysen der Sketche von Remy Gaillard kann belegt werden, dass alle Lernenden ein Produkt geschaffen haben, das die meisten der oben genannten Indikatoren aufweist: Zentrale Pointen sind erkannt und ein funktionales Konzept zur Didaktisierung ist umgesetzt worden. Die Qualität der Schülerbeiträge, die durch die vorgenommenen Lehrerkorrekturen nicht substantiell beeinflusst wurde, täuscht jedoch über eine Reihe von Schwachstellen hinweg, von denen zwei näher betrachtet werden sollen. Selbstständiges Forschen ungewollt gefördert Auffällig ist zunächst, dass zwei Lernende Sketche des Humoristen Remy Gaillard gewählt haben, die nicht auf der Auswahlliste zu finden sind. Gaillard ist insbesondere bei vielen Jungendlichen sehr beliebt; und ganz im Sinne von Freuds Theorie der komischen Wirkung setzt er sich über gesellschaftliche Tabuschranken hinweg und wagt, was wir aus Angst vor Bestrafung niemals wagen würden. Durch seine lustvollen Tabubrüche ist er zu einem Weltstar des Internets geworden. Gaillard bringt zum Lachen, aber er spricht nicht. Seine Komik ist wortlos. Das Lachen über ihn fördert so wohl kaum die Hörverstehenskompetenz der Lernenden. Und trotz des Hinweises auf diese unbestreitbare Tatsache sind Lernenden nur schwer davon abzubringen, das im Unterricht zu thematisieren, was ihnen sinnvoll erscheint, didaktisch zu vermitteln - in diesem Fall die Sketche von Gaillard. Wie aber ist hier didaktisch richtig zu reagieren? Gaillard als wortlosen Komiker als Gegenstand zu verbieten, würden bedeuten, dass sich Didaktik zwischen die Sache und die Lernenden drängt und eine vertiefende Auseinandersetzung mit ihr verhindern. Ihn unter der Auflage zuzulassen, es müsse noch ein zweiter mit Worten operierender Sketch didaktisiert werden, würde bedeuten, die Lernenden durch Ungleichbehandlung und Mehrarbeit dafür zu bestrafen, sich lustvoll mit einem nach individuellen Interesse ausgewählten Gegenstand zu beschäftigen. Lern- und Curriculumdruck stört freies Lernen Noch nicht einmal auf den zweiten Blick ist zu erkennen, wie die Auswahl zustande kam. Die dem Autor gegenüber wohlmeinenden Leserinnen und Leser werden annehmen, dass die Lernenden diese nach gründlicher Prüfung der auf der Auswahlliste angegebenen Sketche getroffen haben. In Wirklichkeit aber bedarf es einer intensiven Betreuung des Auswahlprozesses. Den Lernenden müssen die Sketche, die sich ihnen eben erst durch Didaktisierung erschließen, in Beratungsgesprächen vorvermittelt werden, und sie trauen sich eine Bearbeitung nur dann zu, wenn sie möglichst vollständige Transkripte der Sketche erhalten. Die Gründe hierfür sind vielfältig. In erster Linie aber hält der Lern- und Curriculumdruck, der auf den Lernenden in den anderen Fächern lastet, davon ab, sich so ausführlich wie nötig mit den Gegenständen, den Sketchen, zu befassen. Das Problem der Kontrollinstrumente Auf den ersten Blick ist zu erkennen, dass nur wenige Lernende die Sketche online kommentiert haben, obwohl sie dafür mehrere Wochen Zeit hatten und wiederholt dazu aufgefordert wurden. Auf Nachfrage nennen die Lernenden als Begründung mehrheitlich, dass sie es als sinnlos erachteten, ein stets gleich formuliertes Lob unter die Beiträge zu setzen. Damit wehren sich die Lernenden eigensinnig gegen ein didaktisches Konstrukt, das darauf abzielt, mit den Kommentaren ein Kontrollinstrument zu schaffen, mit dem nachweisbar würde, dass alle Lernenden alle präsentierten Sketche auch wirklich mindestens einmal gesehen haben. Leistungserwartung stört Lernlust Was ist nun das Ergebnis der hier geleisteten kritischen Selbstaufklärung über die Projektkonzeption? Zunächst die Erkenntnis, bei der Durchführung des Projekts die Grenzen zu beachten, die der didaktischen Vermittlung gesetzt sind: Die Leistungserwartung, die Lernenden mögen sich doch nachhaltig mit den Sketchen auseinandersetzen, und dies in Hausarbeit, empfinden die Betroffenen als schulisches Konstrukt und lehnen es wohl deshalb ab, ihr widerstandslos zu folgen. Ab dem Moment, da sie unbeobachtet sind, nutzen sie die ihnen offenen Räume und Medien nach dem ihnen eigenen Lustprinzip. Didaktische Konzeption hemmt Lernwillen Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass es in der von dem didaktischen Konzept vermittelten Arbeit im Kern um die Förderung der funktionalen kommunikativen Kompetenzen geht und nicht um die Sache selbst: um das von Freud beschriebene befreiende subversive Lachen. Damit erweist sich, dass das didaktische Dreieck eine Illusion ist: Die didaktische Konzeption führt die Lernenden nicht nur zur Sache, sie schiebt sich auch zwischen sie und die Sache, also die Sketche und das lustvolle Lachen. Didaktisierte Inszenierungen stören Privatsphäre "Internet" Und so muss behutsam Abstand von dem in der Literatur zu E-Learning-Projekten und in der vorliegenden Unterrichtseinheit anvisierten Idealbild eines autonom und selbstständig Lernenden genommen werden. Die real existierenden Schülerinnen und Schüler sind nur in Maßen dazu zu motivieren, ihre häusliche Privatsphäre und Freiheit bei der Benutzung des Internets durch didaktisierte Inszenierungen einschränken zu lassen. Projektunterricht versus Curriculum Womöglich könnte die Entscheidung, den Lernenden deutlich mehr Verantwortung durch eine "autogestion du site" einzuräumen, hieran etwas ändern. Mit dem damit verbundenen deutlich erhöhten Zeitaufwand aber geriete der Projektunterricht in Widerspruch zum Curriculum, das bei allen wohlmeinenden Postulaten über eine selbstverantwortliche Schule und die Förderung des selbstregulierten und individuellen Lernens noch immer in einer zentralen Abiturprüfung mündet, die eben anders als die universitären Abschlussprüfungen in Romanistik in den Zeiten vor der Modularisierung gerade nicht nach individuellen Interessen abgelegt werden kann. Arnsdorf, Dieter/Majari, Chris/Steiner, Stefanie (1999) "Die Neuen Medien - eine Herausforderung für die Fremdsprachendidaktik?", in: Fremdsprache Deutsch, 21:2, 48-51. Bonaparte, Marie (1979), Freud, Sigmund (1905) Le mot d'esprit et ses rapports avec l'inconscient. Übersetzung, Paris: Gallimard. Freud, Sigmund (1905) Le mot d'esprit et ses rapports avec l'inconscient. Übersetzung von Marie Bonaparte, Paris 1979: Gallimard. Gruschka, Andreas (2002) Didaktik - Das Kreuz mit der Vermittlung. Elf Einsprüche gegen den didaktischen Betrieb, Wetzlar: Büchse der Pandora. Gruschka, Andreas (2003) Kritische Pädagogik nach Adorno, Vortrag auf der Arbeitstagung "Die Lebendigkeit der kritischen Gesellschaftstheorie" aus Anlass des 100. Geburtstages von Theodor W. Adorno, 4.-6. Juli 2003, Frankfurt: Johann Wolfgang Goethe-Universität. Moser, Heinz (2000) Abenteuer Internet. Lernen mit WebQuests, Zürich: Auer. Volgt, Gabriele (2004) "Grußworte", in: Ermert, Karl/Brinkmann, Annette/Lieber, Gabriele (Hg.), Ästhetische Erziehung und neue Medien. Zwischenbilanz zum BLK-Programm "Kulturelle Bildung im Medienzeitalter", Wolfenbütteler Akademie-Texte (17), Wolfenbüttel. Über eine Suchanfrage oder druch Scrollen auf den folgenden Seiten kommen Sie zu den Transkripten der besprochenen Sketche. Pierre Desproges: Textes de scène

Mit Unterrichtsmaterialien der Max-Planck-Gesellschaft erarbeiten Schülerinnen und Schüler, wie Brennstoffzellen funktionieren und welche technischen Herausforderungen sie an die Forschung stellen. Auch die Frage, ob Brennstoffzellen-Autos automatisch umweltfreundlich sind, wird untersucht. An Bord eines Raumschiffs ist Platz Mangelware - und so stattete die NASA schon in der Mitte des vergangenen Jahrhunderts ihre Raumfahrzeuge mit kompakt gebauten und energieeffizienten Brennstoffzellen aus. Die "leise Knallgasreaktion" von Wasserstoff und Sauerstoff liefert Astronauten nicht nur Energie, sondern als einziges "Abfallprodukt" auch noch das lebenswichtige Wasser. Aber auch im Alltag wären Brennstoffzellen nützlich, da sie eine deutlich längere Lebensdauer als Batterien oder Akkus haben. In Laptops, Handys und MP3-Playern könnten sie Batterien und Akkus ersetzen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) testet derzeit wasserstoffbetriebene Membran-Brennstoffzellen zur Notstromversorgung in Flugzeugen. Eine positive Umweltbilanz haben Brennstoffzellen aber nur, wenn der Wasserstoff umweltfreundlich erzeugt wird, zum Beispiel durch die Elektrolyse von Wasser mit Sonnenergie. Wenn Sie Theorie und Praxis miteinander verbinden möchten: Einige Schülerlabore bieten Experimente mit Brennstoffzellen an (siehe Links zum Thema ). Die Thematik bietet viele Anknüpfungspunkte an Lehrpläne (Redox- und Elektrochemie, Fähigkeit zur Beteiligung an gesellschaftlichen Diskursen über Naturwissenschaft und Technik) und eignet sich für einen fächerübergreifenden Unterricht. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch Beiträge aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Diese bieten weitere Details zur technischen Entwicklung und der möglichen zukünftigen Bedeutung von Brennstoffzellen. Themen der Unterrichtseinheit Laptops oder Handys, die von winzigen Brennstoffzellen gespeist werden, Kleinkraftwerke auf Wasserstoffbasis, die Wohnhäuser mit Energie und Wärme versorgen und umweltfreundliche "Wasserstoffautos" - Forscherinnen und Forscher entwickeln zurzeit immer neue Ideen, wie Brennstoffzellen im Alltag genutzt werden können. Allerdings sind die meisten Brennstoffzellen-Typen von der Serienreife noch weit entfernt. Zum einen fehlt es an den technischen Möglichkeiten zur umweltfreundlichen Herstellung von Wasserstoff. Das Ausweichen auf Methanol als Brennstoff könnte dabei helfen, die Technologie zu einer Alternative zu fossilen Brennstoffen werden zu lassen. Auf der Suche nach den perfekten Werkstoffen für die Brennstoffzelle von Morgen ist man zwar auf einem guten Weg - auch mithilfe der Nanochemie - aber eben noch nicht am Ziel. Bezug zur Nanotechnologie Damit die "kalte Verbrennung" von Wasserstoff funktioniert, müssen beide Elektroden der Brennstoffzelle mit einem Katalysator beschichtet sein. Am Max-Planck-Institut für Kohlenstoffforschung in Mühlheim an der Ruhr werden dafür Metall-Nanopartikel entwickelt, die für eine große katalytisch aktive Oberfläche sorgen. Die Metalloxid-Nanoteilchen werden zunächst auf einem Trägermaterial - das können feine Rußkörnchen sein - fixiert, danach zu einer porösen Elektrode zusammengepresst und anschließend zum Metall reduziert. Materialien der Max-Planck-Gesellschaft 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. Unterrichtsverlauf und Materialien Der Verlauf der Doppelstunde und die Anbindung des Themas an die Lehrpläne werden kurz skizziert. Hier finden Sie auch eine Übersicht der Materialien. