Übersetzt von Bernhard Sturm

Joseph Wright of Derby, An Experiment on a Bird in the Air Pump, 1768, Öl auf Leinwand, National Gallery, London, Großbritannien Mit freundlicher Genehmigung von The Yorck Project: 10.000 Meisterwerke der Malerei; Bildquelle: Wikimedia Commons

Erfreuen Sie sich an naturwissenschaftlichem Theater? Den Farben, dem Geruch, den Verwicklungen? Warum folgen Sie nicht Bernhard Sturms Empfehlungen: Lassen Sie Ihre Schüler durch das (Nach-)Spielen von Naturwissenschaften mehr Theater in den Fachraum bringen, um ihnen damit zu helfen, sich die Unterrichtsinhalte vorzustellen und sich an sie nachhaltig zu erinnern. Darstellendes Spiel kombiniert Elemente der Kunst, der Musik und des Sports und fördert die Kreativität und Fitness von Schülern ebenso, wie deren emotionale und ästhetische Wahrnehmung. Als Gruppenübung entwickelt es auch die Kommunikations- und Kooperationsfähigkeit der jungen Lernenden. Warum also sollte man darstellendes Spiel nicht im naturwissenschaftlichen Unterricht einsetzen?

Dieser Artikel bietet eine Auswahl an darstellenden Übungen, um Naturwissenschaften im Chemie- und Physikfachraum nachzuspielen.

Chemie

Redoxreaktionen

Dies ist eine Methode, um den Austausch von Sauerstoffatomen nach Lavoisier zwischen verschiedenen Metallatomen innerhalb der Redoxreihe zu veranschaulichen. Jeder Schüler trägt ein Mannschaftsleibchen in einer von drei Farben, die für die Atome von Sauerstoff und von zwei unterschiedlichen Metallen stehen. Es sollte dabei die gleiche Anzahl von jeder Farbe vorhanden sein. In Gruppen von 8 bis 10 Schülern führen die Schüler einfache Redoxreaktionen mit 1:1-Stöchiometrie durch, wie z.B. CuO + Fe → Cu + FeO, und präsentieren diese anschließend der gesamten Klasse. Die Schüler finden oftmals sehr kreative Wege, um sowohl die Aktivierungsenergie als auch die Energieabgabe in diesen Reaktionen darzustellen.

Chemische Bindung: Leitfähigkeit von Wasser (Grotthuss-Mechanismus)

Radikalische Polymerisierung von Ethen zu Polyethylen

Radikalische Polymerisierung von Ethen. Zum Vergrößern auf das Bild klicken Radikalische Polymerisierung von Buta-1,3-dien. Zum Vergrößern auf das Bild klicken Diagrams adapted from Pöpping (2003)

Die folgende Methode hilft beim Verständnis des Mechanismus der Polymerisierung und der Unterscheidung der Synthese von linearen und vernetzten Polymeren. Die Polymerisierung von Ethen wird mit allen Schülern sukzessive nachgestellt. Jeder Rumpf steht für ein Kohlenstoff-Atom, jeder Fuß für ein Wasserstoff-Atom und jeder Arm für ein bindendes Elektronenpaar. Ein einzelner Schüler, der ein Methylradikal darstellt, winkt mit seinem oder ihrem Arm, dem ungepaarten Elektron. Zwei Schüler halten sich mit beiden Händen als Doppelbindung zum Ethen-Molekül: Ein Atom des Ethen-Moleküls löst den Handgriff (bindendes Elektron) und bindet mit dem freien Elektron des Radikal-Moleküls (neuer Handgriff). Das entstehende Molekül mit drei Kohlenstoff-Atomen stellt wieder ein Radikal dar. Es geht mit einem weiteren Ethen-Molekül eine Bindung ein, usw. (siehe Darstellung links). Dieses Modell kann erweitert werden, um die Vernetzung von Buta-1,3-dien darzustellen: Die das C2- und C3-Atom des Moleküls darstellenden Schüler berühren gegenseitig ihre Füße, um damit eine Einfachbindung zu symbolisieren (siehe Darstellung links). Das Hinzukommen eines Methylradikals führt dazu, dass sich eine der Doppelbindungen (doppelter Handgriff) im Buta-1,3-dien-Molekül löst und eine neue Einfachbindung (Handgriff) zwischen dem Methylradikal und z.B. dem C4-Atom gebildet wird. Das neu gebildete Molekül stellt wieder ein Radikal mit einem freien Elektron am C3-Atom dar. Das C1-Atom eines zweiten Buta-1,3-dien-Moleküls kann sich also verbinden, indem es seine Doppelbindung (doppelter Handgriff) löst und eine vernetzende Bindung (Handgriff) mit dem C3-Atom des ersten Moleküls bildet. Das resultierende Molekül mit 9 Kohlenstoff-Atomen ist wieder ein Radikal mit einem freien Elektron am C2-Atom des zweiten Buta-1,3-dien-Moleküls.

