Unterrichtsstunde: Warum geht ein Kuchen auf? Zur Wirkungsweise von Backpulver

1. Bemerkungen zur Lerngruppe und zur Unterrichtssituation

1.1 Eigenarten der Lerngruppe

Die Klasse 3b unterrichte ich seit Januar 2007 eigenverantwortlich im Fach Sachunterricht und seit September 2007 in Sport. Die Klasse ist angenehm lebhaft; soziale Konflikte treten selten auf und lassen sich in der Regel durch ein kurzes Gespräch schnell lösen. XXXX fällt seit einigen Monaten verstärkt durch aggressives Verhalten gegenüber seinen Mitschülern auf und ist deswegen in psychotherapeutischer Behandlung. Er wird durch mich verstärkt beobachtet, um im Konfliktfall deeskalierend eingreifen zu können. Für die Gruppenarbeit wurde er einer Gruppe zugeordnet, in der wenige Konflikte zu erwarten sind.

Das Verhältnis zwischen Lehrer und Klasse ist positiv und zugewandt. Durch den stetigen Kontakt in zwei Unterrichtsfächern wurde ein vertrauensvolles Verhältnis aufgebaut.

Einigen Schülerinnen und Schülern fällt das Einhalten von Gesprächsregeln trotz Ermahnungen häufig schwer (z.B. XXXX). Zur Verbesserung des Gesprächsklimas wird in der Klasse das „KlasseKinderSpiel“ (vgl. Brinck 2006) durchgeführt: Störendes Verhalten eines Schülers wird durch einen Kreidestrich an der Tafel als „Foul“ für dessen Gruppentisch gewertet. Die Gruppentische, die am Ende der Unterrichtsstunde am wenigsten Fouls haben, sammeln Klebesterne, die gegen eine Belohnung eingetauscht werden können.

Die Schülerinnen und Schüler sind die Arbeit in Kleingruppen gewöhnt. In der Regel arbeiten sie dabei bei Experimenten konzentriert und sachgerecht.

1.2. Lernverhalten und Leistungsvermögen

Während fast alle Schülerinnen und Schüler der Klasse eine hohe Lernbereitschaft zeigen und dem Sachunterricht ein hohes Interesse entgegenbringen, ist das Leistungsvermögen ausgesprochen heterogen. Einige Schüler (z.B. XXXX) können auf ein breites Vorwissen in vielen Inhaltsbereichen zurückgreifen und sich durch eine gute Auffassungsgabe neue Inhalte schnell und eigenständig erarbeiten. Sie bereichern die Unterrichtsgespräche häufig durch zielführende Beiträge und hinterfragen Inhalte auch kritisch.

Einer Gruppe von leistungsschwächeren Schülerinnen und Schülern (z.B. XXXX) fällt das Finden von Zusammenhängen und Entdecken von Lösungswegen sehr schwer. XXXX haben darüber hinaus Schwierigkeiten mit der Schriftsprache, deshalb werden Arbeitsaufträge von mir in der Regel visualisiert. Ich versuche, diese Gruppe vor allem in Gesprächsphasen mit reproduzierendem Charakter einzubinden. Für die Arbeit mit Experimenten wurden leistungsheterogene Gruppen gebildet, um ein gegenseitiges Lernen der Schüler zu ermöglichen.

1.3. Fachspezifische Lernausgangslage

In der laufenden Unterrichtseinheit wurden mit den Schülerinnen und Schülern elementare chemische Prozesse (Mischen und Trennen von Stoffen, Umwandlung von Stoffen) untersucht. Dabei wurden prozessbezogene Kompetenzen im Bereich des sach- und fachgerechten Planens, Durchführens und Deutens von Experimenten entwickelt.

Den Schülerinnen und Schülern ist bekannt, dass Stoffe sich zu neuen Stoffen umwandeln können. Dazu wurde exemplarisch die Bildung von Rost untersucht. Das Phänomen einer Gasbildung ist bereits bei der Untersuchung der Zutaten von Brausepulver aufgetreten. Bei der Auswertung dieses Experimentes wurde dieser Aspekt aber nicht aufgegriffen, da der Schwerpunkt hier auf der systematischen Untersuchung der Inhaltsstoffe lag.

Die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig wurden mit den Schülerinnen den Schülern in Jahrgang 2 am Beispiel des Wassers erarbeitet. Der Begriff Gas wurde in der unmittelbar vor der hier beschriebenen Unterrichtsstunde anhand des Beispiels Kohlenstoffdioxid gefestigt. Kohlenstoffdioxid wurde von den Schülerinnen und Schülern durch Schütteln einer Mineralwasserflasche auf physikalischem Weg gewonnen und in einem Luftballon über der Flasche aufgefangen. Das Aufblasen des Luftballons als Ergebnis einer Gasentwicklung ist den Schülerinnen und Schülern also bekannt.