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Die hier zusammengestellten Artikel (PDF-Download) bieten weitere Details zur technischen Entwicklung und der möglichen zukünftigen Bedeutung von Brennstoffzellen. Die Schülerinnen und Schüler sollen: Brennstoffzellen als alternative Energiequellen für Fahrzeuge oder Mobilfunkgeräte kennen lernen. die Umweltfreundlichkeit von Brennstoffzellen realistisch einschätzen können. das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle erarbeiten und erklären können. erkennen, welche Probleme Forscherinnen und Forscher auf dem Weg zum serienreifen Produkt noch überwinden müssen. Fast alle Schülerinnen und Schüler besitzen einen tragbaren Computer, ein Handy oder eine Digitalkamera. Mit der Meldung "Akku fast leer - bitte laden" sind sie daher vertraut. Das unerwünschte Phänomen wird als Einstieg in die Thematik genutzt: "Damit diese ärgerliche Meldung bald seltener wird, arbeiten Forscherinnen und Forscher intensiv an der Entwicklung von Brennstoffzellen." Der Unterrichtseinstieg schafft einen konkreten Bezug zur Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler und sorgt so für (hoffentlich) großes Interesse. Er zeigt zudem, dass Forschung kein Selbstzweck ist, sondern auch einen konkreten Anwendungsbezug hat und das Leben der Menschen erleichtern kann. Selbsttätige Aneignung von Wissen Im Rahmen der ersten Erarbeitungsphase steht die selbstständige Informationsaneignung im Mittelpunkt des Unterrichts. Die Schülerinnen und Schüler sollen dabei nicht nur Text- und Bildmaterialien auswerten und Inhalte zusammenfassen, sie müssen die erarbeiteten Ergebnisse auch auf ein komplexes grafisches Schema übertragen. Um die selbsttätige Aneignung von Wissen zu forcieren, erledigen die Lernenden die Aufgaben in Kleingruppen (drei bis vier Personen). In der Diskussion mit den anderen Teammitgliedern sollen dabei mögliche Unklarheiten und Verständnisschwierigkeiten besprochen und beseitigt werden. Blick hinter die "Kulissen" der Forschung Da die Möglichkeiten des unmittelbaren Lernens beim Thema Brennstoffzellen eingeschränkt sind, sollen die Schülerinnen und Schüler im zweiten Teil der Unterrichtseinheit zumindest anhand eines Arbeitsblatts einen Blick in die spannende Welt der Brennstoffzellenforschung werfen. Anhand des Themas "Neue Membranen für bessere Brennstoffzellen" lernen sie, wie die noch vorhandenen Mängel der Brennstoffzellen beseitigt werden könnten, um zu einem besseren Produkt zu gelangen. Sie werden aber auch dafür sensibilisiert, dass noch viel Grundlagenforschung zu leisten ist, bis Brennstoffzellen zu einer wirklichen technischen Lösung im Alltag werden können. Die Lehrpläne der Bundesländer für das Fach Chemie bieten vielfältige Anknüpfungspunkte für den Einsatz der Materialien in der Sekundarstufe II. Hier einige Beispiele: Bedeutung der Chemie für die Gesellschaft und für die Bewältigung der aktuellen und zukünftigen Herausforderungen (Nordrhein-Westfalen) Von der Wasserelektrolyse über die Knallgasreaktion zur Brennstoffzelle (Nordrhein-Westfalen) Entwicklung der Fähigkeit, am gesellschaftlichen Diskurs über Naturwissenschaft und Technik teilzunehmen (Sachsen) Redoxreaktionen und deren Bedeutung für die Herstellung ortsunabhängiger Spannungsquellen (Bayern) Unter dem Leitgedanken "Erneuerbare Energien - Klimaretter oder teure Prestigeobjekte?" könnte ein fächerübergreifendes Unterrichtskonzept stehen, zu dem die hier vorgestellte Brennstoffzelleneinheit gut passen würde: Chemie Grundlegende Aspekte zu Brennstoffzellen und anderen erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Biokraftstoffe oder Biomasse, werden vorgestellt. Physik Hier steht neben Solarenergie und Strom aus Wasserkraft oder Windkraftanlagen vor allem die Kernfusion im Focus: Grundlagen und Schwierigkeiten der Umsetzung werden thematisiert. Biologie Hier werden ökologische Probleme untersucht, die sich aus der Nutzung erneuerbarer Energien ergeben, zum Beispiel die Auswirkungen von Windanlagen auf den Vogelzug oder die Folgen von Staudämmen für Flussökosysteme. Geographie, Wirtschaft Im Erdkundeunterricht nimmt das Thema Klima einen breiten Raum ein: anthropogene Ursachen für den Treibhauseffekt und die globale Erwärmung werden diskutiert. Auch die Abhängigkeit der Weltwirtschaft von fossilen Brennstoffen sollte thematisiert werden. Politik Die Lernenden beschäftigen sich mit dem Streit um die Ökosteuer und den Problemen bei der Durchsetzung einer nationalen oder weltweiten Energiewende. Auch das Erneuerbare-Energien-Gesetz in Deutschland und die Möglichkeiten und Grenzen internationaler Abkommen zum Schutz der Atmosphäre werden beleuchtet. Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Einige für diese Unterrichtseinheit relevante Artikel stellen wir hier kurz vor. Die vollständigen Beiträge stehen als PDF-Download zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Der Übersichtsartikel fasst die Argumente von Befürwortern und Kritikern einer Wasserstoff-Wirtschaft zusammen: Zwar ermöglicht die Wasserelektrolyse eine energieeffiziente Erzeugung von Wasserstoff aus dem reichlich vorhandenen Rohstoff. Einer realisierbaren Wasserstoff-Wirtschaft stehen jedoch noch ungelöste Probleme beim Transport und bei der Lagerung des Brennstoffs im Weg. Zu den Sicherheits- und Verteilungsproblemen kommt im Vergleich zu herkömmlichen Energieträgern noch die niedrige Energiedichte pro Volumeneinheit als Nachteil hinzu. Wie der Disput bis zum Anbruch eines regenerativen Energiezeitalters verlaufen wird, ist offen. Energie aus der Brennstoff-Oxidation ohne thermisch-mechanische Umwege Was als Vorteil der Brennstoffzelle erscheint - die Erzeugung elektrischer Energie direkt aus der Oxidation eines Brenngases ohne Umweg über eine Flamme, eine Gas- oder Dampfturbine und einen Generator - entpuppt sich bei der Realisierung als große Hürde. Die aggressiven chemischen Bedingungen um den Verbrennungsvorgang herrschen nämlich in der Brennstoffzelle auch dort, wo elektrischer Strom über korrosionsanfällige Kontakte zwischen verschiedenen Materialien fließen muss. Ohne High-Tech keine Brennstoffzelle Nur High-Tech-Werkstoffe, die dementsprechend teuer sind, halten den Anforderungen des Brennstoffzellen-Betriebs stand. Die damit verbundenen Kosten sind zur Zeit mit einem wirtschaftlich konkurrenzfähigen Produkt noch nicht vereinbar. Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle Neben dem allgemeinen Aufbau und der Funktionsweise von Brennstoffzellen werden die Vorteile einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle dargestellt. Sie kann ihre eigene Abwärme dazu nutzen, den Wasserstoff, den sie "verzehrt", aus Erdgas ohne zusätzlichen Energieaufwand freizusetzen und erzeugt weniger Kohlenstoffdioxid als vergleichbare konventionelle Blockheizkraftwerke. Ihre prinzipielle Funktionsfähigkeit wurde bereits gezeigt. Bis zur Entwicklung marktgerechter Lösungen müssen aber noch viele Herausforderungen bewältigt werden. Kryospeicherung und Drucktanks erscheinen nicht praktikabel Transport und Speicherung von Wasserstoff bringen bei der Nutzung von Brennstoffzellen Probleme mit sich, die bis heute nicht gelöst werden konnten. Die Verflüssigung von Wasserstoff in Vorratstanks an Tankstellen und in Tanklastwagen ist mit einem erheblichen Verlust an nutzbarer Energie verbunden. Eine kryogene Speicherung in den kleinen Tanks der Endverbraucher ist nicht praktikabel: Trotz extrem aufwendiger Isolierungen käme es bereits nach einigen Tagen zu Abdampfverlusten. Eine physikalische Speicheralternative sind Drucktanks. Aber auch hier geht Energie verloren. Zudem steigen mit dem Druck in den Tanks auch die Sicherheitsanforderungen. Chemische Alternativen Eine kurze Übersicht zeigt, dass es einerseits eine Vielzahl von Ansätzen zur Entwicklung von Wasserstoff-Speichermaterialien gibt, dass andererseits aber noch kein System gefunden werden konnte, bei dem sich ein realistisches Potential für den Einsatz in Autos abzeichnet. Auf diesem Gebiet werden noch enorme Anstrengungen erforderlich sein, wenn man in der Zukunft nicht von Kryo- oder Hochdruckspeichersystemen abhängig sein will. Der Beitrag skizziert folgende Speichermöglichkeiten: Benzin und Diesel Die Wasserstoffspeicherung mit Kohlenwasserstoffen wie Benzin und Diesel hätte den großen Vorteil, dass es keinerlei Infrastrukturprobleme gäbe, ist jedoch für den Antrieb von Autos aus technischen Gründen nicht praktikabel (hohe Temperaturen, aufwendige Gasreinigung). Methanol Trotz ähnlicher Probleme (Gasreinigung) wurden mit Methanol betankte Prototypen erfolgreich getestet. Allerdings ist die Einrichtung einer Methanol-Infrastruktur parallel zur existierenden Infrastruktur für Diesel und Benzin wirtschaftlich unattraktiv. Hydride und Imide Wesentlich attraktiver erscheinen Hydride, die reversibel Wasserstoff aufnehmen oder abgeben können. Trotz vielversprechender Ansätze ist ein großer Teil der komplexen Hydride bisher wenig oder kaum untersucht. Es besteht daher durchaus Hoffnung, dass auf diesem Gebiet noch technisch relevante Systeme entdeckt werden könnten. Metal-Organic-Frameworks (MOFs) Die hochporösen metallorganischen Gerüstverbindungen zeigen in einigen Versuchen sehr hohe Speicherkapazitäten. Inwieweit diese Systeme die geweckten Erwartungen einlösen können, wird die Zukunft zeigen. Dreidimensionale Netzwerke lagern kleine Moleküle ein In den letzten Jahren fanden bemerkenswerte Entwicklungen im Bereich der porösen Materialien statt. Durch den modularen Aufbau metallorganischer Gerüstverbindungen lässt sich die Porengröße sogar maßgeschneidert an die Größe kleiner Moleküle wie Wasserstoff oder Methan anpassen. Damit gelten MOFs als aussichtsreiche Kandidaten für die Speicherung von gasförmigen Energieträgern. Hohe Methandichten bei Raumtemperatur Während Wasserstoff in MOFs nur bei niedrigen Temperaturen gespeichert werden kann, ist die Lage im Fall von Erdgas wesentlich günstiger. Methan (Hauptbestandteil von Erdgas) wird von MOFs bereits bei Raumtemperatur aufgenommen und auch wieder reversibel abgegeben. Es erreicht in den MOF-Poren nahezu die Dichte einer Flüssigkeit. Durch diese Technologie kann man den zur Speicherung einer bestimmten Methanmenge notwendigen Druck deutlich senken, was die Sicherheit erhöht. Die Verwendung von porösen Materialien als Speichermedien befindet sich jedoch noch in der Erprobungsphase. Der Beitrag skizziert verschiedene Wege zur Herstellung von Wasserstoff. Elektrolysetechnologien und deren Betriebsbedingungen werden vorgestellt. Am Beispiel der Niedertemperatur-Elektrolyse bei Standardbedingungen werden Wirkungsgrade und Zellspannungen betrachtet. Zudem wird über eine Versuchsanlage in Saudi Arabien zur Erzeugung "Solaren Wasserstoffs" mit Strom aus einem Solarfeld berichtet, an dessen Bau das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligt war. Mit der Anlage konnte gezeigt werden, dass Wasserstoff per Elektrolyse mit einem Wirkungsgrad von etwa 70 Prozent regenerativ hergestellt werden kann. Als Brennstoffzelle für den kleinen Leistungsbereich wird in der Regel die Membranbrennstoffzelle verwendet, da ein Systemstart bei Raumtemperatur möglich ist. In Kombination mit einem Speicher für die Energieträger Wasserstoff oder Methanol sind kleine Brennstoffzellen eine Konkurrenz für Batterien und Notstromaggregate. Während Batterien - insbesondere die Lithium-Batterie - aber richtige "Kraftpakete" sind, sind Brennstoffzellensysteme eher "Energiepakete". Der Artikel stellt ihre Funktionsweise sowie Vor- und Nachteile der Brennstoffe Wasserstoff und Methanol vor. So lange die regenerative Wasserstoffgewinnung, zum Beispiel über riesige Solaranlagen, noch nicht serienreif realisiert ist, schlägt Erdgas die Brücke zur Wasserstoffwirtschaft. Ein Vorteil von Erdgas ist seine heute schon nahezu flächendeckende Verfügbarkeit in den Haushalten. Somit können Brennstoffzellen-Heizgeräte nahtlos in bestehende Heizsysteme integriert werden. Feldtests sollen den Markt für die neue Technologie sondieren und vorbereiten. Dieter Lohmann ist ausgebildet für das Lehramt an Gymnasien und arbeit als Redakteur beim Online-Magazin Scinexx .

