Die Zustandsformen des Wassers

3. ERKUNDEN UND

EXPERIMENTIEREN

Martin Stamme, Lutz Stäudel

Die Zustandsformen des Wassers

Erfahrungen rekonstruieren durch Experimentieren

Experimente können der Veranschaulichung von naturwissenschaftlichen Sach- verhalten dienen. Lässt man SchiHer mit dieser Zielrichtung selbst Versuchsan- ordnungen entwickeln, dann fordert dies von ihnen eine Rekonstruktion vorhan- denen Wissens und bereits existierender Erfahrungen. Durch Experimentieren und gemeinsames Reflektieren wird Alltagswissen - im beschriebenen Beispiel zu den Aggregatzuständen von Wasser - auf die gedankliche und begriffliche Ebene des naturwissenschaftlichen Denkens und Arbeitens transformiert.

Materialien für praktische Arbeiten

~ Wasser und Eiswürfel

~ pro Arbeitsgruppe ein Laborarbeitsplatz mit üblicher Geräteausstattung

~ zusätzl ich Alltagsgeräte wie Fön, Kochtopf

Zum Kopieren

~ MATERIAL 1, S. 57 liefert die Grundlage für einen Kärtchentisch, an dem die Schüler ihr Vorwissen über die Zustandsformen des Was- sers einbringen und ordnen können.

~ MATERIAL 2, S. 58 kann zum Kennenlernen typischer Laborgeräte eingesetzt werden.

~ MATERIAL 3, S. 59 enthält den Arbeitsauf- trag, Versuche zu entwickeln, mit denen man die Übergänge zwischen den Zustandsformen des Wassers sichtbar machen kann.

Die Aggregatzustände und die Übergänge von ei- ner Zustandsform in die nächste sind typische The- men des Anfangsunterricht im Fach Chemie, manchmal auch des Physikunterrichts. Eine Be- sonderheit ist dabei, dass diese Thematik in ihren

Einzelphänomenen aus dem Alltag bekannt ist: Eiswürfel schmelzen, Wasser verdampft aus dem Nudeltopf, Wolken kondensieren zu Regentrop- fen, Pfützen frieren im Winter zu. Dazu kommt, dass der Wasserkreislauf als ein herausragendes

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Beispiel bereits vorher im Sachkundeunterricht der Primarstufe behandelt wird. Somit eignet sich dieses Themenfeld ausgesprochen gut für eine vertiefende Bearbeihmg, bei der die Schüler ihr Vor- wissen einbringen und auf einer neue Ebene ord- nen können.

Die Neuordnung kann z. B. mittels eines Kärt- chentisches erfolgen (vgl. Material 1). wobei man durch Auswahl und Abgrenzung der Inhaltsele- mente die Betrachtung der Vorgänge auf der Teil- cheneben mit einbeziehen kann oder auch nicht.

Eine andere Methode besteht darin, die Schüler -elbst eine experimentelle Anordnung (er-)finden zu lassen, die den in Frage stehenden Sachverhalt praktisch veranschaulicht.

Das Wasser: fest - flüssig - gasförmig

_ -ach einer Phase des Kennenlernens typischer :"'aborgeräte (Abbildungen vgl. Material 2) erhielten

die Schüler den Auftrag, eine Versuchsanordnung

zur Darstellung der Phasenübergänge des Was- sers zu entwerfen (vgl. Material 3).

In den gebildeten Vierer-Gruppen versuchten die Schüler zunächst zu klären, was beim jeweili-

en Phasenübergang vor sich geht. Daraus ent- -.·.tckelten sie einzelne Versuchsanordnungen, die ou ihrem Verständnis heraus praktikabel er- 5cmenen.

)Js Problem stellte sich dabei die Überführung oe gasförmigen (verdampften) Wassers zurück in

"en flüssigen Zustand heraus. Teilweise griffen -'e Schüler bei ihren Lösungen auf Alltagserfah- :ungen zurück, z. B. auf den Umstand, dass beim ::ochen verdampfendes Wasser oft am Deckel kon- -'eu iert, teils versuchten sie, Kenntnisse aus an-

o eren Bereichen für die Laborapparatur nutzbar zu

::lachen. Unter anderem wurde für den Übergang

'on gasförmig nach fest vorgeschlagen, Wasser- G.ampf mittels eines Föns abzukühlen, ähnlich wie

er \ -asserdampf in der Atmosphäre durch Ab-

~en zu Wolken und dann zu Wassertropfen ::.. ndensiert. Im beratenden Gespräch konnte mit -e:-\-orschlagenden Gruppe geklärt werden, dass

2.: -,·:eniger der Wind als vielmehr die mit der Hö- .:;.'" in der Regel abnehmende Temperatur ist, die die : -::mdensation bewirkt. Die Gruppe beharrte aber -",:::noch auf ihrem Vorschlag.

