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Entdeckung der Stoffeigenschaften von Luft |
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Inhaltsverzeichnis
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1. Didaktische Grundlagen Für didaktische Überlegungen gilt der Satz: "man muss den Lernenden dort abholen, wo ers steht!". Kaum aber jemand erinnert sich an seinen eigenen Bewusstseinsstand im Alter von 14 Jahren, wenn es in der Schule gilt, Chemie zu lernen. Zu Beginn stehen daher die Betrachtung, welcher Bewusstseinsstand bei Kindern gegeben ist, damit ihnen erste Schritte des wissenschaftlichen Arbeitens vermittelt werden können. Dazu werden grundsätzliche Überlegungen mitgeteilt. Bei der Einführung der Naturwissenschaft Chemie stehen stoffliche Veränderungen (chemische Reaktionen) im Vordergrund der Betrachtungen. Gleichwohl sind es die physikalischen Eigenschaften von Stoffen, mit denen sich Kinder zunächst auseinandersetzen müssen, um wissenschaftliches Denken zu erlernen und Chemie als Wissenschaft zu verstehen. Im Folgenden soll Kindern am Beispiel der Entdeckung der Stoffeigenschaften von Luft eine deduktive Denkweise nahe gebracht werden. Diese ist den Kindern weitgehend fremd. Deshalb werden die für eine Deduktion notwendigen Naturgesetze zunächst empirisch aus einzelnen Phänomenen gewonnen (Induktion). Dann aber werden die gefundenen Naturgesetze unmittelbar zur Erklärung neuer Phänomene herangezogen und neue Experimente zur Bestätigung entworfen. Das schon vorhandene Wissen des Unterrichtenden ist gleichermaßen erforderlich, geeignete Experimente auszusuchen, wie es auch hinderlich ist, kreativ zu werden und wirklich neue Experimente zu entwickeln. Hier bieten sich Schüler-Ag´s, Projektunterricht, schülerlabore der Universitäten oder Firmen der Chemischen Industrie und Wettbewerbe wie "Jugend forscht" an, die Kreativität der Schülerinnen und Schüler zu fördern.
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2. Geistige Entwicklung des Individuums und den Naturwissenschaften als Ganzes Jeder Mensch durchläuft in seinem Leben eine geistige Entwicklung. Damit verbunden ist sowohl die Art, wie er seine Umwelt erkennt, als auch das der Aufbau eines Weltbildes aus dem erworbenen Wissen. Es deckt sich zufällig und ungefähr das Lebensalter eines einzelnen Menschen mit den Erkenntnissen der Menschheit, wenn man das Lebensalter des einzelnen Menschen in Beziehung mit dem Jahrhundert des Entdeckens bringt.
Bild: Beziehung zwischen Alter eines Menschen und dem Jahrundert und dem Wissenszuwachs So beginnt der Mensch wie die Menscheit etwa im 8. Jahrhundert mit den ersten Versuchen der perspektivischen bildlichen Darstellung. Bis zur Pubertät wird die Welt nahezu ausschließlich empirisch erforscht. Naturgesetze der Menscheit werden induktiv erfolgert. Gesetzmäßigkeiten ergeben sich mehr oder weniger zufäälig durch Versuch und Irrtum. Zwischenzeitliche Fähigkeiten zum Lesen und Schreiben werden nur von wenigen beherrscht. Karl der Große beklagt sich um 800 n. Chr., dass er nicht Lesen und Schreiben kann. Erst mit Einführung der arabischen Zahlen zusammen mit der Druckkunst setzten die Menschheit in die Lage zu rechnen. Mit der Pubertät fällt in etwa die Renaissance (15. Jahrhundert) zusammen. Danach beginnt die Erforschung der Welt mit Hilfe von Logik und deduktiver Denkweise. Die Untersuchung von Systemen führt zum Denken in Gleichgewichten und Erhaltungssätzen (Impulserhaltungssatz, Drehimpulserhaltungssatz, Energieerhaltungssatz, Ladungserhaltungssatz, Leptonenerhaltungssatz, Baryonenerhaltungssatz). Atombau (20. Jahrhundert, Sek II); Relativitätstheorie, Quantenmechanik (21. Jahrhundert, Abiturbereich)
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3. Methodisches Arbeiten in der Wissenschaft Häufig beginnt der Chemieunterricht mit einer Definition: "Chemie befasst sich mit Stoffen, ihren Eigenschaften und Umsetzungen." Wörter mit eine definierten Wortinhalt haben Kinder bis zu dem Alter, in dem sie Chemie kennen lernen, nicht gebraucht. Ihr Sprachumfang wurde von Eltern, Großeltern, Geschwistern und anderen Kindern übernommen und durch Versuch und Irrtum "eingeübt". - Auch später werden so durch "Imitation" gelernte Wörter selten mit einer wissenschaftlichen Definition hinterlegt. Man kann das oftmals selbst bei gestandenen Naturwissenschaftlern erleben. Wie wenig man etwas hinterfragt oder gar wissenschaftlich zu definieren versucht, was man aus dem