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Bodendegradation setzen sich die Lernenden mit den Formen, Ursachen und der Verbreitung auseinander. Sie erfahren, dass die Bodenqualität durch vielfältige natürliche und anthropogene Vorgänge beeinträchtigt wird. Der nachhaltige Umgang mit der Ressource Boden stellt nicht nur mit Blick auf die Ernährung einer steigenden Weltbevölkerung eine der großen Herausforderungen unserer Zeit dar.Böden sind ein ganz wesentliches Regulativ für eine Vielzahl von Prozessen und Entwicklungen, die zentraler Bestandteil der aktuellen Nachhaltigkeitsdiskussion sind. Zwar unterliegen Böden auch natürlicherweise Veränderungen, doch trägt die menschliche Aktivität direkt oder indirekt erheblich zu ihrer Degradation bei. Versiegelung, Übernutzung, Kontamination und Erosion sind nur einige der Ursachen. Die Ausprägungen und die Intensität der Bodendegradation können dabei lokal und regional ausgesprochen unterschiedlich sein. Diese Unterrichtseinheit setzt grundlegende Kenntnisse zur Entstehung und über die Eigenschaften, Funktionen und Qualität von Böden voraus. Sie schließt insofern an die auf Feld- und Laborarbeit gerichtete Unterrichtseinheit Boden entdecken sowie die Unterrichtseinheit Der Boden - unsere wertvolle Lebensgrundlage an.Sich zu erarbeiten, was Bodendegradation überhaupt ist und welche Ursachen in verschiedenen Regionen der Erde dafür verantwortlich sind, ist ein Ziel dieser Unterrichtseinheit. Ein weiteres besteht darin zu erfahren, dass Bodendegradation nicht ausschließlich ein Problem ferner Länder ist, sondern auch hierzulande nicht ignoriert werden kann. Mittels eines einfachen Verfahrens zur Abschätzung des Bodenabtrags durch die Erosion durch Wasser bewerten die Schülerinnen und Schüler die Erosionsgefährdung unterschiedlicher Standorte. Die Unterrichtseinheit kann von den Schülerinnen und Schülern zwar selbstständig durchgeführt werden, die Arbeit in Kleingruppen ist aber vorzuziehen. Selbst gesteuertes Lernen in Teamarbeit Eigenständiges Arbeiten Wesentliche Bestandteile der Unterrichtseinheit sind das selbst gesteuerte Lernen in kleinen Gruppen unter Nutzung von Teilen bestehender Lernmodule im Web und die Recherche nach Informationen, die zur Bearbeitung der Aufgabenstellung erforderlich sind. Im Fokus dieser Lerneinheit steht die Anwendung vorhandenen Grundlagenwissens über Bodeneigenschaften und -funktionen sowie die eigenständige Erschließung der Formen und Ursachen von Bodendegradationen. Gruppenarbeit Die Gruppen arbeiten an unterschiedlichen Szenarien. Am Ende der Unterrichtseinheit stellt jede Gruppe ihre Ergebnisse und Erkenntnisse in einer Präsentation vor. In einer Abschlussdiskussion werden mögliche Gründe für Unterschiede zwischen den Szenarien zusammengetragen. Inhalte Am Beispiel der Ermittlung und Bewertung der Gefährdung von Böden durch Erosion durch Wasser wird die Kompetenz zur Beurteilung von Fragen des nachhaltigen Umgangs mit der wertvollen Ressource Boden gestärkt. Die Schülerinnen und Schüler wenden hierzu ein einfaches "Erosionsmodell" auf unterschiedliche Szenarien an und bewerten die Ergebnisse zur Erosionsgefährdung. Durch gezielte Veränderung einzelner Größen des Modells lassen sich die Auswirkungen auf den Bodenabtrag nachvollziehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen verschiedene Formen der Bodendegradation kennen. können natürliche und anthropogene Ursachen der Bodendegradation benennen. verstehen Zusammenhänge zwischen Boden- und Standorteigenschaften und Bodengefährdung durch Wassererosion. wenden bodenkundliches Grundlagenwissen zur Beurteilung der Erosionsgefährdung an. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen Informationen im Internet zu recherchieren. aus einem vielfältigen Angebot von Informationen die relevanten auswählen und aufarbeiten. die gewonnenen Ergebnisse in geeigneter Form präsentieren. Gestaltungskompetenz Die Schülerinnen und Schüler schulen das interdisziplinäre und mehrperspektivische Denken. trainieren die Vernetzung von Wissen und Anwendung in komplexen Kontexten. bringen einzelwissenschaftliche Inhalte in einen systemischen Zusammenhang. erlangen die Befähigung zum kritisch-rationalen Beurteilen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten im Team. lernen, mit verständlichen und nachvollziehbaren Argumenten zu diskutieren. lernen, mit Kritik umzugehen und Kritikfähigkeit erlangen. Eigenständiges Arbeiten Wesentliche Bestandteile der Unterrichtseinheit sind das selbst gesteuerte Lernen in kleinen Gruppen unter Nutzung von Teilen bestehender Lernmodule im Web und die Recherche nach Informationen, die zur Bearbeitung der Aufgabenstellung erforderlich sind. Im Fokus dieser Lerneinheit steht die Anwendung vorhandenen Grundlagenwissens über Bodeneigenschaften und -funktionen sowie die eigenständige Erschließung der Formen und Ursachen von Bodendegradationen. Gruppenarbeit Die Gruppen arbeiten an unterschiedlichen Szenarien. Am Ende der Unterrichtseinheit stellt jede Gruppe ihre Ergebnisse und Erkenntnisse in einer Präsentation vor. In einer Abschlussdiskussion werden mögliche Gründe für Unterschiede zwischen den Szenarien zusammengetragen. Am Beispiel der Ermittlung und Bewertung der Gefährdung von Böden durch Erosion durch Wasser wird die Kompetenz zur Beurteilung von Fragen des nachhaltigen Umgangs mit der wertvollen Ressource Boden gestärkt. Die Schülerinnen und Schüler wenden hierzu ein einfaches "Erosionsmodell" auf unterschiedliche Szenarien an und bewerten die Ergebnisse zur Erosionsgefährdung. Durch gezielte Veränderung einzelner Größen des Modells lassen sich die Auswirkungen auf den Bodenabtrag nachvollziehen. Arbeitsblatt / Aufgabe Zeitbedarf in Unterrichtsstunden AB_1: Begriff "Bodendegradation" 0,5-1 h AB_2: Webrecherchen zum Thema Bodendegradation 2-4 h AB_3: Erosionsgefährdung durch Wasser - globale Betrachtung 1 h AB_4: Erosionsgefährdung durch Wasser - Europa und Deutschland 1 h AB_5: Bodenabtrag - Berechnung der Szenarien/Standorte 3-4 h AB_6: Bodenabtrag - Vorstellung und Diskussion der Ergebnisse 2 h

Nach einer Internetrecherche zur Anwendung und Durchführung der Glimmspanprobe führen Schülerinnen und Schüler den Versuch selbst durch. Danach entwickeln sie selbstständig ein Experiment zum Nachweis der Freisetzung von Sauerstoff aus Oxi-Reinigern. Die Lernenden setzen sich in dem hier vorgestellten WebQuest zunächst theoretisch mit der Glimmspanprobe auseinander. Sie sollen sich über den Sinn und die Durchführung der Glimmspanprobe informieren und herausfinden, welche Bedeutung diese für Chemikerinnen und Chemiker hat. Danach erhalten sie einen kleinen Forschungsauftrag: Sie sollen überlegen, wie man die Freisetzung von Sauerstoff aus Oxi-Reinigern experimentell nachweisen kann. Die Lehrerin oder der Lehrer lässt die Durchführung der entwickelten Versuche unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften zu. Danach können die verschiedenen Ansätze mit der Klasse diskutiert werden. Technische und fachliche Voraussetzungen Die WebQuest-Materialien sind als Blog bei "WordPress" erstellt worden. Die HTML-Seiten können mit jedem gängigen Browser dargestellt werden. Der WebQuest zur Glimmspanprobe ist für den Einsatz in Klasse 8 konzipiert und soll insbesondere den Kompetenzbereich "Erkenntnisgewinnung" fördern. Zuvor sollte das Thema "Bestandteile der Luft" behandelt worden sein. Davon ausgehend kann man dann auf den Luftbestandteil Sauerstoff näher eingehen und die Nachweisreaktion einführen. Fortführung des Themas Im Anschluss an die Unterrichtseinheit bietet es sich an, die Verbrennung verschiedener Stoffe in reinem Sauerstoff oder an der Luft zu behandeln, um damit Oxidationsvorgänge zu thematisieren. Es ist auch möglich, vertiefend Reaktionsbedingen, Zerteilungsgrad, Durchmischung und Konzentration (hier die Sauerstoffkonzentration im Vergleich Luft/reiner Sauerstoff) zu behandeln. Dazu lassen sich auch viele einfache Schülerversuche mit den Oxi-Reinigern durchführen (DVD "Chemie fürs Leben"). Hinweise zum Unterrichtsverlauf Die Lernenden recherchieren im Netz, um die Glimmspanprobe zu erklären. Außerdem sollen sie die Behauptung, Oxi-Reiniger setzten Sauerstoff frei, experimentell prüfen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Glimmspanprobe als Nachweismethode für Sauerstoff kennen lernen und ihre Bedeutung für Chemikerinnen und Chemiker erkennen. die Glimmspanprobe nach den Sicherheitsvorschriften durchführen und protokollieren können. unter Anwendung der Fachsprache die Glimmspanprobe deuten. die erworbenen Kenntnisse zur Planung und Durchführung eines Überprüfungsexperiments zur Sauerstofffreisetzung aus Oxi-Reinigern anwenden. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Computer gezielt zur Informationsbeschaffung verwenden, indem sie wichtige Inhalte aus Online-Texte erarbeiten und diese auf ihre Aufgabenstellung beziehen. eine Filmsequenz aus dem Internet zum Verständnis der experimentellen Durchführung einer Nachweisreaktion nutzen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen auf der Basis des angeeigneten Wissens ein Experiment gemeinsam planen und gegebenenfalls gemeinsam durchführen. sich gegenseitig bei der Diskussion verschiedener Versuchsvarianten zuhören und die Vorschläge vergleichend diskutieren. Prof. Dr. Julia Michaelis von der Didaktik der Chemie der Universität Oldenburg betreute Julia Elsen bei der Bachelorarbeit zur Glimmspanprobe.

