Was sprudelt in der Brause?

1. Thema der Unterrichtseinheit

Was sprudelt in der Brause? - Eine Anbahnung naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen am Phänomen der Kohlenstoffdioxydentwicklung im Rahmen einer handlungs- und produktionsorientierten Unterrichtseinheit.

2. Ziele der Unterrichtseinheit

Die Schüler^[1] sollen sich forschend-entdeckend mit dem Thema Brause auseinandersetzen und so erste Einsichten in chemische Phänomene erhalten. Basierend auf eigenen Fragestellungen sollen die Schüler selbstständig ein Experiment entwickeln, sodass sie ihre Frage „Was sprudelt in der Brause?“ beantworten können. In einem weiteren Schritt sollen die Schüler ihr zuvor erworbenes Wissen anwenden und ihr eigenes Brausepulver herstellen. Das Entdecken und Erforschen von Phänomenen als Teil des wissenschaftlichen Arbeitens soll die Methodenkompetenz der Kinder, Experimente zu planen, durchzuführen sowie auszuwerten, erweitern und dazu beitragen, dass eine positive Einstellung chemischen Inhalten gegenüber entwickelt wird. Des Weiteren soll ihre Kooperations­und Kommunikationsfähigkeit durch die Partnerarbeit weiter gefördert werden.

3. Verlauf der Unterrichtseinheit

1. Sequenz: Es sprudelt, es schäumt, es prickelt. - Die Schüler nutzen verschiedene Sinne, um die Eigenschaften von Brause zu beobachten, zu fühlen und zu schmecken. Anschließend sammeln die Schüler in einer Mind- Map ihr Vorwissen und ihre Erfahrungen rund um die Brause, stellen erste Vermutungen an und formulieren weitere Fragen zum Thema.
2. Sequenz: Dem Sprudeln auf der Spur. - Die Schüler trennen durch optische Unterscheidung die Bestandteile der Brause. Mithilfe der Zutatenliste und des Geschmacks sollen die Schüler die drei Hauptbestandteile benennen.
3. Sequenz: Deshalb sprudelt die Brause. - Die Schüler formulieren mit Hilfe des bisher erworbenen Vorwissens erste Hypothesen, welcher Bestandteil in der Brause das Sprudeln verursacht.
4. Sequenz: Was sprudelt in der Brause? - Die Schüler planen unter Bezugnahme auf ihre Hypothesen ein Experiment, um die Fragestellung ״Was sprudelt in der Brause?“ zu überprüfen. Anschließend führen sie das Experiment durch und werten die Ergebnisse im Hinblick auf die Fragestellung aus.
5. Sequenz: Wir stellen unser eigenes Brausepulver her. - Die Schüler erarbeiten das perfekte Mischungsverhältnis, um ein eigenes Brausepulver herzustellen. Dies wird in einem persönlichen Rezept festgehalten.
6. Sequenz: Die Brauseparty. - Die Schüler präsentieren der ersten Klasse ihren Forscherweg, stellen gemeinsam mit ihnen Brause her und probieren die verschiedenen Produkte der Schüler.

4. Thema der Unterrichtsstunde

Was sprudelt in der Brause? - Die Schüler führen in Partnerarbeit ihr selbstständig geplantes Experiment durch und werten die Ergebnisse unter Bezugnahme ihrer Fragestellung aus.

5. Ziele der Unterrichtsstunde

Die Schüler sollen eigenständig in Partnerarbeit herausfinden, dass die vermischten Stoffe Natron und Zitronensäure unter Zugabe von Wasser chemisch reagieren und somit die relevanten Stoffe zum Erzeugen des Sprudelns sind. Dazu sollen Die Schüler die isolierten Bestandteile der Brause und die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der Bestandteile unter Zugabe von Wasser genau untersuchen und im Hinblick auf ihre Hypothesen überprüfen.

