Was wissen zukünftige Biologie- und Physiklehrer über den Aufbau der Materie?

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Kurzfassung

Abstract

1 Einleitung

2 Fachfremd unterrichten

3 Professionswissen von Lehrkräften zum Aufbau der Materie
3.1 Professionswissen im Allgemeinen
3.2 Professionswissen zum Aufbau der Materie
3.2.1 Dimension Fachwissen
3.2.1.1 Atomarer Aufbau der Materie
3.2.1.2 Aggregatzustände
3.2.1.3 Die Gasphase
3.2.1.4 Die flüssige Phase
3.2.1.5 Die feste Phase
3.2.2 Dimension Fachdidaktisches Wissen
3.2.2.1 Lernen am Modell
3.2.2.2 Modellvorstellungen zum Aufbau der Materie
3.2.2.3 Schülervorstellungen zum Aufbau der Materie

4 Kerncurriculare Begründung des Fachinhaltes
4.1 Kerncurriculum der Naturwissenschaften Sekundarstufe 1
4.1.1 Chemie
4.1.2 Physik
4.1.3 Biologie
4.2 Kerncurriculum der Sekundarstufe II (Chemie, Biologie, Physik)

5 Forschungsstand

6 Forschungsfragen

7 Beschreibung der Methode
7.1 Wahl der Methode
7.2 Entwicklung und Aufbau des Fragebogens
7.3 Gütekriterien

8 Datenerhebung
8.1 Durchführung der Erhebung
8.2 Beschreibung der Stichprobe
8.3 Auswertungsverfahren
8.3.1 Reliabilitätsanalyse
8.3.2 Faktorenanalyse der Likert-Skalen

9 Ergebnisse
9.1 Beschreibung der Ergebnisse
9.1.1 Themenblock I: Vorwissen zum Aufbau der Materie
9.1.2 Themenblock II: Vorstellungen zum Aufbau der Materie
9.1.3 Themenblock Ill: Vorstellungen zu den Aggregatzuständen
9.1.4 Themenblock IV: Vorstellungen zu konkreten Sachverhalten auf submikroskopischer Ebene
9.2 Diskussion der Ergebnisse

10 Fazit & Ausblick

11 Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Studierte Fächer der an der Studie befragten Lehrkräfte (Bröll & Friedrich, 2012, S. 182)

Abbildung 2: Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid (Riedel & Meyer, 2013, S. 148)

Abbildung 3: Phasendiagramm von Wasser (Riedel & Meyer, 2013, S. 145)

Abbildung 4: Geschwindigkeitsverteilung von Sauerstoff- und Wasserstoff-Molekülen bei einer Temperatur von 300 K. (Riedel & Meyer, 2013, S. 144)

Abbildung 5: Schematische Darstellung der Verteilung der Molekülgeschwindigkeiten eines gegebenen Gases bei zwei verschiedenen Temperaturen (Mortimer & Müller, 2010, S. 160)

Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Wasserstoff-Atoms (links) und eines Sauerstoff­Atoms (rechts). Eigens erstellte Grafik

Abbildung 7: Schematische Darstellung des Sauerstoff-Atoms nach der Rutherfordschen Modellvorstellung. Eigens erstellte Grafik

Abbildung 8: Schematische Darstellung des Sauerstoff-Atoms nach der Bohrschen Atomvorstellung. Eigens erstellte Grafik

Abbildung 9: Mögliche Energiezustände am Beispiel des Wasserstoffatoms

Abbildung 10: Gestalt der Orbitale, die durch die Nebenquantenzahl l bestimmt wird. (Riedel & Meyer, 2013, S. 42)

Abbildung 11: Spiralcurriculum für das Fach Chemie. Die Markierungen zeigen auf, dass Modellvorstellungen zum Aufbau der Materie immer wieder Anwendung finden (Barke, Harsch, Günther, Marohn, & Krees, 2015, S. 71)

Abbildung 12: Auszug aus dem Themenblock II zu den Vorstellungen zum Aufbau der Materie

Abbildung 13: Beispielitem aus Themenblock IV zur Frage nach dem Verhalten von Teilchen auf submikroskopischer Ebene

Abbildung 14: Exemplarische Skizze des Rutherford’schen Atommodells aus den erhobenen Daten