~ie Verschriftlichung der gedanklich entwickel-

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_:>enfalls eine erhebliche Herausforderung dar,

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3. ERKUNDEN & EXPERIMENTIEREN

die sie aber aus der Gruppensituation heraus über- wiegend gut meisterten. Schwierig erschien ins- besondere die Formulierung von Arbeitsanwei- sungen. Die mit der Aufgabenstellung zusätzlich formulierte Anforderung, dass die Beschreibung und Darstellung so verständlich und präzise sein sollten, dass sie von anderen Gruppen praktisch umgesetzt werden können, trug zu einer gründ- lichen Durcharbeitung bei und förderte die Ge- schlossenheit der Texte.

Das Anfertigen einer Skizze war für die meisten Schüler etwas völlig Neues. Zur Unterstützung konnten sie dabei das Übersichtsblatt mit Labor- geräten benutzen, das sie bereits im vorherge- henden Unterricht erhalten hatten (vgl. Material 2).

Ergebnisse der Gruppenarbeiten

Abbildung 1 zeigt ein typisches Ergebnis einer Schü-

lerarbeit: Es wird erkennbar, wie bei der Bewälti- gung der Aufgabe unmittelbar auf Alltagserfah- rungen zurückgegriffen wird. Die Darstellung des Kreislaufs der Phasenübergänge beginnt mit Eis- würfeln aus dem Kühlschrank, die in einem Koch- topf zunächst geschmolzen werden. Das Wasser wird anschließend weiter erhitzt, bis es "verkocht"

ist. Das verdampfende Wasser will diese Gruppe dann im Deckel wieder auffangen und in ein Be- cherglas tropfen lassen. Anschließend soll das flüs- sige Wasser im Eisschrank wieder zu festem Eis ge- froren werden.

Bei der späteren Durchführung der Experi- mente erwies sich diese pragmatische Vorgehens- weise übrigens als äußerst günstig: Die Gruppe, die diesen Vorschlag praktisch umsetzte, erhielt das meiste Wasser "zurück".

Eine zweite Gruppe verwendete bereits die zu- vor kennen gelernten LabOl-geräte. Diese Gruppe wollte kleinere Eisstückchen im Reagenzglas schmelzen lassen. Das verdampfende Wasser soll- te mit Hilfe eines Kaltluftföhns wieder zu flüssigem Wasser kondensieren; die herunterfallenden Was- sertropfen sollten in einem anderen Reagenzglas aufgefangen werden. Anschließend wollten die Schüler das Wasser wieder gefrieren lassen.

Die erarbeiteten Vorschläge wurden schließ- lich in der Klasse präsentiert, eine Gruppe hatte ih- ren Entwurf sogar auf OH-Folie vorbereitet. Nach Diskussion der Sinnhaftigkeit und der Realisie- rungsmöglichkeiten wurden einige Vorschläge zum praktischen Ausprobieren freigegeben und in der darauf folgenden Stunde abgearbeitet.

155

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Ergebnis einer Schülerarbeit

dem Schüler durch eigenständige Ver- suchsentwicklung ihr naturwissen- schaftliches Denken entwickeln kön- nen, erwies sich übrigens das Thema Stoffeigenschaften und Stofftrennung mit der Trennung eines Sand-Kies-Ge- misches in Salzwasser.

Die ergebnisoffene Aufgabenstellung wurde von den Lernenden durchweg positiv aufgenommen. Bei gleichzeitig klarer Formulierung des Auftrags hat- ten sie in der Regel keine Schwierig- keiten, das Ziel der Aufgabe zu erfas- sen.

Mit den konkreten Ergebnissen erhält die Lehrkraft zugleich einen Einblick in die Vorstellungen der Lernenden von der Materie. Diese Information kann ausgesprochen hilfreich sein, wenn etwa im anschließenden Unter- richt die Teilchenvorstellung einge- führt und/oder auf die Phasenüber- gänge angewandt werden sollen.

Zu ähnlichen Ergebnissen kommen Bögler u. a. (2003), die im bayrischen SINUS-Set der Gymnasien von Schü- lern technische Verfahren und Schul- buchversuche in eigene Experimen- tiervorschläge umsetzen ließen.