Aggregatzustände des Wassers

Die Abstände und Bewegungen von Wasser-Molekülen unterscheiden sich im festen, flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand. In dieser Übung spielen die Schüler Wasser-Teilchen. Aus meiner Erfahrung heraus führt man diese aufgrund des größeren freien Platzes am besten im Gelände durch. Dabei ist es hilfreich, die Klasse in Mädchen und Jungen aufzuteilen – eine Gruppe agiert, die andere schaut zu. Der Lehrer gibt den Schülern Regieanweisungen, wie diese sich umher bewegen sollen: Beginnend mit dem Winter (0 °C) stehen die Schüler ohne Bewegung in einer Gitteraufstellung. Es wird Frühling, dann Sommer und die Moleküle bewegen sich schneller (bis 40 °C), haben aber immer noch Kontakt zueinander. Schließlich enden die Moleküle in einem Kochtopf, werden erhitzt und verdampfen (100 °C).

In jeder Phase nimmt der Lehrer einen Schnappschuss auf, indem er „Halt!“ ruft. Die Darsteller (z.B. die Mädchen) und Zuschauer (z.B. die Jungen) beschreiben, was zuvor passiert ist und was sie nun um sich herum beobachten können.
Die Darsteller- und Zuschauergruppen wechseln anschließend die Rollen und die Moleküle „kühlen“ wieder auf 0 °C „herunter“.

Diese Übung kann abgewandelt werden, um die thermische Ausdehnung von Benzol darzustellen. 8 Schüler umstellen 20 andere mit einem locker gespannten Seil bis der Druck durch das „Erhitzen“ zu stark wird und die umstellenden Schüler gezwungen sind, das Seil fallen zu lassen.

Physik

Vakuum

Man kann das Gemälde An Experiment on a Bird in the Air Pump^w1 von Joseph Wright of Derby (1768) nutzen, um damit im Unterricht der Geschichte des Vakuums nachzugehen.
Teilen Sie die Klasse in Dreiergruppen auf und geben Sie jeder Gruppe einen Nachdruck des Gemäldes und ein Arbeitsblatt, auf dem die Umrisse und die wesentlichen Utensilien dargestellt sind (siehe Bild rechts, das im weltweiten Netz^w2 herunter geladen werden kann). Die folgenden drei Fragen sollten die Diskussion anregen:

1. Worum geht es in dem Experiment?


2. Wie endet es?


3. Welche Rollen und Haltungen nehmen die dargestellten Personen ein?

	Joseph Wright of Derby, An Experiment on a Bird in the Air Pump, 1768, Öl auf Leinwand, National Gallery, London, Großbritannien Mit freundlicher Genehmigung von The Yorck Mit freundlicher Genehmigung von The Yorck Project: 10.000 Meisterwerke der Malerei; Bildquelle: Wikimedia Commons
	Gemäldeumrisse, einschließlich der Blickrichtungen
	Nachstellung des Vakuumgemäldes mit 13- bis 14- jährigen Schülern Mit freundlicher Genehmigung von Bernhard Sturm

Nach der Diskussion wird die gesamte Szene durch die Schüler mit einer Vakuumpumpe und einem „Schokokuss“ (einem kleinen mit Schokolade überzogenen Schaumkeks) als Ersatz für den Vogel nachgestellt.