Abbildung 15: Skizze (a), (b) und (c) zeigen exemplarische Skizzen aus den Daten der Fragebogenstudie zum Atommodell von Rutherford

Abbildung 16: Exemplarische Skizzen aus den erhobenen Daten zum Atommodell nach Bohr. Skizze a wurde als fachlich korrekt eingeordnet. Skizze b zeigt zwar strukturell das richtige Atommodell, dies jedoch fehlerhaft

Abbildung 17: Paarweiser Vergleich der Variable: Länge des Chemieunterrichts

Abbildung 18: Antwortmöglichkeiten des Items IV.4 aus dem Fragebogen

Abbildung 19: Exemplarische Skizze aus den erhobenen Daten zu Iten IV.5. Die Teilchenabstände sind im Verhältnis korrekt gezeichnet, ebenso wie das Vorliegen eines Kristallgitters in beiden Fällen

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Übersicht ausgewählter Fachinhalte bzw. Phänomene, die mit den jeweiligen Modellvorstellungen erklärt werden können sowie die Grenzen der jeweiligen Modellvorstellungen (Habelitz-Tkotz, 2006, S. 22) (Barke, Harsch, Günther, Marohn, & Krees, 2015, S. 149)

Tabelle 2: Übersicht der ausgewählten Fachinhalte der Sekundarstufe II der Fächer Chemie, Physik und Biologie, für die das Vorwissen über den Aufbau der Materie bedeutsam ist. (Niedersächsisches Kultusministerium, 2017; Niedersächsisches Kultusministerium, 2017a; Niedersächsisches Kultusministerium, 2017b)

Tabelle 3: Verteilung der Fächer nach absoluter und relativer Häufigkeit, Erstfach/Zweitfach

Tabelle 4: Absolute und relative Häufigkeiten der Geschlechter und Fächerzugehörigkeit

Tabelle 5: Absolute und relative Häufigkeiten über den Besuch einer chemischen Grundvorl esung

Tabelle 6: Häufigkeiten und Prozent des Besuchs einer chemischen Grundvorlesung, Variable: Fach

Tabelle 7: Chi-Quadrat Test und Effektstärke nach Cramer-V für den Besuch einer chemischen Grundvorlesung, Variable: Fach

Tabelle 8: Absolute und Relative Häufigkeiten der Länge des Chemieunterrichts, Variable: Fach

Tabelle 9: Werte für Cronbachs Alpha der beiden Themenblöcke II & III

Tabelle 10: Werte für Cronbachs Alpha bei Aussonderung einzelner Items für Themenblock II

Tabelle 11: Werte für Cronbachs Alpha bei Aussonderung einzelner Items für Themenblock

Tabelle 12: Korrigierte Werte für Cronbachs Alpha für Themenblock II und III

Tabelle 13: Rotierte Komponentenmatrix der Items aus Themenblock II. Die Rotation ergibt zwei Hauptkomponenten

Tabelle 14: Rotierte Komponentenmatrix der Items aus Themenblock III. Die Rotation ergibt drei Hauptkomponenten

Tabelle 15: Ergebnisse des Mehrfachantwortsets zum Vorwissen zum Aufbau der Materie. .45 Tabelle 16: Häufigkeiten der Kategorien für die Skizze des Atommodelles nach Dalton

Tabelle 17: Häufigkeiten der Kategorien für die Skizze des Atommodelles nach Rutherford

Tabelle 18: Häufigkeiten und Prozent der Skizze Atommodell nach Rutherford, Variable: Fach

Tabelle 19: Chi-Quadrat-Test und Effektstärke nach Cramer V: Atommodell nach Rutherford, Variable: Fach

Tabelle 20: Kruskal-Wallis-H Test für die Skizzen der Atommodelle nach Dalton und Rutherford, Variable: Länge des Chemieunterrichts

Tabelle 21: Mittlere Ränge für die Skizzen der Atommodelle nach Dalton und Rutherford, Variable: Länge des Chemieunterrichts

Tabelle 22: Häufigkeiten der Kategorien für die Skizze des Atommodelles nach Bohr

Tabelle 23: Häufigkeiten und Prozent der Skizze Atommodell nach Bohr, Variable: Fach