Literatur

Bögler, K./Fuchs, J./Hertel, A./Roth, H./Kraus, W.: Durcharbeiten. In: Naturwis- senschaftliches Arbeiten. Unterricht Chemie 76/77,2003, S. 30-32

Stäudel, L.: Naturwissenschaftliches Ar- beiten. Eine Einführung. In: Naturwissen- schaftliches Arbeiten. Unterricht Chemie 76/77,2003, S. 4-6

Reflexionen

Erfahrungen mit dem Aufgabenformat "Experi- mente entwickeln lassen" waren immer dann po- sitiv, wenn es um einen Inhaltsbereich ging, der nah an der Alltagserfahrung angesiedelt war oder bei dem es um die Restrukturierung von Wissensele- menten ging. Als weiteres praktikables Beispiel, an

• Die Langfassung dieses Beitrags erschien als hessische SINUS-Publikation: M. Stamme: Versuche planen -Me- thoden entdecken. In: Blum, W./Fey, S./Huber-Söllner, E./Stäudel, L. (Hrsg.): Gute Unterrichtsraxis. Steigerung der Effizienz des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts. Zwei Jahre hessische Modellversuche im BLK-Programm SINUS. Pro Schule (Heft 3/2000), Fuldatal 2000, S. 40-43

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Kärtchentisch "Aggregatzustände des Wassers"

DURCHFÜHRUNG

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auf dem Tisch fest flüssig

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erwärmen erwärmen schmelzen

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AUFGABEN

~ Findet zusammengehörige Kärtchengruppen.

~ Bringt anschließend alle Kärtchen in eine sinnvolle Struktur.

Material 1

gasförmig

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komprimierbar

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verdampfen

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erstarren

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Laborgeräte im Chemielabor

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Mess- zylinder

Reagenzglas- halter

Glasschale

Tiegelzange

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Becher- glas

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Uhrglas

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Abdampfschale

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Kolbenprober

Material 2

Gummischlauch

verschiedene Glasrahre

Erlenmeyerkolben

Petrischale

Glasstab

Doppelmuffe

Tropf- pipette

Stand- zylinder

Gummistopfen

Schutzbrille Thermometer

Reagenzglas- bürste

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Teclubrenner

Stativ

Dreifuß Bunsenbrenner

© Friedrich Verlag

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Matenal3

Die Zustandsformen (Aggregatzustände) des Wassers

Dass Wasser verschiedene Zustandsformen haben kann, ist euch bekannt:

Es kann fest sein (Eis), flüssig (Wasser) oder auch gasförmig (Wasserdampf).

AUFGABEN

~ Entwerft in eurer Gruppe Versuche, mit denen man die Übergänge zwischen den Zu- standsformen das Wassers sichtbar machen kann.

Hilfe: Berücksichtigt dabei, dass die Übergänge auch in der umgekehrten Richtung statt- finden können, also flüssig -> gasförmig; gasförmig -> flüssig.

~ Beschreibt eure Versuchsvorschläge so, dass ein Schüler aus einer anderen Gruppe oder Klasse sie ohne weiteres verstehen und auch durchführen kann.

Hilfe: Fertigt Skizzen zum Ablauf und zum Geräteaufbau an.

~'edrich Verlag 159

IMPRESSUM

Reinders Ouit/Harald Gropengießer/Lutz Stäudel Naturwissenschaftliches Arbeiten

Unterricht und Material 5-10 2. Auflage 2007

© Erhard Friedrich Verlag GmbH, 30926 Seelze-Velber

Redaktion

Or. Stefanie Krawczyk Anne Meyhöfer

Rea I isation

Beate Franck-Gabay/Andre Klemm, Friedrich Medien-Gestaltung Verlag

Erhard Friedrich Verlag GmbH Im Brande 17, 30926 Seelze-Velber

Druck

Jütte-Messedruck Leipzig GmbH, Printed in Germany Vertrieb

Friedrich Leserservice

Postfach 10 01 50, 0-30917 Seelze Telefon 0511/40 00 4-0

Telefax 0511/40 00 4-219 I eserserv i ce@friedrich-verlag.de Bestell-Nr. 92366

Beiträge sind urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten.

Oie als Material bezeichneten Unterrichtsmittel dürfen bis zur Klassen-bzw. Kursstärke vervielfältigt werden.

Besuchen Sie uns im Internet unter www.friedrichonline.de

Inhalt

REINDERS DUlT, HARALD GROPENGIEßER, LUTZ STÄUDEL

Naturwissenschaftliches Arbeiten Eine Einführung

LUTZ STÄUDEL

Die Spinnennetz-Methode

Analyse naturwissenschaft I icher Arbeitsformen im Unterricht

4

9

1. BEOBACHTEN UND MESSEN _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

JÖRG ZABEL

Was tut das Tier?