Im Rahmen einer früheren Unterrichtseinheit zum Thema Luft wurde das Aufblasen eines Luftballons über einer Flasche durch die Ausdehnung von sich erwärmender Luft beobachtet. Um eine Temperaturveränderung als Ursache des Aufblasens des Luftballons auszuschließen, wird daher das Experiment in dieser Stunde auch mit anderen Stoffen als Backpulver ausgeführt.

2. Zur Sachstruktur des Lerngegenstandes

Wer aber Hefe benutzt, erleidet immer einen Verlust an Teig; denn die Hefe lebt ja vom Teige. (…) Zum Zwecke des Auftreibens von Brot verwendet man auch Fabrikate, welche unter dem Namen Backpulver in den Handel kommen. Im Jahr 1893 nahm ich die Fabrikation dieses Artikels auf und jetzt werden jährlich Millionen Kuchen mit Dr. Oetker´s Backpulver hergestellt. (…) Besonders sei noch erwähnt, dass beim Backen mit diesem Backpulver die Zutaten keinerlei Verlust erleiden. August Oetker 1895, zit. nach Schwedt 2004, S. 158

Backpulver als chemisches Triebmittel zur Teiglockerung wurde im 19. Jahrhundert im Zusammenhang mit einer Getreideknappheit als Ersatz für die mit Teigverlusten verbundene Hefe entwickelt (vgl. Schwedt 2003, S. 27). Bestandteile des heute üblichen Backpulvers sind

- Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3, Natron)
- eine kristalline Säure (z.B. C4H6O6, Weinsäure)
- und Stärke als Trennmittel (vgl. Falbe & Regitz 1997, S. 212).

Wirkungsprinzip von Backpulver ist eine chemische Reaktion im Kuchenteig, die zur Bildung des Gases Kohlenstoffdioxid (CO2) führt: „Das sich entwickelnde Kohlendioxid sammelt sich als Blasen im Teig und lässt ihn aufgehen. Um einen guten Teig zu erhalten, sollte das CO2 in zwei Schritten freigesetzt werden: Im ersten Schritt, der bei Raumtemperatur abläuft, wird wenig CO2 freigesetzt, das kleine Blasen bildet. Bei der Backtemperatur vergrößern sich im zweiten Schritt diese Blasen durch die Entwicklung der Hauptmenge des Gases“ (Atkins & Beran 1998, S. 747). Das Backpulver bewirkt in der Reaktion mit im Teig z.B. durch Milchzugabe enthaltenem Wasser zunächst eine Säurebildung (auf die hier nicht genauer eingegangen werden soll) und dann die Bildung von CO2 gemäß folgender Reaktionsgleichung:

„ NaHCO3 (aq) + H3O+ (aq)  Na+ (aq) + 2 H20 (l) + CO2 (g)“ (Atkins & Beran 1998, S. 718).

Diese Reaktion lässt sich auch durch die isolierte Zugabe von Backpulver zu Wasser bei Raumtemperatur beobachten. Dabei kann die Gasbildung durch einen geeigneten Versuchsaufbau (vgl. 5.4) sichtbar gemacht werden.

Je nach Teigart sind unterschiedliche Stoffe und Prozesse am Aufgehen des Teiges beteiligt. Die Zutaten Salz und Zucker bewirken jedoch im Kontakt mit Wasser keine Gasbildung (vgl. Materialanalyse 5.5).

Alle an den Experimenten beteiligten Stoffe sind ungiftig (vgl. Falbe & Regitz 1997). Mit den Schülerinnen und Schülern wurde dennoch die Sicherheitsregel erarbeitet, dass Stoffe, die zum Experimentieren verwendet werden, nicht gegessen oder probiert werden.

3. Zu den Ziel- / Inhaltsentscheidungen

3.1 Themenwahl

Das Kerncurriculum Sachunterricht sieht in der fachlichen Perspektive Natur vor, dass die Schülerinnen und Schüler bis zum Ende des Schuljahrgangs 4 „Eigenschaften und Veränderungen von ausgewählten Stoffen erkennen und erläutern“ (Niedersächsisches Kultusministerium 2006, S. 25) können. Dabei sollen Kenntnisse und Fertigkeiten insbesondere zu Verbrennungsvorgängen erworben werden. Der schuleigene Arbeitsplan der Grundschule Fleestedt sieht chemische Experimente, die über die Untersuchung von Verbrennungsprozessen hinausgehen, nicht als verpflichtenden Inhalt vor, lässt hierzu jedoch genügend Spielraum.