Elektrischer Stromkreis

Diese Übung ist dazu geeignet, die Vorstellung von Elektronen als sich bewegenden und Energie transportierenden Ladungen einzuführen. Ein Schüler stellt die Energiequelle dar (eine Batterie): er oder sie gibt Gummibär-Tütchen aus (Energie). Auf der anderen Seite des Unterrichtsraums steht ein anderer Schüler als „Verbraucher“ von Energie: er oder sie sammelt die Gummibär-Tütchen. Sie können ein paar Tische in der Mitte des Raumes nutzen, um einen Kreis zu abzugrenzen.

Die restlichen Schüler repräsentieren die Elektronen: Sie stellen sich an der Energiequelle in einer Schlange an und erhalten nach und nach Gummibär-Tütchen, begeben sich dann in den „Stromkreis“, gehen zum „Verbraucher“ und liefern dort ihre Süßigkeit (Energie) ab. Der „elektrische Kreislauf“ findet so lange statt bis der ausgebende Schüler keine Tütchen mehr hat. Die Batterie ist dann entladen. Diese Übung kann auch auf Parallel- und Reihenschaltung übertragen werden.

Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit

Diese Darstellung hilft bei der Veranschaulichung, dass die Leitfähigkeit von Metallen mit steigender Temperatur abnimmt, was ansonsten nur experimentell ermittelt werden kann. Zeichnen Sie zur Darstellung des Abschnitts eines Leiterkabels auf dem Schulhof mit Kreide ein Rechteck von 2 mal 5 Metern. Bitten Sie 20 Schüler, sich in das Rechteck zu stellen; sie repräsentieren Metall-Atome. Die übrigen 10 Schüler (Elektronen) versuchen, durch das Kabel zu laufen, während die „Atome“ entweder still stehen (geringe Temperatur) oder durch Bewegungen ihres Körpers schwingen (hohe Temperatur). Die Zeit, welche die „Elektronen“ benötigen, um den Kabelabschnitt zu passieren, wird mit einer Stoppuhr gemessen.

Galileis Gesetz des freien Falls

Nachstellung von Galileis Entdeckung des Gesetzes des freien Falls Mit freundlicher Genehmigung von Bernhard Sturm

Um in dieses Thema einzuführen, bitten Sie einen Schüler (Schüler 1) die Geschichte der Entdeckung des Gesetzes des freien Falls vorzulesenw3. Während einer der Assistenten Galileis (Schüler 2) durch Gitarrenanschläge Zeittakte vorgibt, führen Galilei selbst (Schüler 3) und sein zweiter Assistent (Schüler 4) ihre Experimente mit einem Tischtennisball (oder vergleichbar: eine festere Kugel erzielt bessere Ergebnisse) und einer schiefen Ebene mit (metallischen) Querbändern auf verschiedenen Höhen durch (siehe Bild links).

Der Ball rollt die schiefe Ebene von unterschiedlichen Höhen aus hinab. [Kommentar des Übersetzers/Autors: Besser ist es, den Ball stets von der gleichen Höhe aus zu starten und die Rollzeit bis zu verschiedenen Querbändern (Fallhöhen) zu messen.] Schüler 4 nimmt folgende Daten auf:

• Die Anzahl der Anschläge, welche der Ball für das Hinunterrollen benötigt


• Die Strecken des Balls bis zu den Querbändern (z.B. 0, 4, 16, 36, 64 cm).

Kernzerfall und Halbwertszeit

In nur einer Unterrichtsstunde liefert diese Methode exzellentes Datenmaterial für die Veranschaulichung des Begriffs der Halbwertszeit, ohne jegliche komplizierte oder gefährliche Versuchsapparaturen.

Ein Spielbrett mit 6 mal 6 Feldern ist mit 36 roten Spielsteinen belegt. Zwei leicht unterscheidbare Würfel werden geworfen und ihre Zahlen als x-Wert (Würfel 1) und y-Wert (Würfel 2) genutzt. Der rote Spielstein auf dem Feld, zu dem die x/y-Koordinaten der Würfel gehören, zerfällt in (wird ersetzt durch) einen blauen Spielstein. Wenn ein Zahlenpaar doppelt geworfen wird, geschieht nichts mit den Steinen, aber der Doppelwurf wird gezählt. Nach jeweils 10 Doppelwürfen werden deren Gesamtzahl (t) und die Zahl der verbleibenden roten Spielsteine (N) aufgeschrieben. Aus dem N-t-Diagramm wird die Halbwertszeit ermittelt.