Tabelle 24: Chi-Quadrat-Test und Effektstärke nach Cramer V: Atommodell nach Bohr, Variable: Fach

Tabelle 25: Relative Häufigkeiten der erhobenen Daten zu Vorstellungen vom Aufbau der Materie

Tabelle 26: Mann-Whitney-U und Kruskall-Wallis-H-Test für Themenblock II: Vorstellung zum Aufbau der Materie

Tabelle 27: Mittlere Ränge der Hauptkomponenten 2.1 und 2.2, Variable: Fach und Besuch einer chemischen Grundvorlesung

Tabelle 28: Relative Häufigkeiten der erhobenen Daten zu Vorstellungen zu den Aggregatzuständen

Tabelle 29: Mann-Whitney-U und Kruskall-Wallis-H-Test für Themenblock III: Vorstellungen zu den Aggregatzuständen

Tabelle 30: Mittlere Ränge der Hauptkomponente 3.1, Variable: Länge des eigenen Chemieunterrichts

Tabelle 31: Mittlere Ränge für alle Hauptkomponenten von Themenblock II & III, Variablen: Fach und Besuch einer chemischen Grundvorlesung

Tabelle 32: Absolute und relative Häufigkeiten des Mehrfachantwortsets: Verhalten von Wassermolekülen beim Verdampfen

Tabelle 33: Absolute und relative Häufigkeiten des Mehrfachantwortssets IV. 1, Variable: Länge des Chemieunterrichts

Tabelle 34: Chi-Quadrat-Test Item IV.1, Variable: Länge des Chemieunterrichts

Tabelle 35: Kategorien und ihre Häufigkeiten: Verhalten von Wassermolekülen beim Verdampfen

Tabelle 36: Absolute und relative Häufigkeiten des Mehrfachantwortsets: Verhalten von Teilchen beim Erhitzen

Tabelle 37: Absolute und relative Häufigkeiten des Mehrfachantwortsets: Verhalten von Teilchen beim Abkühlen

Tabelle 38: Absolute und relative Häufigkeiten der erhobenen Daten zu Item IV.4: Verhalten von Gasteilchen im geschlossenen System

Tabelle 39: Kategorien und ihre Häufigkeiten: Verhalten von Gasteilchen in einem geschlossenen Gefäß

Tabelle 40: Chi-Quadrat-Test und Effektstärke nach Cramer V: Kategorien Item IV.4, Variable: Fach und Besuch einer chemischen Grundvorlesung

Tabelle 41: Absolute und relative Häufigkeiten der Nennung der Kategorien Item IV.4, Variable: Fach

Tabelle 42: Absolute und relative Häufigkeiten der Nennung der Kategorien Item IV.4, Variable: Besuch einer chemischen Grundvorlesung

Tabelle 43: Häufigkeiten und gültige Prozent der Kategorien zu Skizze IV.5a (Mehrfachnennung)

Tabelle 44: Häufigkeiten und gültige Prozent der Kategorien zu Skizze IV.5b (Mehrfachnennung)

Tabelle 45: Relative Anzahl der erfüllten Kategorien zur Zeichnung von Item IV.5.1

Tabelle 46: Mann-Whitney-U Tests für Item IV.5.1, Variable: Fach und Besuch einer chemischen Grundvorlesung

Tabelle 47: Mittlere Ränge für Item IV.5.1, Anzahl der erfüllten Kategorien. Variable: Fach und Besuch einer chemischen Grundvorlesung

Tabelle 48: Häufigkeiten und gültige Prozent der Kategorien: Begründungen der Skizzen für Item IV.5.2 (Mehrfachnennung)

Tabelle 49: Absolute und relative Häufigkeiten der Kategorien (Mehrfachnennung), Variable: Fach

Tabelle 50: Chi-Quadrat Test, Häufigkeiten der Kategorien, Variable: Fach

Kurzfassung

Bundesweit mangelt es zunehmend an Naturwissenschaftslehrkräften, vor allem an Fachkräften in den Fächern Chemie und Physik (Niedersächsisches Kultusministerium, 2018a, S. 1). Um diesen Bedarf zu decken, werden neben Quereinsteigern vermehrt fachfremde Lehrkräfte für den entsprechenden Unterricht eingesetzt. Zudem wird das fachfremde Unterrichten durch die Einführung des integrierten Naturwissenschaftsunterrichts im zuge der Einführung der Bil­dungsstandards für die Fächer Biologie, Physik und Chemie zusätzlich herbeigeführt.