Das Schulbegleitprojekt "Niemanden zurücklassen – Lesen macht stark" (NZL) nimmt die Förderung der Lesekompetenz leseschwacher Lernenden in den Blickpunkt. Diese internetgestützte Leseeinheit ist ein Beispiel für die vielen Materialien, die Lehrkräften im Rahmen des Projekts zur Verfügung gestellt werden. Das schleswig-holsteinische Projekt "Niemanden zurücklassen - Lesen macht stark" für die Klassenstufen 5 bis 10 ist im August 2006 in den Klassenstufen 5 und 6 an 50 Hauptschulen gestartet. "Niemanden zurücklassen" bietet den Schulen gezielte Unterstützung durch externe Berater, spezielle Lesemappen und Materialordner sowie zusätzliche Lehrerstunden. Ein zentraler Bestandteil des Projekts ist die jährliche Erfassung der Lesekompetenz durch objektive Tests und Vergleichsarbeiten. Seit Beginn des Schuljahrs 2008/2009 ist das Projekt für die Realschulen sowie Regional- und Gemeinschaftsschulen geöffnet. Insgesamt nehmen derzeit 210 Schulen teil. Träger des Projektes sind das Ministerium für Bildung und Frauen und das Institut für Qualitätsentwicklung an Schulen Schleswig-Holstein (IQSH). Bei der hier vorgestellten Unterrichtseinheit handelt es sich um ein ergänzendes Element des gesamten Projekts. Gute Leserinnen und Leser sind motivierte Leserinnen und Leser. Das Material des Schulbegleitprojekts "Niemanden zurücklassen - Lesen macht stark" nutzt die Lesemotivation als grundlegende Haltung und fordert dazu auf, motivationale Faktoren als Einstiegsstrategie zur Förderung der Lesekompetenz einzusetzen. Anknüpfungspunkt hierfür ist die vom persönlichen Interesse geleitete Auswahl des Lesestoffs. Die NZL-Lesemappe ist dabei als Organisationshilfe für die Arbeit mit eigenen Lesetexten und als Unterstützung selbst regulierter Lernprozesse zu verstehen. Der NZL-Materialordner bietet Textmaterial für diejenigen, die zunächst noch an mangelndem Leseinteresse scheitern und sich keine eigenen Texte beschaffen können. NZL-Hintergrundinformationen Das Schulbegleitprojekt zur Leseförderung stellt den beteiligten Schulen vielfältige Anregungen und Materialien zur Verfügung, die hier kurz vorgestellt werden. Ablauf der Unterrichtseinheit Mithilfe der Materialien von NZL ist es ganz einfach, eine Unterrichtseinheit zur Förderung der Lesemotivation durchführen. Wie es geht, wird hier dargestellt. Fachkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler sollen einem selbst gewählten Text Informationen entnehmen. das eigene Leseinteresse durch vielfältige Angebote erkennen und eingrenzen können. Sicherheit im Umgang mit nicht-linearen Hypertexten erlangen. Methodenkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler sollen verfügbare Lesestrategien anwenden. Lesetexte nach Interesse aus einer Linkliste auswählen. selbstständig Texte am Computer lesen und dazu eigene Aufgaben finden. Texte leise lesen. die individuelle Lesezeit erhöhen. in einem Leseportfolio Arbeitsergebnisse dokumentieren (Bezug: NZL-Lesemappe). selbstständig mit den Angeboten der NZL-Website umgehen können. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen in Partnerarbeit eigene Lesetexte präsentieren und Anregungen zur Weiterarbeit geben. Lesetexte in Kleingruppen präsentieren. Thema Steigerung der Lesemotivation und Erhöhung des Leseinteresses durch Texte aus dem Internet Autorinnen Uta Hartwig und Christiane Frauen Fach Deutsch, Lesen in allen Fächern Zielgruppe Klasse 5 bis 10 Zeitraum variabel Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang für die Einzel-, Partner- oder Kleingruppenarbeit Uta Hartwig ist Lehrerin an der Regionalschule Altenholz, Studienleiterin Englisch und Fortbildnerin im Projekt "Niemanden zurücklassen - Lesen macht stark". Die Schülerinnen und Schüler erhalten Lesemappen (Portfolios), die eine individualisierte und differenzierte Leseförderung ermöglichen. Für die Lehrkräfte steht ein Materialordner mit themenorientierten Lesetexten und Anregungen zur Förderung der Lesekompetenz zur Verfügung. Es besteht die Möglichkeit zur Teilnahme an einem Rap-Workshop. Es gibt Lesezertifikate sowie einen Ferienleseclub. Gezielte Lehrerfortbildungen werden angeboten. Materialien und Praxistipps sind über die Projekthomepage abrufbar. Anknüpfen an altersgemäße Formen der Lesemotivation selbst reguliertes Lernen Erhöhung der Lesezeit durch ritualisiertes Lesen Entwicklung der Lesekompetenz durch bewussten Umgang mit Lesestrategien Berücksichtigung geschlechtsspezifischen Leseinteresses Metakognitiver Diskurs (über Leseprozesse laut nachdenken) Bedeutung des leisen Lesens Steigerung der Sinnentnahme durch individuelles Lesetempo Methoden der Textentlastung Interkultureller Ansatz (Berücksichtigung in Textauswahl und Aufgabenstellung) Akzeptanz aller Lesematerialien Erhöhung der Lesezeit Das Konzept hat eine Erhöhung der individuellen Lesezeit der teilnehmenden Kinder zum Ziel. Je nach Möglichkeiten der oder des Einzelnen kann dabei auch die Anzahl der Texte im Vordergrund stehen. Da eine Ausweitung der Lesequantität erwiesenermaßen allein nicht ausreicht, um die Lesekompetenz zu steigern, wird die Textarbeit mit einer Entwicklung des Strategiewissens verknüpft. Erste Ansätze der Metakognition, des Nachdenkens über das Lesen, werden entwickelt. Leise Lesen Ein wesentliches Prinzip des Konzepts ist das leise Lesen. Die Texte werden nicht gemeinsam in der Klasse gelesen. Jede und jeder wird zum Selbstlesen angeleitet. Dies kann in Einzelarbeit oder auch in Gruppenarbeit erfolgen. Auch in der Gruppenarbeit wird still gelesen. Lediglich die Aktivierung des Vorwissens vor dem Lesen und die Anschlusskommunikation werden laut umgesetzt. Da insbesondere die sogenannten Risikoschülerinnen und -schüler kaum über Lesematerialien in ihrer häuslichen Umgebung verfügen, sollten seitens der Schule zusätzliche animierende Lesematerialien bereit gestellt werden. Auch viele Lehrkräfte wünschen sich zusätzliche Lesetexte für ihren Leseunterricht, damit die Lesemotivation durch interessengeleitetes Lesen in den Lesestunden gesteigert werden kann. Erfahrungen aus den Lehrerfortbildungen haben gezeigt, dass in der Regel auf didaktisiertes Lesematerial der Verlage zurückgegriffen wird. Da hier eine Auswahl oft sehr aufwändig ist, stellt das NZL-Konzept weitere Lesetexte, die das alters- und geschlechtsspezifische Leseinteresse berücksichtigen, zur Verfügung: Lesekisten für die Klasse: Bibliotheken stellen für Ihre Klassenstufe eine Lesekiste mit aktueller Jugendliteratur zusammen. Im Leseunterricht Zeitungen (zum Beispiel lokale Zeitung) und Zeitschriften (Jugendmagazine, Fußballzeitung, Sportzeitung) zur Verfügung stellen Kooperation mit der Deutschen Presse Agentur (dpa): Wöchentlich werden aktuelle Lesetexte für NZL-Schulen ins Internet gestellt Das Medium Internet bietet insbesondere den eher leseschwachen Schülerinnen und Schülern eine zusätzliche Motivation durch Interaktivität und Aktualität. Schülerinnen und Schüler drucken aus dem Internet Artikel zu Themen, die sie besonders interessieren, aus - dabei kann im Internet zu eigenen Themen frei recherchiert werden, zum Beispiel unter Zuhilfenahme der Suchmaschine Google. Eine Linksammlung zu den Themen der Lesemappe kann zur Unterrichtsvorbereitung und durch die Schülerinnen und Schüler selbst genutzt werden. Zugriff auf regelmäßige Textangebote, die die dpa den NZL-Projektschulen im Rahmen einer Kooperation zur Verfügung stellt. Geeignet für alle Lehrkräfte Mithilfe der vorliegenden Materialien können alle interessierten Lehrerinnen und Lehrer (nicht nur NZL-Lehrkräfte in Schleswig-Holstein) eine Einheit zur Förderung der Lesemotivation unter Berücksichtigung des Leseinteresses und Einsatz der Lesestrategien durchführen. Ergänzend sollten der Bereich der Metakognition (über das Lesen sprechen) sowie die Anschlusskommunikation Berücksichtigung erfahren. Erforderliche Vorkenntnisse Die Schülerinnen und Schüler sollten mit den Lesestrategien vertraut gemacht worden sein. NZL-Schulen haben die Lesemappen eingeführt und mit der "Lesewoche" und den "Themenkarten" gearbeitet. Zudem sollten die Lernenden wissen, wie man am Computer und im Internet navigiert, Fenster öffnet, Hyperlinks verwendet sowie mit den Strukturen von nicht-linearen Texten vertraut sein. Diese Vorkenntnisse sind in der Regel bereits aus dem privaten Umgang mit dem Computer gegeben. Auf dem rechten Bildschirmabschnitt der Projekt-Website sind die verschiedenen Lesestreifen mit unterschiedlichen Lesestrategien erkennbar. Mit einem Klick öffnet sich der Lesestreifen in Form eines Popups auf der rechten Bildschirmfläche. Die Lesestreifen sind den Schülerinnen und Schülern aus der Arbeit mit der NZL-Lesemappe oder aus dem Deutschunterricht bereits bekannt. Auf der linken Bildschirmseite können dann unterschiedliche Internetseiten geöffnet und gelesen werden. Abhängig von der Bidschirmgröße müssen diese Textseiten noch am Bildschirm angepasst werden, so dass zwei Fenster, der Text und der Lesestreifen, zeitgleich nebeneinander am Bildschirm einzusehen sind (siehe Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Bearbeitung der Lesetexte Über die NZL-Website werden die Schülerinnen und Schüler zunächst per Beamer in ihre Aufgaben eingeführt: Die Website mit ihren Links und die mögliche Verwendung der Online-Lesestreifen werden erklärt. Anschließend dürfen sich die Lernenden in Einzel- oder Partnerarbeit selbstständig Lesetexte