Um verschiedene Halbwertszeiten darzustellen, können Sie 8-seitige Würfel oder ein Spielbrett mit 8 mal 8 Feldern einsetzen oder die Regeln so ändern, dass jedes Feld 2-mal gewürfelt werden muss, bevor ein roter Spielstein zerfällt.

Danksagung

Einige Übungen in diesem Artikel wurden von Arbeiten anderer angeregt. Der Autor möchte deshalb seinen besonderen Dank gegenüber Pöpping (2003; Radical polymerisation of ethene to polyethylene (Radikalische Polymerisierung von Ethen zu Polyethylen)), Schreiber (2004; Physical states of water (Aggregatzustände des Wassers)), Fallscheer (2006; Electric circuit (Elektrischer Stromkreis)), Bührke (2003), Drake (1975), Hepp (2004) und Riess et al. (2005; Galileo’s law of free fall (Galileis Gesetz des freien Falls)), und Barke & Harsch (2001; Nuclear disintegration and half-life (Kernzerfall und Halbwertszeit)) ausdrücken.

Referenzen

Barke HD, Harsch G (2001) Chemiedidaktik heute. Lernprozesse in Theorie und Praxis. Berlin/Heidelberg, Germany: Springer. ISBN: 9783540417255

Bührke T (2003) Sternstunden der Physik: Von Galilei bis Lise Meitner. München, Germany: Beck. ISBN: 9783406494932

Drake S (1975) The Role of Music in Galileo’s Experiments. Scientific American 6: 98-104

Fallscheer H (2006) Der Gummibärchen-Stromkreis. Unterricht Physik 17: 38-41

Hepp R (2004) Mit dem freien Fall beginnen. Unterricht Physik 15: 23-26

Pöpping W (2003) Lineare und vernetzte Kunststoffe bilden. Unterricht Chemie 14: 39-40

Riess F, Heering P, Nawrath D (2005) Reconstructing Galileo’s Inclined Plane Experiments for Teaching Purposes. www.ihpst2005.leeds.ac.uk/papers/Riess_Heering_Nawrath.pdf

Schreiber S (2004) Lebendiges Teilchenmodell. Unterricht Chemie 15: 15-17

Internet-Referenzen

w1 – Eine elektronische Version des Gemäldes mit einer Zoomfunktion kann man auf der Internetseite der National Gallery in London, Großbritannien (www.nationalgallery.org.uk) finden oder über die direkte Verknüpfung: www.tinyurl.com/2bqhvx

Zur Information über Joseph Wrights Gemälde, siehe die detaillierte Beschreibung auf http://en.wikipedia.org/wiki/An_Experiment_on_a_Bird_in_the_Air_Pump

w2 – Die Umrisse des Vakuumgemäldes können hier herunter geladen werden.

w3 – Zur Geschichte von Galileis schiefer Ebene und von detaillierten Empfehlungen zu dessen Einführung im Unterrichtsraum siehe: www.ihpst2005.leeds.ac.uk/papers/Riess_Heering_Nawrath.pdf

Weiterführende Materialien

Wenn Ihnen dieser Artikel und andere Unterrichtsaktivitäten in der Ausgabe von Science in School gefallen haben, können Sie gerne auch durch unsere Sammlung von bisher erschienenen Unterrichtsaktivitäten blättern. Siehe: www.scienceinschool.org/teaching

Bernhard Sturm hat im Fachgebiet Chemie am GKSS Forschungszentrum Geesthacht, Deutschland, promoviert. Inzwischen unterrichtet er die Fächer Chemie und Physik am Neuen Gymnasium, einer weiterführenden Schule in Oldenburg, Deutschland. In den letzten Jahren haben seine Schüler mehrere naturwissenschaftliche Wettbewerbe gewonnen, insbesondere mit Themenstellungen aus der Geoanalytik und zum Klima. Einer seiner Interessenschwerpunkte ist das fachübergreifende Arbeiten zwischen Naturwissenschaften, Kunst, Sprachen und Sport.