Da der integrierte Naturwissenschaftsunterricht die Fächer Biologie, Physik und Chemie um­fasst, Naturwissenschaftslehrkräfte jedoch in der Regel ein studium über zwei Fächer absol­viert haben, besitzen diese in mindestens ein Fach kein ausreichendes Professionswissen. Somit wird durch das Fach integrierte Naturwissenschaft das fachfremde Unterrichten zusätzlich her­beigeführt, aber auch kaschiert, da angenommen wird, Naturwissenschaftslehrkräfte besitzen Professionswissen für alle drei Fächer des Naturwissenschaftsunterrichts.

Für einen erfolgreichen und kognitiv anregenden Unterricht ist es jedoch maßgeblich, dass die Lehrkraft ein fundiertes Professionswissen vorweist. Dabei ist das fachdidaktische Wissen, aber vor allem auch ein fundiertes Fachwissen maßgeblich, um die curricularen Inhalte adäquat zu vermitteln (Riese & Reinhold, 2012, S. 114). Ein essentieller Fachinhalt des Faches Chemie stellt der Aufbau der Materie dar, der spiralcurricular in der gesamten Sekundarstufe I Anknüp­fungspunkte findet. Doch auch in den Fächern Biologie und Physik finden sich curriculare In­halte zu diesem Fachinhalt (Niedersächsisches Kultusministerium, 2015). Zudem liefert diese Thematik essentielles Vorwissen für die curricularen Inhalte der Sekundarstufe II für alle drei Fächer der Naturwissenschaften.

Folglich müssen auf Grund des stetigen Fachkräftemangels, aber auch auf Grund des verbrei­teten Naturwissenschaftsunterrichts zukünftige Biologie- und Physiklehrkräfte davon ausge­hen, Chemie mit hoher Wahrscheinlichkeit fachfremd (disziplinär oder integriert) unterrichten zu müssen. Demnach ist ein fächerübergreifendes Professionswissen zukünftiger Naturwissen­schaftslehrkräfte, unter anderem zum Aufbau der Materie, unerlässlich.

Etliche Studien belegen alternative Vorstellungen von Schülerinnen und Schülern, die unter anderem durch das mangelnde Professionswissen seitens der Lehrkraft evoziert oder aufrecht­erhalten werden (Kikas, 2004, S. 433 f.).

Im Rahmen dieser Studie werden nun die Vorstellungen und das Fachwissen zukünftiger Bio­logie- und Physiklehrkräfte fokussiert. Um die Lehrerbildung adäquat weiterzuentwickeln, ist es Ziel dieser Studie, explorativ zu untersuchen, welche Vorstellungen und welches Fachwissen zukünftige Biologie- und Physiklehrkräfte besitzen.

Diese wurden im Rahmen dieser Studie mittels einer quantitativen Fragebogenstudie erhoben. Die Studie zeigt, dass nur ein geringer Teil zukünftiger Biologie- und Physiklehrkräfte über ein fundiertes Fachwissen zum Aufbau der Materie verfügt. Bei den Ergebnissen fällt vor allem eine Vermischung der submikroskopischen und makroskopischen Ebene auf. Nur ein Drittel der Befragten können allgemeinen Aussagen zur Homogenität zwischen makroskopischer und submikroskopischer fachlich korrekt beurteilen. Ein weiterer Aspekt sind die submikroskopi­schen Vorgänge und Wechselwirkungen, bei denen es vor allem zukünftigen Biologielehrkräf­ten an differenziertem Fachwissen fehlt, um Vorgänge auf submikroskopischer Ebene mitei­nander in Bezug zu setzen. Ferner kann festgestellt werden, dass die Länge des Chemieunter­richts und vor allem der Besuch eines Leistungskurses im Fach Chemie einen positiven Einfluss auf das Fachwissen zukünftiger Biologie- und Physiklehrkräfte zum Aufbau der Materie hat.