Kindesalter mitbekommen hat, also "schon immer wusste", kann man am Beispiel des Begriffes "Stoff" erkennen. So ist der Begriff "Stoff" selten mit einer Definition versehen. Man versuche es selbst, eine Definition zu geben! Fragt man Schüler, was man unter einem Stoff versteht, bekommt man viele Antworten. In der Regel erhält man Aufzählungen von Stoffen oder Stoffgruppen. Darunter sind Beispiele wie Wasser, Stein, Eisen, (Kleidungs-)Stoffe. So kann man jedoch einen Begriff nicht definieren, es sei denn, man zählt alle Elemente der Begriffsmenge auf und erklärt die Begriffsmenge auf die Aufzählung begrenzt. Das gleiche gilt für den untauglichen Versuch, "Stoff" durch Aufzählungen zu umschreiben oder durch Aggregatzustände zu definieren:
Zu einem späteren Zeitpunkt wird man erkennen, das eine Definition der verschiedenen Aggregatzustände auf einen "fehlenden" Aggregatzustand hinweist, der zur Annahme des diskontinuierlichen Aufbaus der Materie (Teilchenbegriff) führt. Nimmt man den Begriff "Begriff" wörtlich , so bedeutet er ein Begreifen, ein Umfassen und Abgrenzen von anderem. Definitionen sind nichts anderes als ein Übereinkommen über das, was man darunter verstehen will.. |
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4. Die Merkmale eines Stoffes
Der Unterschied zwischen den einfachen Antworten und den wissenschaftlich korrekten Definitionen ist Schülerinnen und Schülern nicht leicht zu vermitteln. Selbst Erwachsene haben Schwierigkeiten, die Unterschiede zu erklären.
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5. Platzbedarf von Stoffen (spielerisch) Bestimmung des Platzbedarfs eines Stoffes ist für regelmäßig geformten Feststoffen und Flüssigkeiten kein Problem. Bei Stoffwürfel oder -quadern reicht es, die Kantenlängen zu bestimmen. Bei Flüssigkeiten benutzt man einen Messzylinder. Bei unregelmäßig geformten Feststoffen bestimmt man den Platzbedarf durch Verdrängung einer Flüssigkeit in einem Standzylinder. All das lässt sich ohne Aufwand und Gefährdung in Schülerübungen bewerkstelligen. Man nutzt dazu die Regeln:
Bei farblosen Gasen (Luft) ist die Bestimmung jedoch schwierig, da farblose Gase nicht als Stoffe wahrgenommen werden. Außerdem füllen Gase jeden Raum und nehmen jede Form an, so dass sie unbemerkt verdrängt bzw. eindringen. Daher eignet sich ein Schauversuch
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6. Platzbedarf von Stoffen (wissenschaftliche Denkweise) Die historische Entdeckung der Luft ist ein gutes Beispiel für die wissenschaftliche Arbeitweise von der Hypothese über das Experiment hin bis zur Veröffentlichung. Lange Zeit war angenommen wurde, dass der "leere" Raum mit "Äther gefüllt sei, wo sonst Nichts wäre. Seine Überlegungen waren:
Daher sollte der Raum bis hin zu den Sternen ohne Luft sein.
Merkmale des Wissenschaftlichen Arbeitens:
Merkmale von Forschung und Lehre An der Untersuchung von Luft durch Otto von Guericke kann man alle Stadien der Forschung und Lehre erkennen.
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7. Massebestimmung von Luft (Makrotechnik) In der Regel wird ein dünnwandiger Glaskolben mit einer Ölpumpe evakuiert, seine Leergewicht bestimmt und nach Füllung mit Luft die Masse der Luft als Differenz zur Leermasse bestimmt . Unter Nutzung des Volumens der Kugel lässt sich die daraus die Dichte von Luft bestimmen.
Bild : Gaswägekugel mit Ständer und Splitterschutzkorb Üblicherweise wird der Versuch als Lehrerdemonstrationsversuch vor der Klasse vorgeführt. Dabei sind neben dem Tragen einer Schutzbrille weitere Sicherheitsregeln zu beachten:
Für das Lernen der Schüler ist es effektiver, die Schüler den Versuch selbst machen zu lassen. Dazu ist eine Arbeitstechnik erforderlich, die sicheres Arbeiten parallel arbeitender Gruppen durch einen Lehrer ermöglicht. Die in der Halbmikrotechnik ist benutzten Kunststoffkolbenprober erlauben es, Experimente in Schülerübungen durchzuführen, weil der Splitterschutz entfallen kann.
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8. Massenbestimmung von Luft in Halbmikrotechnik Wie man die Masse von Luft in Schülerübungen bestimmen kann (Bild ... zur Seite: Luftuntersuchung: |
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9. Temperaturverhalten von Luft beim Erwärmen |
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(Aristoteles: Horror vacui). Erst durch die Überlegungen und Bemühungen 
(um 1600; historische Darstellung) konnte man Luft als Stoff erkennen. 
und 