6. Didaktischer Schwerpunkt

Seit nunmehr 90 Jahren fasziniert die Brause Jung und Alt und ist bis heute bekannt und beliebt. Im Jahr 1925 entwickelte Theodor Beltle den Grundstoff, mit dem sich Wasser in Sekundenschnelle in ein erfrischendes Mixgetränk verwandelte. Die preiswerte Alternative zur Limonade, die es zunächst nur in Tabletten-Form gab, wurde schnell zu einem Volksgetränk. Zusammen mit Robert Friedel gründetet Beltle das Unternehmen Ahoj-Brause und zu Beginn der dreißiger Jahre wurde die Brause auch als Pulver vertrieben. Bis heute wird das Pulver mit dem Namen ״Ahoj-Brause“ weltweit millionenfach verkauft.^{[2] [3]}

Auch heute ist das Brausepulver bei Kindern sehr beliebt, sie naschen es oft direkt aus der Hand und nehmen das Phänomen des Schäumens und Prickelns am eigenen Körper wahr. Somit gibt es einen direkten Lebensweltbezug zur forschend­entdeckenden Auseinandersetzung mit dem Brausepulver.^{[4] [5]}

Die Hauptbestandteile des Brausepulvers sind Zucker, Säuerungsmittel (Wein- oder Zitronensäure) und Natriumhydrogencarbonat (Natron). Bei genauer Betrachtung der Brause kann man die Zuckerkristalle klar identifizieren, daneben gibt es ein Pulver, das sich nur durch die Farbe unterscheidet. Die weißen Teile sind Natron, die farbigen Teile bestehen aus Wein-/Zitronensäure. ^[6] Für den Geschmack und die Farbe sorgen außerdem noch Aroma- und Farbstoffe in der Brause, diese haben jedoch keinen Einfluss auf die chemische Reaktion und können frei gewählt werden.

Bei der Zusammensetzung der Brause muss darauf geachtet werden, dass die Zitronensäure einen höheren Anteil als das Natron aufweist, so verbleibt ein Säureüberschuss im Wasser. Andernfalls kann es nach der Reaktion zu einem laugigen Carbonatgeschmack kommen.^[7]

Das Sprudeln wird durch eine Chemische Reaktion erzeugt. Eine Lebensmittelsäure, Zitronensäure, gemischt mit Natron wird mit Wasser versetzt. Dabei entsteht das Gas Kohlenstoffdioxid (CO2).^[8]

Kohlenstoffdioxid ist ein geruchloses Gas, welches in vielen Erfrischungsgetränken als ״Kohlensäure“ enthalten ist. Da seine Dichte leichter als Wasser ist, steigt ein Teil in Form von Luftblasen an die Oberfläche. Ein anderer T eil löst sich im Wasser und sorgt so für einen erfrischenden, aber auch säuerlichen Geschmack.^{[9] [10]}

Ein Richtlinienbezug lässt sich zum Bereich ״Natur und Leben“ zuordnen, indem sie Verfahren beim Experimentieren kennenlernen und ihr Experiment selbstständig planen.^[11] Darüber hinaus lässt sich das Thema Brause in den Schwerpunkt „Stoffe und ihre Umwandlung“ einordnen. Die Schüler „untersuchen sichtbare stoffliche Veränderungen der belebten und unbelebten Natur, stellen Ergebnisse dar und beschreiben sie“, indem sie das Brausepulver genau untersuchen und die stoffliche Veränderung wahrnehmen.^[12]

Diese naturwissenschaftlichen Verfahren und Methoden, die sich die Schüler aneignen und anwenden sollen haben das Ziel, dass die Schüler Untersuchungen sachorientiert durchführen können.^[13] Zu diesen Untersuchungen gehören nach Angaben der GDSU die Umwandlung von Stoffen zu beschreiben und die Eigenschaften von Stoffen nachzuweisen und zu untersuchen.^[14] Auch für Hilbert Meyer ist das Experimentieren eine Methode, mit der viele Teilfertigkeiten und Lehrziele erlernt und gefördert werden. In dieser Reihe wird das genaue Beobachten, das Ziehen von Schlussfolgerungen aus den Beobachtungsergebnissen und das Formulieren von Hypothesen gefördert. Darüber hinaus können die Schüler beim Experimentieren ihre Neugierde befriedigen, ihre Konzentration stärken und lernen, dass man behutsam mit dem Material umgeht.^[15]