Abstract

In Germany, there is a growing demand for science teachers, especially in chemistry and phys­ics (Niedersächsisches Kultusministerium, 2018, p. 1). In order to meet this demand, non-spe­cialist teachers are increasingly being hired for the corresponding positions in addition to career changers. In addition, non-specialist teaching is additionally brought about by the introduction of integrated science in the course of the introduction of educational standards.

Integrated science in school includes the subjects biology, physics and chemistry, but science teachers have usually completed an academic degree in two of those subjects. Hence, the re­quested level of professional knowledge is not sufficient in at least one of these subjects. Thus, integrated science additionally introduces non-specialist teaching but also conceals it, since it is assumed that science teachers have professional knowledge of all three subjects of science education.

For a high-quality and cognitively activating teaching, however, it is essential that the teacher has a sound professional knowledge, including a subject-didactic knowledge and most im­portantly, a sound specialist knowledge. Both are necessary to adequately convey the curricular content (Riese & Reinhold, 2012, p. 114). An essential subject of chemistry is the structure of matter, which represents a connecting factor throughout Lower Secondary School. However, there is curricular content linked to this subject matter in biology and physics as well (Niedersächsisches Kultusministerium, 2015). In addition, this functions as a base of essential prior knowledge for the curriculum content of upper secondary education for all three subjects of sciences.

Consequently, due to the constant shortage of skilled employees but also due to the widespread of integrated science future biology and physics teachers must assume that they may have to teach chemistry as well (disciplinary or integrated). Accordingly, interdisciplinary professional knowledge, including the structure of matter, is essential for future science teachers.

Several studies prove misconceptions of students that are evoked or sustained by the teachers missing professional knowledge (Kikas, 2004, p. 443 f.). This study focuses on the misconcep­tions and professional knowledge of future biology and physics teachers. In order to further develop the teacher education, it is necessary to explore, which misconceptions and what level of expertise are existing for future biology and physics teachers towards the structure of matter. This data was collected as part of this study using a quantitative questionnaire study. The study shows that only a part of future biology and physics teachers have a sound knowledge of the structure of matter. The results show a blending of submicroscopic and macroscopic levels. Just on third of the respondents are able to judge general statements about the homogeneity between macroscopic and submicroscopic levels in a technically correct manner. The respondents find it easier to judge precise statements, especially with regards to the states of matter. Another aspect is the submicroscopic processes and interactions. In this area, particular the future biol­ogy teachers lack a differentiated expertise to relate the submicroscopic processes with each other. It can also be stated that the length of chemistry lessons and the attendance of a higher chemistry course has a positive influence on the professional knowledge of the structure of matter of future biology and physics teachers.

1 Einleitung

Die Vielzahl an Studien über Schülervorstellungen zum Aufbau der Materie zeigen eine Fülle an unterschiedlichsten Vorstellungen, bei denen vor allem ein Konsens über die Vermischung von makroskopischen Eigenschaften von Stoffen mit ihren submikroskopi­schen Eigenschaften herrscht. Als einer der Gründe für die Herkunft dieser Vorstellungen werden unterrichtliche Faktoren, wie beispielsweise fehlendes Fachwissen, fehlende Fachsprache, der unangemessene Einsatz von Modellen oder missverständliche Visuali­sierungen angeführt (Kikas, 2004, S. 433 f.; Horton, 2007, S. 7 f.).

Doch wieso kommen diese Faktoren überhaupt zur Sprache, wenn davon ausgegangen werden kann, dass Chemielehrkräfte eine fundierte Lehrerbildung absolviert haben und dabei immer wieder auf ihr Fachwissen und fachdidaktischen Wissens geprüft wurden? Eine mögliche Antwort erschließt sich aus dem zunehmenden fachfremden Unterricht, der aktuell vor allem aus dem Mangel an Fachlehrkräften der Fächer Chemie und Physik zum Tragen kommt (Niedersächsisches Kultusministerium, 2018a, S. 1).