auswählen, die sie im Unterricht lesen und mithilfe der Lesestrategien bearbeiten wollen. So können die Schülerinnen und Schüler ihre Lesetexte direkt am Computer erarbeiten, diese können auch in ausgedruckter Form für die folgenden Lesestunden oder als Hausaufgaben bearbeitet werden. Auf diese Weise können verschiedene Texte durch verschiedene Lesestreifen unterschiedlich bearbeitet werden (Differenzierung und Individualisierung). Arbeiten mit dem Lesestreifen "Texte knacken in 6 Schritten" Für die ersten Stunden der Arbeit mit den Lesestreifen kann die Kopiervorlage „Texte knacken in 6 Schritten“ eingesetzt werden. Dokumentation und Präsentation Die Schülerinnen und Schüler tragen anschließend ihre Lesetexte in ihre "Lesewoche" ein und heften ihre besonders interessanten Texte in ihrem Leseportfolio, der "Lesen macht stark" Lesemappe in der Rubrik "Lesetexte" ab. In der Anschlusskommunikation können die Schülerinnen und Schüler sich ihre Texte in Partnerarbeit untereinander vorstellen, Fragen beantworten und sich mit weiterführenden Fragen beschäftigen. Leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler wählen eher anspruchsvollere und/oder längere Texte. Nach einer gemeinsamen Einführungsstunde in die Nutzung der Themenlinks am Computer können die Lernenden in nachfolgenden Lesestunden frei wählen, ob sie eigene Texte (aus Büchern oder Magazinen) oder Texte am Computer nutzen möchte. Hierfür ist die Ausstattung des Klassenraums mit einem internetfähigen Computer sinnvoll. Zur Leseförderung "in allen Fächern" können die Lesestrategien ebenfalls sinnvoll eingesetzt werden. Christiane Frauen ist Leiterin des Projekts "Niemanden zurücklassen - Lesen macht stark".

Schülerinnen und Schüler nutzen Aufnahmen und Spektren, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnen wurden, um die Masse eines Schwarzen Lochs in der Galaxie M87 zu berechnen. Mithilfe des Doppler-Effekts können Schülerinnen und Schüler die Geschwindigkeit ermitteln, mit der sich Gas in einer bestimmten Entfernung um das Zentrum der Galaxie M87 bewegt. Aus diesen Daten können sie dann auf die Masse schließen. Die mit einfachen Mitteln zu erzielenden Resultate sind durchaus mit den in der Literatur publizierten Werten vergleichbar. Das vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommene Bild (links) zeigt den aktiven Kern der Galaxie, aus dem ein gebündelter Jet aus Elektronen und subatomaren Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit herausschießt. Das hier vorgestellte Projekt ist eine von mehreren Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, die von der Arbeitsgruppe Fachdidaktik der Physik und Astronomie an der Physikalisch-Astronomischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelt wurden (weitere Projekte: Die Entfernung der Supernova SN 1987A und Die Entfernung der Galaxie M100 ). Von den mathematisch anspruchsvollen Übungen stellt das hier vorgestellte Projekt die höchsten Anforderungen an die Schülerinnen und Schüler. Die Suche nach Schwarzen Löchern Neben der Geschwindigkeit von Sternen oder Gas im Kern der Galaxien müssen bei der Suche nach möglichen Schwarzen Löchern noch weitere Kriterien herangezogen werden. Die Schülerinnen und Schüler erklären den Verlauf der Rotationskurven von Galaxien mit und ohne Schwarzem Loch im Kern der Galaxie. bestimmen mithilfe des Doppler-Effekts die Geschwindigkeit, mit der das Gas in Abhängigkeit von der Entfernung zum Zentrum der Galaxie M87 rotiert und schließen daraus auf die Masse. beziehen die Geometrie der um das Zentrum der Galaxie rotierenden Gasscheibe (Projektion des kreisförmigen Rings als Ellipse an die Himmelssphäre) in ihre Berechnungen mit ein und schulen dadurch ihr räumliches Vorstellungsvermögen. erkennen, dass die Auflösung des Hubble-Weltraumteleskops nicht ausreicht, in der Nähe des Schwarzschildradius relativistische Geschwindigkeiten nachzuweisen zu können. lernen für das Vorhandensein eines Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie neben den charakteristischen Eigenschaften der Rotationskurve noch weitere Indizien kennen. In letzter Zeit mehren sich die Anzeichen dafür, dass Schwarze Löcher nicht nur theoretisch möglich sind, sondern tief im Innern vieler Galaxien auch wirklich existieren. Sie könnten durch dynamische Vorgänge in den Galaxienzentren, wie etwa der Akkretion von Materie aus einer Gasscheibe, entstanden sein und so die am wenigsten exotische Erklärung für die Aktivitäten von Galaxienkernen, wie zum Beispiel intensive Röntgen- und Radiostrahlung und die Aussendung von Materie-Jets, darstellen. So deuten seit Langem gleich mehrere Indizien darauf hin, dass auch die riesige elliptische Galaxie M87 (Abb. 1), die zum Virgo-Galaxienhaufen gehört, ein massereiches Schwarzes Loch beherbergt. Dem hohen Auflösungsvermögen des Hubble-Weltraumteleskops verdanken wir die Entdeckung einer rotierenden Scheibe aus ionisiertem Gas im Zentrum dieser Galaxie. Keplersch oder nicht? Die empirische Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit v vom Abstand R ist bei normalen Galaxien nicht keplersch. Die inneren Partien von Spiral- und elliptischen Galaxien rotieren nämlich wie starre Körper, das heißt, die Bahngeschwindigkeit wächst linear mit dem Abstand. Dies lässt auf eine konstante Massendichte schließen. Weiter außen bleiben dann die Bahngeschwindigkeiten über große Abstände nahezu konstant, das heißt, dort wächst die Masse linear mit dem Abstand. Enthielte das Zentrum einer Galaxie nun ein Schwarzes Loch mit der Masse von einer Milliarde Sonnen, zeigt die Rotationskurve bei enger Annäherung an dieses Zentrum einen keplerschen Verlauf, so wie die des Sonnensystems. Geschwindigkeit von Sternen oder Gas im Kern der Galaxien Damit liegt eine Strategie für die Suche nach Schwarzen Löchern in Galaxienzentren auf der Hand: Wir müssen in möglichst kleinen Abständen vom Zentrum einer Galaxie die Geschwindigkeit von Sternen oder Gas messen. Ist die Rotationskurve dann keplersch, gibt dies einen deutlichen Hinweis darauf, dass im Galaxienzentrum ein sehr massereiches, kompaktes Objekt verborgen ist. Ein beeindruckendes Beispiel dafür ist die mit dem Langspalt-Spektrographen des Hubble-Weltraumteleskops aufgenommene Rotationskurve für das Zentrum der Galaxie M84. Abb. 2 zeigt die Zentralregion der Galaxie M84 in einer Aufnahme der Weitwinkelkamera des Weltraumteleskops (links). Der rechte Bildteil zeigt die Verteilung der Geschwindigkeiten von Sternen und Gas über die von dem Rechteck im linken Bild markierten Abstände vom Zentrum. Diese Radialgeschwindigkeitskurve zeigt die auf den Beobachter zu (blau) und von ihm weg (rot) gerichteten, messbaren Komponenten der Bahngeschwindigkeit. Ihre Auswertung führt auf 300 Millionen Sonnenmassen in einer Kugel mit 26 Lichtjahren Radius! Das begrenzte Auflösungsvermögen des Hubble-Weltraumteleskops verhindert bei Weitem die für den endgültigen Nachweis eines Schwarzen Lochs nötige Annäherung an dessen Schwarzschild-Radius, wobei sich relativistische Bahngeschwindigkeiten ergeben müssten. Aber auch dann, wenn die empirische Feststellung des keplerschen Verlaufs der Rotationskurve bei Annäherung an das Zentrum bei einem bestimmten kleinsten Abstand R abbricht, können wir aus einem ( R, v )-Messpunkt auf die von der Kugel mit dem Radius R eingeschlossene Masse schließen. Anschließend müssen jedoch andere Argumente zugunsten eines Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 als die (für noch kleinere Abstände empirisch nicht mehr vorhandene) Rotationskurve herangezogen werden, um Alternativen auszuschließen: Viel Masse auf engem Raum Ein Schwarzes Loch wird umso wahrscheinlicher, je mehr Masse in einem bestimmten Volumen enthalten ist und je mehr diese die Masse der darin leuchtenden Materie übersteigt. Mathematische Modelle Dynamische Rechnungen zeigen, dass nicht leuchtende Himmelskörper, wie zum Beispiel Braune Zwerge, Neutronensterne und stellare Schwarze Löcher, in der erforderlichen Anzahl rasch zu einem einzigen Schwarzen Loch kollabieren würden. Materie-Jet Nahezu senkrecht auf der Gasscheibe im Zentrum von M87 steht ein sogenannter Materie-Jet (Abb. 3), der radioastronomischen Beobachtungen zufolge aus einem Gebiet von höchstens sechs Lichtjahren Durchmesser austritt. Zur Erklärung dieses Phänomens wird seit Langem ein Schwarzes Loch diskutiert. Die in diesem Projekt durchgeführte Auswertung der M87-Daten drängen zu folgender Schlussfolgerung: Wenn wir die in einem relativ kleinen Volumen konzentrierte Masse nicht als die eines Schwarzen Lochs deuteten, wüssten wir nach dem heutigen Stand der Wissenschaft gar keine Erklärung dafür abzugeben. Um uns dieser Deutung noch mehr zu vergewissern, müsste die Bewegung von Sternen und Gas in noch größerer Nähe zum Zentrum der Galaxie analysiert werden. Zumindest für das Milchstraßensystem ist dies in jüngster Zeit geschehen (siehe Links und Literatur ). Eckart, A., Genzel, R. Erster schlüssiger Beweis für ein massives Schwarzes Loch?, Physikalische Blätter 54 (1998) (l) 25-30 Eckart, A., Genzel, R. Der innerste Kern des galaktischen Zentrums, Sterne und Weltraum 37 (1998) (3) 224-230 Ford, H.C., Tsvetanov, Z.I. Massive Black Holes in the Hearts of Galaxies, Sky & Telescope (1996) (6) 28-33 Ford, H.C., Harms, R.J., Tsvetanov, Z.I. et al Narrow Band HST Images of M87: Evidence for a Disk of Ionized Gas Around a Black Hole, Astrophysical Journal Letters 435 (1994) L27-30 Harms, R.J., Ford, H.C., Tsvetanov, Z.I. et al HAST FOS Spectroscopy of M87: Evidence for a Disk of Ionized Gas Around a Massive Black Hole, Astrophysical Journal Letters 435 (1994) L35-38 Lotze, K.-H. Schwarze Löcher - vom Mythos zum Unterrichtsgegenstand, Praxis der Naturwissenschaften/Physik 49 (2000) (5) 21-27 Lotze, K.-H. Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, Projekt Nr. 1: Die Entfernung der Supernova SN1987A, Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht (MNU) 51 (1998) (4) 218-222 Lotze, K.-H. Praktische Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, Projekt Nr. 2: Die Entfernung der Galaxie M100, Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht (MNU) 52 (1999) (2) 85-91 Rubin, V.C. Dark Matter in Spiral Galaxies, Scientific American 248 (1983) (6) 96-106