In der dritten Klasse werden derzeit Kinder, davon Jungen und Mädchen, unterrichtet. Vor dieser Einheit haben die Schüler nur Erfahrungen mit dem Durchführen angeleiteter Experimente (laborieren) gesammelt. In dieser Einheit sollen die Schüler jedoch das Vorgehen wissenschaftlichen Arbeitens kennenlernen, das Planen, Durchführen und Auswerten von Experimenten üben, um es so in die Arbeitsweisen der Kinder zu integrieren. So soll der Weg des „Laborierens“ verlassen werden, hin zum selbstständigen Experimentieren. Aus diesem Grund ist es in dieser Situation besonders wichtig, dass sich die Schüler die Unterrichtsinhalte selbstständig erschließen.^[16] Hierzu arbeiten die Kinder in festen Kleingruppen aus zwei bzw. drei Schülern zusammen. So kann ein Austausch über bereits gewonnene Erkenntnisse entstehen und durch gegenseitige Hilfestellung bei Problemen Frustrationserlebnissen entgegengewirkt werden. Ebenfalls wird so die Kooperations- und Kommunikationsfähigkeit untereinander gefördert und weiter ausgebaut.^[17] Mit und sind vor Weihnachten zwei Flüchtlingskinder in die Klasse gekommen. Beide sprechen bisher nur wenig Deutsch, wobei die größeren Lernfortschritte macht. Mit ihr fällt die Verständigung leichter, da sie gutes Englisch spricht. Beide Kinder verhalten sich insgesamt ruhig und arbeiten zum Teil sehr motiviert in ihren Möglichkeiten mit. Aufgrund ihrer sprachlichen Mängel arbeiten sie in einer Zweiergruppe mit, so dass zwei Gruppen aus drei Kindern bestehen. Auf diese Weise können sich und besser in die Klasse integrieren und der Austausch mit andren Kindern fördert ihre Sprachentwicklung.

Bevor sich die Zweitklässler mit der eigentlichen Frage ״Was sprudelt in der Brause?“ auseinandersetzen konnten, haben sie Verhaltensregeln für das sichere Experimentieren, sowie zu erfüllende Aufgaben während des Experimentierens wiederholt (genau beobachten, riechen, hören, ggf. schmecken). In diesem Zusammenhang war es wichtig den Kindern zu verdeutlichen, dass sie den Geschmackssinn nur nutzen können, da es sich bei den Hauptbestandteilen der Brause (Natron, Zitronensäure, Zucker) um handelsübliche Zutaten handelt. Auch wurden die Kinder darauf hingewiesen, dass es sich um Zutaten aus dem Backbereich handelt, die sonst auch ihren Einsatz bei der Zubereitung von Nahrungsmitteln finden. In jedem anderen Fall gehört der Geschmackssinn nicht zu den Untersuchungsmethoden von Stoffen.

Um einen möglichst realistischen Einblick in naturwissenschaftliche Forschungsmethoden zu erlangen, gibt Meyer sechs Schritte vor, die ein Experiment idealtypisch durchlaufen sollte. Meyer bezieht sich dabei auf Immanuel Kant, der Experimente analysiert hat und so ein Ablaufschema erstellt hat:

1. Beobachten eines Phänomens
2. Hypothesenbildung
3. Versuchsplanung
4. Durchführung
5. Verifikation/Falsifikation der Ergebnisse
6. Verallgemeinerung der Ergebnisse