Im Jahr 2012 wurden bundesweit die Unterrichtsfächer Physik, Chemie und Biologie von jeweils 18 %, 10 % bzw. 13 % fachfremden Lehrkräften unterrichtet (Gewerkschaft Erziehung und Wissenschaft, 2016). Ferner wurde durch die Einführung des Faches inte­grierte Naturwissenschaften in Folge der PISA Studie im Jahr 2000, das fachfremde Un­terrichten zusätzlich herbeigeführt. Da die Lehrerbildung in der Regel das Studium zweier Unterrichtsfächer vorsieht, unterrichten Naturwissenschaftslehrkräfte im Rahmen des in­tegrierten Naturwissenschaftsunterrichtes mindestens ein Fach fachfremd. Daraus folgt unabdingbar ein unzureichendes Professionswissen der Lehrkraft, welches unentbehrlich für einen qualitativ hochwertigen Unterricht ist (Vogelsang & Cauet, 2017, S. 77).

Vor diesem Hintergrund kann angenommen werden, dass zukünftige Physik- und Biolo­gielehrkräfte das Fach Chemie mit großer Wahrscheinlichkeit fachfremd unterrichten werden und dafür kein ausreichendes Professionswissen zur Verfügung haben, wodurch die Relevanz der hier vorliegenden Forschungsarbeit transparent wird.

Diese erörtert explorativ die Vorstellungen und das Fachwissen als eines der Dimensio­nen von Professionswissen zukünftiger Biologie- und Physiklehrkräfte zu einem essenti­ellen Fachinhalt aus der Fachdisziplin Chemie - dem Aufbau der Materie. Dieser Fachin­halt findet spiralcurriculare Anwendung in der Sekundarstufe I für das Fach Chemie und wird zudem durch das Niedersächsische Kerncurriculum (2015) legitimiert. Die Relevanz wird durch die Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten, nicht nur im Fach Chemie, son­dern auch in den Fächern Biologie und Physik deutlich. Zudem ist das Wissen über den

Aufbau der Materie unabdingbar für das Verständnis der Inhalte der Sekundarstufe II, nicht nur des Faches Chemie, sondern auch der Fächer Biologie und Physik.

Die Erhebung der Vorstellungen erfolgte mittels einer quantitativen Fragebogenstudie mit insgesamt 118 Lehramtsstudierenden, davon 61 zukünftige Biologie- und 57 zukünf­tige Physiklehrkräfte an der universität Oldenburg.

Im theoretischen Teil dieser Arbeit wird zunächst ein Überblick über Gründe und dem Ausmaß fachfremden unterrichts gegeben und dabei die Fächer Biologie, Physik und Chemie in den Fokus gesetzt. Ferner wird der integrierte Naturwissenschaftsunterricht beleuchtet, der die Fächer Biologie, Physik und Chemie zusammenfasst und seit den PISA-Ergebnissen aus dem Jahr 2000 als eine mögliche Strategie angesehen wird, die naturwissenschaftlichen Schülerleistungen zu verbessern.

Vor diesem Hintergrund wird anschließend das Professionswissen von Lehrkräften erör­tert. Nach einer ersten allgemeinen Begriffsbestimmung wird folgend das nötige Profes­sionswissen für die Vermittlung des hier thematisierten Fachinhaltes, dem Aufbau der Materie, aufgeführt. Dabei liegt der Fokus dieser Arbeit vor allem auf dem Fachwissen über dem Aufbau der Materie. Es folgt eine curriculare Analyse ausgewählter Nieder­sächsischer Kerncurricula, die die Relevanz des fachlichen Schwerpunktes der Forschung aufzeigen.

Im praktischen Teil folgt die Diskussion eines geeigneten Forschungsdesigns hinsichtlich der aufgestellten Fragestellungen. Das Forschungsinstrument wird vorgestellt, sowie die Auswertmethodik begründet. Anschließend werden die empirischen Ergebnisse vorge­stellt, wobei sowohl allgemeine Vorstellungen und Fachwissen zum Aufbau der Materie als auch über konkrete Sachverhalte auf submikroskopischer Ebene am Beispiel der Ag­gregatzustände dargelegt werden. In einer anschließenden Diskussion werden vernetzte Beziehungen der Ergebnisse erörtert, um einen Gesamtüberblick über die Ergebnisse der Forschungsarbeit zu erlangen und schließlich daraus mögliche Schlussfolgerungen auf eine Weiterentwicklung der Lehrerbildung zu ziehen. Die Forschungsarbeit schließt mit einem Ausblick ab, in dem weitere Anknüpfungspunkte für mögliche zukünftige For­schungsaspekte diskutiert werden.