In der vorliegenden Unterrichtseinheit "Der programmierbare Roboterarm" sollen die Schülerinnen und Schüler erste Einblicke in die Automatenprogrammierung und die Strukturierung von Programmen erhalten. Die Materialien können für die Erarbeitung im Unterricht und zur Wiederholung oder Prüfungsvorbereitung - auch am heimischen Rechner - eingesetzt werden.Die Behandlung des Themas "Informationen verarbeiten" wird an vielen Schulen mittels der Programme "Karol - der Roboter" oder "Kara" erledigt. Bei beiden Programmen tun sich die Schülerinnen und Schüler schwer damit, Sensoren zu erkennen und automatisierte Abläufe hineinzuinterpretieren. An diesem Problem soll nun der "Roboterarm" ansetzen und den Lernenden diese wichtigen Begriffe der Informatik praxisnah veranschaulichen. Das in dieser Unterrichtseinheit verwendete dreidimensionale Modell eines Roboterarms wurde durch die objektorientierte Programmiersprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) verwirklicht.Der programmierbare Roboterarm setzt jede Eingabe der Schülerinnen und Schüler bildlich um - durch diese Veranschaulichung ist der Lernerfolg "vorprogrammiert". Das VRML-Plugin von blaxxun Contact steht kostenfrei zur Verfügung. Der gesamte Kurs "Der programmierbare Roboterarm" ist in vier Kapitel unterteilt. Während sich die ersten drei Kapitel an die Klassen 7 bis 8 richten, können die Inhalte des vierten Kapitels auch in Klasse 10 beziehungsweise Jahrgangsstufe 11 und 12 zum Einsatz kommen. Ausführliche Hinweise zum Lehrplanbezug (hier Sachsen) finden Sie auf den folgenden Seiten. 1. Einführung in die Automatenprogrammierung - Sensoren und Zustände Schülerinnen und Schüler erkunden den Roboterarm. Sie erstellen das UML-Diagramm und modifizieren es durch Methodenaufrufe. 2. Einführung in die Automatenprogrammierung - Lineare Programmierung Nach dem "Spielen" mit dem Roboterarm über die Programmbuttons geht es nun um die Automatisierung von Abläufen - der eigentlichen Aufgabe von Robotern. 3. Einführung in die Automatenprogrammierung - Programmanalyse Die Lernenden müssen die Zusammenhänge zwischen den Sensorzuständen und den Methodenaufrufen abstrahieren. 4. Strukturiertes Programmieren - Nutzung von Kontrollstrukturen Nach dem linearen Programmieren lernen die Schülerinnen und Schüler Schleifen und Verzweigungen kennen. Die Schülerinnen und Schüler untersuchen durch die Nutzung des VRML-Modells die Sensoren und ihre verschiedenen Zustände an einem Roboterarm. untersuchen das UML-(Unified Modeling Language-)Diagramm des "Industrieroboters" sowie das Schema der Zustände und ihre Beeinflussung mit verschiedenen Methoden. bestimmen vorprogrammierte Bewegungsabläufe unter Berücksichtigung der Sensorenzustände mittels Programmeingabe und halten diese in Zustandstabellen fest. untersuchen die Kontrollstrukturen Schleifen (Wiederholungen) und bedingte Verzweigungen und wenden diese an. Erkundung des 3D-Modells Durch eine spielerische Beschäftigung mit dem VRML-Modell (Abb. 1) soll den Schülerinnen und Schülern klar werden, über welche Sensoren der Roboterarm verfügen muss und welche Zustände diese Sensoren annehmen können. So können die Lernenden gemeinsam das UML-(Unified Modeling Language-)Diagramm sowie das Schema der Zustände und der Methoden erarbeiten (siehe "roboterarm_1.pdf"). Dabei wird ihnen auch klar, von welchem Zustand man NICHT in einen anderen Zustand kommt. Plugin erforderlich Das dreidimensionale Modell wurde durch die objektorientierte Programmiersprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) verwirklicht, die speziell für das Internet entwickelt worden ist. Das zur Darstellung des Modells erforderlich Plugin können Sie kostenlos aus dem Internet herunterladen: blaxxun Contact 5.1 Download des Plugins von der Homepage des Autors der Unterrichtseinheit Cortona3D Viewer Download der Freeware-Version Cortona von Parallel Graphics Methodenaufrufe Nach der Erarbeitung Theorie kann das UML-Diagramm erstellt und durch Methodenaufrufe modifiziert werden (siehe "roboterarm_1.pdf"). Das erworbene Wissen kann simultan am Rechner auf die Probe gestellt werden. Für die Methodenaufrufe stehen im ersten Teil des Programms "Roboterarm.exe" sechs Button zur Verfügung (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken): R - Arm nach rechts drehen L - Arm nach links drehen H - Roboterarm nach oben (hoch) schwenken T - Roboterarm nach unten (tiefer) schwenken A - Greifer öffnen (auf) Z - Greifer schließen (zu). Über diese Buttons wird der Roboterarm gesteuert. Bei einem falschen Methodenaufruf gibt das Programm eine entsprechende Fehlermeldung aus. Wird zum Beispiel der Button "R" gedrückt, wenn der Richtungssensor bereits "rechts" anzeigt, hat dies eine entsprechende Fehlermeldung zur Folge. Lernumgebung "Programmierbarer Roboterarm" Die Lernumgebung ist - wie alle weiteren Materialien zur Unterrichtseinheit - in dem Downloadpaket programm_roboterarm.zip enthalten (siehe Startseite des Artikels). Das Programm wird per Klick auf die Datei "Roboterarm.exe" gestartet. Die EXE-Datei ruft die Bilddateien der Unterordner "mit_kugel" und "ohne_kugel" sowie die PDF-Arbeitsblätter auf und muss daher mit diesen Ordnern und Dateien auf einer Ebene liegen. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag, Bedienen technischer Geräte Lernbereich 2, Computer nutzen und anwenden: Objekte - Attribute - Methoden Zuordnung von konkreten Objekten zum Modell: Objekt - Attribut - Attributwert, UML-Notation (Unified Modeling Language) Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Einfache Programmierung Zur Automatisierung von Abläufen muss ein Weg gefunden werden, wie man der Maschine mitteilen kann, was man von ihr will. Das geschieht im Allgemeinen über die Programmierung. Die Schülerinnen und Schüler sollen an dieser Stelle jedoch keine Programmierprofis werden, sondern sich mit den Strukturen einer Programmiersprache vertraut machen. Die vorliegende Programmiersprache besteht im Wesentlichen aus einer Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z, wobei jeder Buchstabe eine Methode aufruft und somit einen Sensorzustand verändert: R - Arm nach rechts drehen L - Arm nach links drehen H - Roboterarm nach oben (hoch) schwenken T - Roboterarm nach unten (tiefer) schwenken A - Greifer öffnen (auf) Z - Greifer schließen (zu). "Sehen", was man programmiert Die Eingabe falscher Buchstaben wird durch den Parser herausgefiltert - es erfolgt keine Fehlermeldung. Dies kann man übrigens später nutzen, um zum Beispiel im Rahmen der Binnendifferenzierung Wörter zu finden, die den Roboterarm sinnvoll programmieren. Die in Frage kommenden Buchstaben mit ihrem dazugehörigen Methodenaufruf sind während der Eingabephase immer auf dem Bildschirm präsent (Abb. 3, Platzhalter bitte anklicken). Durch die signifikante Bedeutung der Programmierbefehle dieser rudimentären Programmiersprache sollte jede Schülerin und jeder Schüler binnen kürzester Zeit Erfolgserlebnisse in Form von gewünschten Bewegungsabläufen erringen. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit), Kennen des Problemlöseprozesses (Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test, Dokumentation), selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten, Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen (kritische Bewertung der Resultate) Nennung der Methodenaufrufe Im dritten Abschnitt des Programms zeigt sich, ob die Lernenden die Theorie zur linearen Programmierung verstanden haben. Die Schülerinnen und Schüler haben nun die Aufgabe, vorgegebene Bewegungsabläufe in Programme umzusetzen. Dazu können sie Bewegungsabläufe betrachten, indem sie den entsprechenden Button anklicken (Beispiel 1-4; Abb. 4, Platzhalter bitte anklicken). Die Lernenden können sich die Sequenzen beliebig oft vorspielen lassen. Dann muss ein Programm aus einer Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z formuliert und in die entsprechende Eingabemaske eingetragen werden. Nach einem Klick auf den "ok"-Button wird die Eingabe analysiert und bewertet. Ausfüllen der Zustandstabellen Die eigentliche Schwierigkeit besteht dabei nicht in der konkreten Auflistung der Methodenaufrufe in Form eines Programms, sondern vielmehr im Ausfüllen der Zustandstabellen. Dazu müssen die Schülerinnen und Schüler die Zusammenhänge zwischen den Sensorzuständen und den Methodenaufrufen abstrahieren. Die Sensorenzustände werden nicht mehr angezeigt. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit); Kennen des Problemlöseprozesses: Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test und Dokumentation; selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten, Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen; kritische Bewertung der Resultate Lernbereich 2, Formeln und Gleichungen Die Schülerinnen und Schüler erfassen komplexere Aufgabentexte und übertragen den lösungsnotwendigen Inhalt in die mathematische Sprache und deren Symbolik. Sie erfassen Strukturen von Termen, Gleichungen und Formeln. Anschauliche Einblicke in die Programmierung Das strukturierte Programmieren - also die Nutzug von Kontrollstrukturen - setzt bei den Schülerinnen und Schülern ein erhöhtes Maß an Abstraktionsvermögen voraus. Durch Anschaulichkeit kann man ihnen jedoch den Weg der Aneignung erster Erfahrungen mit dieser Materie ebnen. Diesen Anspruch versucht das Programm "Roboterarm" gerecht zu werden. Nach den ersten Einblicken in die (lineare) Programmierung des Roboterarms sollen nun Aufgaben programmiertechnisch gelöst werden, bei denen man vorzugsweise Kontrollstrukturen einsetzt. Schleifen und Verzweigungen Beim linearen Programmieren galt bisher: Ein Programm für den programmierbaren Roboterarm besteht aus einer Reihe von Großbuchstaben, die von links nach rechts abgearbeitet werden. Beim strukturierten Programmieren kommen nun jedoch Schleifen und Verzweigungen mit hinzu. Da Schleifen und Verzweigungen dem linearen Ablauf des Programms widersprechen, spricht man nicht mehr von linearer Programmierung, sondern von strukturierter Programmierung. Im vierten Abschnitt des Programms werden nacheinander die folgenden Themen behandelt, die über die jeweiligen Reiter aufgerufen werden können (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Über den letzten Karteikartenreiter kommt man zurück zum Hauptmenü. Es empfiehlt sich, die Kapitel der Reihe nach abzuarbeiten: Bedienung des Roboterarms über Buttons Lineares Programmieren mit Kugeltransport Kontrollstruktur "Schleifen" Kontrollstruktur "Bedingte Verzweigungen" Beibehaltung der Befehle Die bereits bekannten Programmierbefehle werden beibehalten. Auch in diesem Programmteil ist während der Bedienung darauf zu achten, dass die Anzeige der Sensoren berücksichtigt wird. Wenn zum Beispiel der Richtungs-Sensor bereits "links" anzeigt, kann der Befehl "L" (Roboterarm nach links schwenken) nicht mehr ausgeführt werden. Das Programm gibt eine Fehlermeldung aus. Neuer Befehl: Kugeltausch Hinzu kommt nun die Last in Form einer Kugel, die durch den Roboterarm vom rechten Lager auf das linke Lager befördert werden soll. Jede der Kugeln hat die Masse 300 Kilogramm. Sobald der Greifer um die Kugel geschlossen wird, zeigt der Last-Sensor die aktuelle Last an. Nachdem die Kugel mittels Roboterarm vom rechten Lager auf das linke Lager befördert wurde, kann der Kugeltausch (neuer Befehl der Programmiersprache: "K") durchgeführt werden. Neue Sensoren: Last- und Lastlage In diesem Zusammenhang sind zwei neue Sensoren hinzugekommen, welche die Last betreffen. Der Roboterarm verfügt nun über einen Last-Sensor, der die Masse der Last in Kilogramm ermittelt. Der zweite Sensor ist der Lastlage-Sensor, der über die aktuelle Lage der Kugel informiert. Für den problemlosen Kugeltausch (Abb. 6) müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Die Kugel muss vom rechten Lager auf das linke Lager befördert worden sein. (Lastlage-Sensor: links ) Die Kugel muss freigegeben sein. (Roboterarm-Sensor: oben ) Kugeltausch Die Programmiersprache bestand bisher aus der Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z. Damit konnte man den Roboterarm durch seine gesamten Bewegungsfreiheiten (Sensor-Zustände) führen. Zum Erfüllen der nun anstehenden Aufgaben benötigt man darüber hinaus noch den Befehl "K", der die Methode Kugeltausch aufruft. Gemäß der unter "4.1 Bedienung des Roboterarms über Buttons" betrachteten Bedingungen kann nun eine nach links transportierte Kugel - die vom Greifer freigegeben wurde - ausgetauscht werden (Abb. 7). "Aufgabe erfüllt" Die Kugel wird von ihrem linken Podest (Sensor-Lastlage = links ) entfernt und die nächste Kugel auf dem rechten Podest bereitgestellt (Sensor-Lastlage = rechts ). Für die Erfüllung der Aufgabe ist zu beachten, dass die Anzahl der bewegten Kugeln erst nach dem Kugeltausch erfasst wird (Abb. 8). "Schleifen" statt Wiederholung von Programmteilen Der Abschnitt "Schleifen" bearbeitet innerhalb des Roboterarm-Programms zum ersten Mal Programmstrukturen, die von der linearen Programmierung abweichen. Wenn zum Beispiel nicht nur eine Kugel bewegt werden soll, sondern eine beliebige Anzahl, so musste man dafür bisher einen bestimmten Programmteil mehrfach wiederholen. Das kann man auch eine Schleife erledigen lassen. Als Schleife wird ein Programmteil bezeichnet, der mehrfach nacheinander ausgeführt werden kann. Syntax der Schleife Der Roboterarm erkennt die Kontrollstruktur einer Schleife an der Syntax "W3(ZA)" (Abb. 9). Das "W" kennzeichnet die Struktur als Wiederholung (Schleife), die darauf folgende Ziffer (1-9) gibt die Anzahl der Wiederholungen an. Für die Bearbeitung der gestellten Aufgaben sind einstellige Zahlen ausreichend - mehrstellige Zahlen werden auf die letzte Stelle reduziert. Die Befehlssequenz in der Klammer stellt den zu wiederholenden Programmteil dar. Beim Programmablauf würde "W3(ZA)" dasselbe ergeben wie "ZAZAZA". Allerdings kann man bei vielen Wiederholungen oder größeren Schleifen Befehle sparen. Bei der Verwendung von Schleifen ist zu beachten, dass mehrere Schleifen nacheinander - aber nicht geschachtelt - eingegeben werden dürfen. Unterschiedliche Beantwortung einer Bedingung mit mehreren Alternativen Mit den "Wiederholungen" kennt man bereits eine Kontrollstruktur, die das Verzweigen eines Programms ermöglicht. Eine echte Verzweigung jedoch - die sich aus der unterschiedlichen Beantwortung einer Bedingung mit mehreren Alternativen ergibt - ist das noch nicht. In dem hier vorgestellten Programmteil werden dem Roboterarm Kugeln mit unterschiedlichen Lasten (null bis 500 Kilogramm) vorgelegt. Die Masse von 300 Kilogramm ist dabei die Obergrenze, die der Roboterarm heben kann, ohne Schaden zu nehmen. Sobald der Roboterarm eine Kugel im Greifer hat (Richtung: links , Arm: unten , Greifer: zu ) wechselt die Lastposition auf den Zustand im Greifer und nun muss der Test erfolgen, ob die Last vom Roboterarm bewegt werden kann oder nicht. Syntax der bedingten Verzweigung Der Roboterarm erkennt die Kontrollstruktur der Verzweigung an der Syntax "I". Der Großbuchstabe "I" steht für das englische "if ... then". Die erste Befehlsfolge wird ausgeführt, wenn die Kugel die erlaubte Masse von höchstens 300 Kilogramm hat. Bei der anderen Alternative (Masse > 300 Kilogramm) wird die zweite Befehlsfolge ausgeführt. Es ist darauf zu achten, dass der Roboterarm am Ende des Tests bei beiden Alternativen dieselben Sensoren-Zustände hat, damit das Programm anschließend fehlerfrei weiter ausgeführt werden kann. Beispiel "Bewege fünf Kugeln" Für die Bearbeitung der zweiten Aufgabe "Bewege fünf Kugeln" kann der Test problemlos in die Schleife eingebaut werden - es darf aber nur ein Test im Programm durchgeführt werden. Wenn die Kugel zu schwer ist, muss sie rechts liegen bleiben, bis der Roboterarm wieder nach oben geschwenkt ist. Nun kann die Kugel auch in der rechten Position getauscht werden und der Kugeltausch wird für die Erfüllung der Aufgabe mitgezählt. Abb. 10 zeigt eine schematische Darstellung der Verzweigung für die Befehlsfolge "RTZI L". Sensoren-Zustände vor der Verzweigung Richtung: rechts , Arm: unten ; Greifer: zu Sensoren-Zustände nach der Verzweigung Richtung: rechts ; Arm: oben ; Greifer: zu Der Unterschied besteht darin, dass sich nach der Verzweigung für den Fall "Masse > 300 Kilogramm" keine Kugel im Greifer befindet, sondern auf dem rechten Podest. Anderenfalls befindet sich die Kugel im Greifer. Wenn alle Aufgaben erfolgreich gelöst worden sind, sollten die Schülerinnen und Schüler die Struktur von Programmen grundlegend beherrschen und für weiterführende Programmieraufgaben gut vorbereitet sein. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 2, Computer nutzen und anwenden: Objekte - Attribute - Methoden Zuordnung von konkreten Objekten zum Modell: Objekt - Attribut - Attributwert Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit); Programmstrukturen, Folge, Wiederholung, Verzweigung: Kennen des Problemlöseprozesses (Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test, Dokumentation, Lösen eines einfachen Problems unter Nutzung der Programmstrukturen, selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten), Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen (kritische Bewertung der Resultate) Lernbereich 1, Komplexe Anwendungssysteme Anwenden der Kenntnisse zu Modellen auf ein neues Werkzeug (Erkennen von Objekten, selbstständiges Einarbeiten in die Bedienung), sich positionieren zu Möglichkeiten und Grenzen der gewählten Werkzeuge Lernbereich 2, Informatische Modelle Einblick gewinnen in die Systematik informatischer Modellierung, Klassifizierung von Modellen in der Informatik Lernbereich 2, Formeln und Gleichungen Schülerinnen und Schüler erfassen komplexere Aufgabentexte und übertragen den lösungsnotwendigen Inhalt in die mathematische Sprache und deren Symbolik. Sie erfassen Strukturen von Termen, Gleichungen und Formeln.