Beobachten und Deuten lernen anhand von Verhaltensprotokollen

ELKE PETER

Der Ölfläschchen-Versuch

Beobachtungen formulieren und kritisch bewerten

GERMAN HACKER

1 Milka - eine vorläufige Einheit der Kraft Zum Messen in den Naturwissenschaften

Biologie ab Klasse 7 12

Chemie ab Klasse 8 18

Physik ab Klasse 8 24

2. VERGLEICHEN UND ORDNEN _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

LUTZ STÄUDEL

Der Gelbe Sack

Vergleichen und Klassifizieren anhand abstrakter Eigenschaften

MARCUS HAMMANN

Tiere ordnen

Ei n Methodentrai n i ng zum kriteriengeleiteten Vergleichen

GUNNAR FRIEGE

Stromkreise "sortieren"

Vergleichen, Kategorien entwickeln und Ordnen im Physikunterricht

Chemie ab Klasse 8 32

Biologie Klasse 5 38

Physik ab Klasse 9 47

3. ERKUNDEN UND EXPERIMENTIEREN _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

MARTIN STAMME, LUTZ STÄUDEL

Die Zustandsformen des Wassers

Erfahrungen rekonstruieren durch Experimentieren

RDLF HEROLD, SIEGFRIED BUREK, STEPHAN SPÄTH

Heimversuche

Gelegenheiten für eigenständiges Experimentieren

ELKE PETER

Was brauchen Kressesamen zum Keimen?

Experimente als Schiedsrichter

Chemie ab Klasse 6 54

Physik ab Klasse 8 60

Biologie ab Klasse 5 64

4. VERMUTEN UND PRÜFEN _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

TANJA RIEMEIER

Alpenveilchen in der Tinte

Vorhersagen prüfen durch Versuche Biologie ab Klasse 7 72

HARALD GRDPENGIEßER, DIRK KRÜGER

Hautatmung beim Menschen

Ei nem klei nen Versuch naturwissenschaftl ichen Geist ei n hauchen

GUNNAR FRIEGE, KLAUS MIE

Elektrische Black-Boxen Hypothesen bilden und prüfen

Biologie ab Klasse 7

Physik ab Klasse 9

5. DISKUTIEREN UND INTERPRETIEREN _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

LUTZ STÄUDEL

Gasentwicklung von Brausetabletten

Versuchsergebnisse deuten und eine Lösungshypothese entwickeln

SANDRA FRIEDRICH, WDLFGANG RUPPERT

Leben aus der Ursuppe

Ei nen Zeitu ngsarti kel aus naturwissenschaftl icher Perspektive lesen

MICHAEL KDMDREK, REINDERS DUlT, HELGA STADLER

Ein chaotisches System erklären

Von Beobachtungen und Vermutungen zum Argu mentieren und Interpretieren

Chemie/Biologie ab Klasse 9

Chemie/Biologie ab Klasse 8

Physik ab Klasse 9

78

82

88

90

97

100

6. MODELLIEREN UND MATHEMATISIEREN

JÖRG ZABEL

Wie funktioniert die Bauchatmung?

Fun ktionsmodelle veranschau I ichen Prozesse

DDMINIK LEIß

Die Wanne ist voll, juchhuhu ...

Von der Analyse eines Funktionsgraphen zur Interpretation

LUTZ STÄUDEL

Wie lässt sich der Grundumsatz des menschlichen Körpers messen?

Modellierung eines (dynamischen) Systems mit Hilfe einer Reaktionsgleichung

SILKE MIKELSKIS-SEIFERT, ANTJE LEISNER

Lernen über Teilchenmodelle Das Den ken in Modellen fördern

Biologie ab Klasse 7

Alle Fächer ab Klasse 8

Chemie/Biologie ab Klasse 9

Physik ab Klasse 8

106

113

116

122

7. RECHERCHIEREN UND KOMMUNIZIEREN _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

JORGE GROß

Lichtintensität und Pupillenweite

Wie entsteht aus Messdaten eine aussagefähige Grafik?

SINUS NATURWISSENSCHAFTEN HESSEN

Lautes Denken

Beim Sprechen die Gedanken klären

AUSBLICK

LUTZ STÄUDEL

Unterrichtsentwicklung in der Fachgruppe

Praktische Hinweise für die Fachgruppen-Diskussion

Biologie ab Klasse 9 130

Chemie ab Klasse 7 138

142