2 Fachfremd unterrichten

In den Naturwissenschaften Chemie und Physik herrscht an allen allgemeinbildenden Schulen ein stetiger Mangel an ausgebildeten Fachkräften (Niedersächsisches Kultusministerium, 2018a, S. 1). Entsprechend werden die fachspezifischen Bedarfe durch unterschiedliche Strategien von Seiten des Kultusministeriums zu decken versucht. Zum einen werden vermehrt Quereinsteiger ohne klassische Lehrerbildung in den Schul­dienst eingestellt. Dieser Anteil lag bei Gymnasiallehrkräften aller Fächerrichtungen am Stichtag 17.08.2018 bei 0,15 % und bei integrativen sowie kooperativen Gesamtschulen bei 1,48 % bzw. 0,45 % (Niedersächsischer Landtag, 2018, S. 2).

Darüber hinaus werden Lehrkräfte von anderen Schulformen abgeordnet, die zwar die entsprechende fachspezifische unterrichtsbefähigung aufweisen, jedoch für eine andere Schulform ausgebildet wurden. Letzte Zahlen liegen zum Stichtag 22.09.2014 vor, bei dem 5439 Lehrkräfte in Niedersachsen an Schulformen eingesetzt wurden, die nicht ihrer Lehrbefähigung entsprechen (Niedersächsischer Landtag, 2015, S. 3). Ferner werden auch immer mehr fachfremde Lehrkräfte in den unterrichtsfächern mit mangelndem Fachpersonal eingesetzt. Lehrkräfte unterrichten fachfremd, sofern sie ein unterrichts­fach unterrichten, obwohl ihnen die formale Qualifikation bzw. die entsprechende Lehr­befähigung für dieses Unterrichtsfach fehlt (Porsch, 2016, S. 11). Von Seiten des Instituts zur Qualitätsentwicklung im Bildungswesen liegen zuletzt Zahlen für das Jahr 2012 vor. Demzufolge wurden im Jahr 2012 bundesweit die Unterrichtsfächer Physik, Chemie und Biologie von jeweils 18 %, 10 % bzw. 13 % fachfremden Lehrkräften unterrichtet (Gewerkschaft Erziehung und Wissenschaft, 2016).

Der fachfremde Unterricht ist dabei von Seiten des niedersächsischen Schulgesetzes kei­neswegs ausgeschlossen, sondern in gegebenen Situationen durchaus erwünscht und ver­tretbar. So lautet es nach Paragraph 51 im Niedersächsischen Schulgesetz: „Die Lehr­kräfte erteilen Unterricht grundsätzlich in solchen Fächern und Schulformen, für die sie die Lehrbefähigung erworben haben. [...] Die Lehrkräfte [haben] in anderen Fächern und Schulformen [Unterricht] zu erteilen, wenn es ihnen nach Vorbildung [...] zugemutet wer­den kann und für den geordneten Betrieb der Schule erforderlich ist.“ (Land Niedersachsen, 1998, S. 37).

In den Naturwissenschaften Chemie, Physik und Biologie wird das Ausmaß des fachfremden Unterrichtens zudem mit der Einführung des Faches Naturwissenschaftsun­terricht, der die Fächer Chemie, Physik und Biologie zusammenfasst, verstärkt, aber auch weitgehend kaschiert, da im Rahmen dieses Faches das Unterrichten einer Lehrkraft, die mindestens ein Fach der Naturwissenschaften studiert hat, nicht als fachfremdes Unter­richten betrachtet wird.

Auf Grund der unterdurchschnittlichen Leistungsergebnisse deutscher Schülerinnen und Schüler in der Vergleichsstudie PISA im Jahre 2000 (Baumert, et al., 2001, S. 229) wurde das integrierte Fach Naturwissenschaften als eine mögliche Strategie zur Verbesserung naturwissenschaftlichen Unterrichts gesehen. So sollen die einzelnen Fachdisziplinen in­tegriert betrachtet sowie mehr Hauptfachcharakter erlangen und somit mehr Aufmerk­samkeit hinsichtlich der Unterrichtsqualität erfahren (Baumert, et al., 2001, S. 233).