Diese ״idealisierende Rekonstruktion“ eines Experimentierverlaufs hat jedoch wenig mit der Wirklichkeit zu tun, da umfangreiche Experimente oft viel „verwickelter“ verlaufen. Vor allem der sechste Schritt stellt ein Problem dar, da allgemeingültige Gesetze auch nach einer Vielzahl an Einzelbeobachtungen unmöglich zu formulieren sind. Dennoch bieten sich diese sechs Schritte an, um Anhand von ihnen eine Reihe zu planen, in der die Schüler naturwissenschaftliche Arbeitsweisen kennenlernen sollen. Und sie zeigen, dass das Experimentieren eine der anspruchsvollsten Aufgaben im naturwissenschaftlichen Sachunterricht darstellt.^[18] Im ersten Schritt geht es darum, dass Schüler ein Phänomen oder Problem wahrnehmen. In diesem Fall habe ich die Äußerung eines Schülers aufgegriffen, der im Rahmen eines Geburtstages das erst Mal Brause im Mund hatte und das entstandene Gefühl auf der Zunge gar nicht richtig beschreiben konnte und von den Gefühlen sehr fasziniert war. Dies habe ich, im Sinne des situationsbezogenen Ansatzes, zum Einstieg der Reihe wieder aufgegriffen.^[19] Hier konnten die Schüler Brausepulver probieren und im Wasser auflösen lassen. So konnten die Schüler besser die Eigenschaften der Brause beschreiben und das Vorwissen konnte so besser aktiviert werden. Aus den Ergebnissen wurden eine Mind-Map angefertigt und Fragen zum Thema Brause formuliert. Diese hängen in visualisierter Form im Klassenraum.

Als zweiten Schritt sollten die Schüler erste Hypothesen zur Frage ״Was sprudelt in der Brause?“ formulieren, diese wurden ebenfalls visualisiert. Aus diesen Vermutungen ergab sich, dass das Brausepulver mit Blick auf seine einzelnen Bestandteile genauer untersucht werden sollte. Hieran wird sehr deutlich, dass solche situativen Lernanlässe für den Sachunterricht von besonderer Bedeutung sind, da sie den Lernenden die Möglichkeit bieten, naturwissenschaftliche Arbeitsweisen als Instrument zur Lösung von Problemen zu erfahren.^[20] So wurde von den Schülern durch Probieren, optischer Unterscheidung und mithilfe der Inhaltsliste erkannt, dass die Bestandteile des Brausepulvers Natron, Zitronensäure und Zucker sind. Aroma­und Farbstoffe sind variable Bestandteile des Pulvers. Da Letztere für das weitere Vorgehen der Kinder nicht von Bedeutung sind, fand eine didaktische Reduktion auf die drei Hauptbestandteile Natron, Zitronensäure und Zucker statt. Anschließend sollten die Schüler ihre neuen Hypothesen aufstellen und Vermuten, welcher Stoff für das sprudeln verantwortlich ist. In diesem Zusammenhang wurde auch die ersten Fragen der Schüler beantwortet: Woraus besteht Brause? Warum ist Brause sauer und süß?

Aus diesen Ergebnissen folgte nun der dritte Schritt. Ein Experiment, um die Komponente(n) zu bestimmen, die für das Sprudeln verantwortlich ist/ sind. Dieses eigenständige Vorgehen bei der Planung entspricht dem handlungsorientierten Ansatz nach Bönsch, sowie dem didaktischen Experimente-Begriff nach Schreier und ist besonders wichtig, da die Kinder sich stärker mit dem Vorhaben identifizieren und es zu ihrer Sache wird.^{21 22}

In der heutigen Stunde folgt der vierte und fünfte Schritt beim Experimentieren. Die Schüler führen ihr geplantes Experiment durch und werten die Ergebnisse hinsichtlich ihrer Fragestellung und ihrer Hypothese aus.

In der Einstiegsphase stellen die Schüler den Ablauf der Stunde vor, schildern ihr Vorhaben der Stunde, indem sie die Bestandteile der Brause nennen, ihre Vermutungen beschreiben und den Ablauf ihres Experiments vorstellen. So knüpfen die Schüler an die vorangegangene Arbeit an, werden gedanklich eingebunden und kennen ihren Arbeitsauftrag. Die erstellten Visualisierungen liegen bereit, damit sich die Schüler an die Ergebnisse der letzten Stunden erinnern und sie ihre Hypothesen vor Augen haben. Abschließend wird geklärt, was in der Reflexionsphase besprochen wird, sodass der Stundenablauf für die Schüler transparent ist.