Im Perspektivrahmen Sachunterricht wird für die naturwissenschaftliche Perspektive das Prinzip der „Stoffveränderung als chemische Stoffumwandlung“ (GDSU 2004, S. 17) als Inhalt vorgeschlagen. Dem entspricht eine verbreitete fachdidaktische Position, nach der auch im Grundschulunterricht chemische Inhalte thematisiert werden können und sollen (vgl. z.B. Al-Shamery, Jansen & Beckhaus 2003, Hoenecke 2004, Kraft & Wöhrmann 2006, Lühken 2006, Kaiser & Mannel 2004). Die Bedeutsamkeit von chemischen Inhalten ergibt sich aus ihrer Relevanz in vielen biologischen und technischen Zusammenhängen auch mit gesellschaftlicher Relevanz (Treibhauseffekt, saurer Regen, Phamarzie) sowie aus zahlreichen Anwendungen im Alltag (vgl. Aufbau der Unterrichtseinheit).

Mit dem Ziel einer ´scientific literacy´ müssen chemische Phänomene dabei in einem für die Schülerinnen und Schüler sinnhaften Kontext und unter besonderer Betonung der Forschungsprozesse thematisiert werden: „Auch für Grundschulkinder ist es wichtig und möglich, Forschungsprozesse ´durchschaubar´ werden zu lassen, indem sie als von Menschen gemacht und veränderbar vermittelt werden“ (Marquardt-Mau 2004, S. 78). Diese Intention verfolgt das Kerncurriculum im Bereich der fachspezifischen Methoden und Arbeitstechniken im Bereich Erkenntnisgewinnung, indem es das „Planen, Durchführen und Auswerten“ von Experimenten fordert (Niedersächsisches Kultusministerium 2006, S. 24).

Chemische Zusammenhänge sind – obwohl in vielen alltäglichen Prozessen wie etwa dem Rosten von Metallen oder beim Backen und Kochen beobachtbar – den wenigsten Schülerinnen und Schülern im Grundschulalter als solche bewusst. Eine Zugänglichkeit muss daher für viele Kinder erst hergestellt werden. Ein dafür geeigneter Zugang sind Experimente zu Stoffumwandlungen mit Lebensmitteln und Alltagsstoffen (vgl. z.B. Heinzerling 2006, Kaiser & Mannel 2004 sowie diverse Bücher mit Experimenten für Kinder). Ein den meisten Kindern bekanntes Phänomen ist das Aufgehen eines Kuchens, das u.a. durch die Zugabe von Backpulver erreicht wird und auf einer chemischen Reaktion mit einem Gas als Produkt beruht (vgl. 2). Dieses Phänomen aus der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler kann exemplarisch für die Umwandlung von Stoffen untersucht werden. Insbesondere die Tatsache, dass das Produkt der Reaktion von Feststoffen mit Wasser ein Gas ist, macht das Phänomen hinreichend komplex und ergiebig für einen hohen Lernertrag.

3.2 Themenbezogene Zielsetzung

Die Schülerinnen und Schüler untersuchen in der Unterrichtsstunde exemplarisch eine Umwandlung von Stoffen. Dazu führen sie in Kleingruppen sachgerecht ein Experiment durch, bei dem jeweils die Reaktion von Salz, Zucker und Backpulver mit Wasser auf eine Gasbildung untersucht wird (vgl. 5.4). Sie ermitteln die Bildung eines Gases bei der Reaktion mit Wasser als Wirkungsprinzip von Backpulver. Die Versuchsergebnisse werden im Hinblick auf die im Kuchenteig beim Aufgehen ablaufenden Prozesse gedeutet. Dabei verbalisieren die Schülerinnen und Schüler altersangemessen das Wirkungsprinzip von Backpulver.

3.3 Didaktische Reduktion

Auf eine Deutung der chemischen Prozesse in einem Teilchenmodell soll wegen der Komplexität der beteiligten Stoffe verzichtet werden.

Die für die Experimente verwendeten Stoffe werden mit im Alltag gebräuchlichen Begriffen benannt (Backpulver, Zucker, Salz, Natron, Weinsäure, Stärke). Auf die Bezeichnung in einer Fachsprache soll wegen der mangelnden Einsicht in die notwendigen Sachzusammenhänge hinter der Nomenklatur verzichtet werden.

Das bei dem Experiment entstehende Gas Kohlenstoffdioxid ist den Schülerinnen und Schülern unter diesem Begriff bekannt. Dennoch soll – falls nicht eine entsprechende Schüleräußerung dies nahe legt – auf die Benennung des Gases verzichtet werden, da in dieser Stunde kein Nachweis möglich ist. Eine Bennennung des Gases erfolgt in der nächsten Unterrichtsstunde, bei der als Nachweis die Eigenschaft des Löschens einer Kerzenflamme thematisiert wird.

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