Spätestens seit die Europäische Union das Ausstiegsszenario für die Glühlampe eingeläutet hat, ist die Energiesparlampe in aller Munde. Fragen wie „Nach welchem Prinzip funktioniert eine Energiesparlampe?“ und „Welches sind die spektralen Bestandteile des Lichts von Energiesparlampen?“ sind deshalb für den schulischen Physik- und Chemieunterricht von großer Aktualität. Spektren von Energiesparlampen lassen sich auf der Basis der hier bereitgestellten Materialien im Oberstufenunterricht unter Einsatz geeigneter Software von Schülerinnen und Schülern mit großer Präzision in Eigentätigkeit konstruieren und vermessen. Aus solchen Spektren können dann Kenntnisse über die Lichtentstehung durch Quantensprünge von Elektronen in den Atomhüllen von Quecksilberatomen und Informationen zur Fluoreszenz in Leuchtstoffen und Farbstoffen extrahiert werden. Als Kalibrierspektren, das heißt als "Wellenlängen-Normale", dienen dabei die Spektren von Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen, wie sie in schulischen Physiksammlungen üblicherweise vorhanden sind. Alle in der Unterrichtseinheit einzusetzenden Spektren stehen als fotografische Spektren in Form von digitalen Bilddateien als Download zur Verfügung. Die Fotos wurden mit einer digitalen Spiegelreflexkamera (Canon EOS1000D) an einem DADOS-Spaltspektrograph aufgenommen. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen Beitrag aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Dieser skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Das Minimalziel der Unterrichtseinheit, die Konstruktion des Spektrums einer Energiesparlampe mit Ermittlung der Wellenlängen der im Spektrum beobachtbaren Emissionslinien mit einer Genauigkeit von etwa einem Nanometer, ist in nur einer Doppelstunde zu realisieren. Der Zeitaufwand vergrößert sich naturgemäß, wenn man deutlich präzisere Ergebnisse anstrebt. Gleiches gilt, wenn man die Thematik in größere Zusammenhänge einbetten möchte. Dabei geht es dann um Aufbau und Funktionsprinzip von Energiesparlampen und um die Wirkungsweise ihrer Leuchtstoffe. Informationen zu diesen Themen finden Schülerinnen und Schüler im Internet. Für einen ersten Überblick gibt der folgende fachliche Kommentar eine kurze Einführung in die Thematik "Leuchtstoffröhre". Die Begriffe "Energiesparlampe" und Leuchtstoffröhre" werden dabei synonym gebraucht. Fachlicher Kommentar: Leuchtstoffröhren Allgemeine Informationen zu Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren und dazu, wie diese UV-Licht in sichtbares Licht verwandeln Aufnahme und Vermessung der Spektren Eine ausführliche Anleitung, Spektren der Kalibrierlampen und der zu vermessenden Energiesparlampen sowie eine Beispielauswertung können Sie hier herunterladen. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Der GDCh-Artikel skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen Aufbau und Funktion von Energiesparlampen beschreiben und erklären können. die Wirkungsweise der Leuchtstoffe und deren Beitrag zur Energie-Effizienz verstehen. einen Gitterspektrographen anhand der bekannten Spektren von atomarem Wasserstoff und von Quecksilber kalibrieren. aus digitalen Bilddateien die Emissionsspektren von Leuchtstofflampen in Form einer Funktion extrahieren, welche jeder Wellenlänge im sichtbaren Bereich eine Intensität zuordnet. in Energiesparlampenspektren die Emissionslinien von Quecksilber erkennen. Thema Vermessung der Spektren von Energiesparlampen Autoren Steffen Urban, Peter Stinner Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-5 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang für die Recherche zum Thema und für die Erstellung und Auswertung der Spektren Software Astroart-Demoversion (kostenfreier Download, siehe Internetadresse), Tabellenkalkulation (bevorzugt MS-Excel) Leuchtstoffröhren sind Gasentladungslampen, in denen Quecksilberatome beim Quecksilberdampfdruck von einigen mikrobar durch Elektronenstoß zum Leuchten angeregt werden. Abb. 1 zeigt vereinfacht das Energieniveau-Schema eines Quecksilberatoms (nach einer Versuchsbeschreibung zum Franck-Hertz-Versuch der Firma NEVA, jetzt ELWE). Die waagerechten Linien repräsentieren Energieniveaus, deren Energie relativ zum Grundzustand in Elektron-Volt (eV) angegeben ist. Die senkrechten Doppelpfeile stehen für mögliche Quantenübergänge ("Elektronensprünge") zwischen diesen Energieniveaus. Die Zahlenwerte geben die Wellenlängen des bei diesen Übergängen emittierten Lichts in Nanometern (nm) an. Die Übergänge, welche die Emission von sichtbarem Licht zur Folge haben, sind entsprechend farbig gekennzeichnet. Die intensivste Linie im Quecksilberspektrum ist jedoch die zum 4,9 eV-Übergang gehörende Linie im ultravioletten Spektralbereich (UV). Damit ihre Energie nicht ungenutzt in die durch Absorption im Glas stattfindende Erwärmung der Lampe verloren geht, kleidet man die Innenseite der Leuchtstoffröhre mit sogenannten Leuchtstoffen aus. Diese können zum Beispiel aus Sulfiden, Silikaten oder Wolframaten bestehen. In den Leuchtstoffen wird das UV-Licht der Wellenlänge 253,7 nm in sichtbares Licht umgewandelt, dessen spektrale Zusammensetzung sich in weiten Grenzen durch die Wahl der Leuchtstoffe an den Verwendungszweck anpassen lässt. Um für das menschliche Auge den Eindruck weißen Lichts zu erzeugen, wird der im Quecksilberspektrum komplett fehlende Rotanteil auf diese Weise erzeugt. Informationen über das zugrunde liegende physikalische Prinzip findet man bei einer Internetrecherche über die Suchbegriffe "Stokes-Shift" oder "Stokesverschiebung". Wikipedia: Stokes-Shift Informationen zur Entdeckung und Beschreibung der Stokesverschiebung auf der Webseite der freien Online-Enzyklopädie Letztlich entsteht im Leuchtstoff aus einem hochenergetischen UV-Photon ein energieärmeres sichtbares Photon. Die entsprechende Differenzenergie verbleibt im Leuchtstoff und erwärmt diesen. Abgesehen von der Elektrodenerwärmung ist das beinahe der gesamte Energieverlust in solchen Lampen. Leuchtstofflampen wandeln fast die Hälfte der aufgenommenen elektrischen Energie in sichtbares Licht um. Bei Glühlampen liegt dieser Anteil unter 10 Prozent (Dieter Meschede: Gerthsen Physik, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg, 2006). Die Darstellung in Abb. 2 dient dem qualitativen Vergleich der Spektren einiger Energiesparlampen und einer Quecksilberlampe. Im Quecksilberspektrum (5) erkennt man die stärksten der im Schema von Abb. 1 markierten sichtbaren Spektrallinien (a bis e). Man findet diese auch in den Spektren 1 bis 4. Alle zusätzlichen Linien und Farbbereiche in diesen Spektren sind Ergebnisse der Umwandlung des UV-Lichts in sichtbares Licht, die in den Leuchtstoffen stattfindet. Das oberste Spektrum (1) gehört zu einer konventionellen Leuchtstoffröhre langer Bauform, wie sie bereits seit vielen Jahrzehnten verwendet wird. Das zweite und das dritte Spektrum stammt jeweils von einem modernen "Billigprodukt" (Spektrum 2: IKEA-Modell GA607N1961 0844, 7W; Spektrum 3: Baumarktprodukt DekoLight, 7W), das vierte dagegen von einem Markenprodukt (Philips Genie CDL 695, 18W). Der Vergleich von Spektrum 1 mit den Spektren 2 bis 4 zeigt unmittelbar, dass Energiesparlampen keine Erfindung des 21. Jahrhunderts sind, denn unter dem Namen "Leuchtstoffröhren" gibt es sie schon seit Jahrzehnten. Deshalb erscheint es gerechtfertigt, die Begriffe Leuchtstofflampe beziehungsweise -röhre und Energiesparlampe synonym zu gebrauchen. Einsatz des DADOS-Spaltspektrographen Die dieser Unterrichtseinheit zugrunde liegenden Spektren einiger Energiesparlampen und zweier Kalibrierlichtquellen (Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen) wurden mit einem DADOS-Spaltspektrograph der Firma Baader-Planetarium an einem f = 1.000 Millimeter-Spiegelteleobjektiv aufgenommen. Wer sich für die Technik der Gewinnung von Spektren als Bilddateien interessiert, findet ausführliche Informationen dazu in der Unterrichtseinheit Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln . Quantitative Auswertung Nachdem das zu bearbeitende Spektrum einer Energiesparlampe (Abb. 3 und Bilddateien der Downloadmaterialien, siehe unten) aufgenommen wurde, stellt sich die Frage, welche Lichtwellenlänge von welchem Ort im Bild des Spektrums repräsentiert wird. Zur Beantwortung dieser Frage muss der Spektrograph kalibriert (geeicht) werden. Dabei kommt das in der Datei "esl_spektroskopie_anleitung.pdf" (siehe unten) beschriebene Verfahren zur Anwendung. Geeignete Kalibrierlampen Als sogenannte Kalibrierlichtquellen verwendet man externe Lichtquellen, die hinreichend viele und möglichst genau bekannte Wellenlängen emittieren, die über das gesamte sichtbare Spektrum verteilt sind. Kombiniert man die Spektren einer Quecksilberdampflampe und einer Wasserstofflampe ("Balmerlampe"), dann sind diese Anforderungen gut erfüllt. Beim Spektrum der Balmerlampe (Abb. 4) fällt auf, dass dem Hintergrund des Wasserstoff-Molekülspektrums das Linienspektrum des atomaren Wasserstoffs überlagert ist. Die Linien H-alpha, H-beta und H-gamma des letzteren sind leicht zu identifizieren und zuzuordnen. Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Einen für diese Unterrichtseinheit relevanten Artikel stellen wir hier kurz vor. Der vollständige Beitrag steht als PDF-Download zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Diskussion um die Energiesparlampe - Quecksilber und schlechtes Licht Aufgrund der Stromsparpolitik der Europäischen Union werden Glühlampen seit dem 1. September 2009 sukzessive aus dem Verkauf genommen. Ab Mitte 2012 dürfen dann keine Glühlampen mehr verkauft werden. Die nun zum Einsatz kommenden Energiesparlampen finden jedoch bisher wenig Akzeptanz in der Bevölkerung. Sie enthalten giftiges elementares Quecksilber und müssen deshalb als Sondermüll entsorgt werden. Der meistgenannte Kritikpunkt ist aber die schlechte Lichtqualität der neuen Lampen und ihre in zahlreichen Presseberichten unterstellte Gesundheitsgefährdung. Um dies genauer betrachten zu können, berschreibt der Artikel zunächst der Aufbau und die Funktionsweise von Energiesparlampen. Die Entstehung der Emissionsspektren wird detailliert dargestellt. Eine Alternative? - Light Emitting Diodes (LEDs) Lampen auf Festkörperbasis, nämlich Leuchtdioden (Light Emitting Diodes, LEDs), weisen bereits heute eine höhere Effizienz als Energiesparlampen auf. Dies sollte sich in Zukunft noch deutlich steigern lassen. Vor- und Nachteile organischer und anorganischer LEDs sowie die Funktionsweise anorganischer LEDs werden vorgestellt. Fazit Der zukünftige Einsatz von Lampen auf LED-Basis kann zu einer nicht unbeträchtlichen Einsparung von Energie führen. Dabei sind in erster Linie Chemikerinnen und Chemiker gefragt, neue Leuchtstoffe zu entwickeln, die einerseits sehr effizient emittieren und andererseits die gewünschten optischen Eigenschaften bezüglich Absorption und Emission besitzen. Zu diesem Zweck muss auch noch Grundlagenforschung durchgeführt werden, da die Struktur-Lumineszenz-Beziehungen in vielen Fällen nicht ausreichend geklärt ist, um gezielt neue Leuchtstoffe für unterschiedliche Anwendungen zu finden.