In der Arbeitsphase führen die Schüler zu zweit bzw. zu dritt ihr Experiment durch. Hierzu holen sich die Schüler ihre Materialkisten, in denen sie ihre zusammengestellten Forschermaterialien finden (Natron, Zucker, Zitronensäure, Löffel, Pipette, Behälter zum Durchführen der Teilexperimente, Brausepulver für einen Kontrollversuch). Die Schüler mischen nun jeweils die isolierten Bestandteile der Brause mit Wasser und beobachten, ob und wie die Bestandteile unter Zugabe von Wasser reagieren. Nach jedem Teilexperiment notieren die Schüler ihr Ergebnis auf dem vorstrukturierten Arbeitsblatt.

[...]

^[1] Im Interesse der leichteren Lesbarkeit habe ich auf die Unterscheidung von männlicher und weiblicher Form verzichtet. Selbstverständlich sind immer beide Geschlechter gemeint.

^[2] Scheuer, Rupert/ Lucas, Hildegard (2006): Was prickelt in der Brause? Von der Forscherfrage zum „Heureka“, in: Die Grundschulzeitschrift, Heft 199. S. 24.

^[3] Hell, Simone (2010): Der Brause auf der Spur - Chemische Experimente im Sachunterricht, in: Fördermagazin, Heft 5/2010, S. 48.

^[4] Ministerium für Schule und Weiterbildung des Landes NRW: Kompetenzorientierung - eine veränderte Sichtweise auf das Lehren und Lernen in der Grundschule, 2008. S. 46/47,

^[5] Bönsch, Manfred (1994): Forschendes Lernen als Lernprozess im Sachunterricht der Grundschule. In: SMP, Heft 22. S. 286-290.

^[6] Hell, Simone, S.48.

^[7] http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/lebensmittel/101_brausetrennung_l_slb.htm

^[8] Keune, Herbert/ Frühauf, Dieter (1988): Wir untersuchen Brausepulver und stellen ein Brause-Getränk her. Eine Unterrichtseinheit zur Trennung und Herstellung einer Stoffmischung, in: SMP, Heft 16. S. 532-533.

^[9] Ebd.

^[10] Hell, Simone, S. 48.

^[11] Ministerium für Schule, Jugend und Kultur des Landes NRW (Hrsg.): Richtlinien und Lehrpläne für die Grundschule in Nordrhein-Westfalen. Frechen: Ritterbach Verlag, 2008. S. 40.

^[12] Ebd. S. 43.

^[13] Gesellschaft für Didaktik des Sachunterrichts (GDSU): Perspektivrahmen Sachunterricht. Bad Heilbrunn, Klinkhardt 2013. S. 39-40.

^[14] Ebd. S. 43.

^[15] Meyer, Hilbert: Unterrichtsmethoden II - Praxisband. 14. Auflage. Berlin: Cornelsen 2011. S. 319.

^[16] Wiebel, Klaus-Hartmut (2000): ״Laborieren“ als Weg zum Experimentieren im Sachunterricht. In: Die Grundschulzeitschrift, Heft 139. S. 45/46.

^[17] Lehrplan Sachunterricht, S. 39.

^[18] Meyer, Hilbert, 2011. S. 314 ff.

^[19] Kahlert, Joachim: Der Sachunterricht und seine Didaktik, Bad Heilbrunn: Verlag Julius Klinhardt, 2009. S. 179.

^[20] Unglaube, Henning: Experimente im Sachunterricht. In: Meier, R./ Unglaube, H./ Faust-Siehl, G. (Hrsg.): Sachunterricht in der Grundschule. Frankfurt am Main: Arbeitskreis Grundschule - Der Grundschulverband e.V. 1997. S. 228-229.

^[21] Bönsch, Manfred: Bestimmungsmomente und Dimensionen handlungsorientierten Unterrichts, in: SMP 14 Nr. 8, 1986.

^[22] Schreier, Helmut: Der Mehlwurm im Schuhkarton, Kronshagen: Körner Verlag, 1993. S. 15-17.