Da in Niedersachsen die Lehrerbildung in erster Linie das Studium zweier Unter­richtsfächer vorsieht¹, unterrichten Naturwissenschaftslehrkräfte im Rahmen des Natur­wissenschaftsunterricht in der Regel mindestens ein Fach fachfremd (Brovelli, 2014, S. 22). Auch wenn für Niedersachsen für die Anzahl der Lehrkräfte, die das Fach Naturwis­senschaften (fachfremd) unterrichten, keine konkreten Zahlen von Seiten des Kultusmi­nisteriums herausgegeben wurden, liegen im deutschsprachigen Raum zumindest Daten für das Land Baden-Württemberg vor. Nach der Studie von Bröll und Friedrich (2012) haben von 954 Lehrkräften, die das Fach Naturwissenschaften unterrichten, 68,7 % nur eines der drei Fächer chemie, Biologie und Physik studiert, wobei das Fach Biologie am stärksten vertreten ist. 19,6 % haben zwei Fächer der Naturwissenschaften studiert und nur 1,4 % haben alle drei naturwissenschaftlichen Fächer studiert. 10,3 % der Lehrkräfte unterrichten vollkommen fachfremd (siehe Abbildung 1) (Bröll & Friedrich, 2012, S. 182).

Vor dem Hintergrund des noch aktuellen Mangels an Chemielehrkräften an nieder­sächsischen Gymnasien kann also angenommen werden, dass zukünftige Biologie- und Physiklehrkräfte auch in Niedersachsen mit hoher Wahrscheinlichkeit das Fach Chemie fachfremd (disziplinär oder integriert im Naturwissenschaftsunterricht) unterrichten wer­den, wodurch sie die Frage stellt inwiefern dies, mit den Worten des Niedersächsischen Schulgesetzes, auf Grund ihrer Lehrerbildung zumutbar ist.

3 Professionswissen von Lehrkräften zum Aufbau der Materie

3.1 Professionswissen im Allgemeinen

Professionswissen von Lehrkräften gilt als eines der bedeutenden Aspekte professioneller Kompetenz von Lehrkräften und stellt in der Lehrerbildungsforschung eine wichtige Vo­raussetzung für guten und erfolgreichen Unterricht dar (Vogelsang & Cauet, 2017, S. 77). Dabei umfasst das Professionswissen die Dimensionen Fachwissen, fachdidaktisches Wissen und dem allgemeinen pädagogischen Wissen (Riese & Reinhold, 2012, S. 113). Nach Riese & Reinhold wird dabei das fachdidaktische wissen als solches wissen ver­standen, das die Lehrkräfte brauchen, um Inhalte ,,[...] zu strukturieren, darzustellen, zu erklären und zu vernetzen [...]“ (Riese & Reinhold, 2012, S. 114). Das Fachwissen hin­gegen stellt das vertiefte Hintergrundwissen über die Inhalte, die im Kerncurriculum ver­ankert sind und darüber hinaus gehen, dar, welches unabdingbar Voraussetzung für das didaktische aufbereiten der Fachinhalte und der Konzeption eines kognitiv anregenden Unterrichtes ist (Riese & Reinhold, 2012, S. 114). Das allgemein pädagogische Wissen versteht sich eher als interdisziplinäres fachunabhängiges Konstrukt (Riese & Reinhold, 2012, S. 114) und soll hinsichtlich der hier behandelten Fragestellungen vorerst ausge­klammert werden.

3.2 Professionswissen zum Aufbau der Materie

Das Professionswissen von Lehrkräften, welches benötigt wird, um den Fachinhalt zum Aufbau der Materie erfolgreich vermitteln zu können, wird im Folgenden explizit nach den Dimensionen Fachwissen und fachdidaktisches Wissen dargelegt.

3.2.1 Dimension Fachwissen

3.2.1.1 Atomarer Aufbau der Materie

Bereits seit 400 v. Chr. existieren Vorstellungen über den Aufbau der Materie. Aktuelle Studien, vor allem aus dem Bereich der Physik, nennen eine Vielzahl an Elementarteil­chen, die den strukturellen Aufbau von Atomen erklären. Um den atomaren Aufbau der Materie in der Schule zu vermitteln reicht jedoch die Betrachtung der drei wesentlichen Elementarteilchen Protonen, Neutronen und Elektronen aus. Strukturell tiefer gehende Betrachtungen werden für diese Forschungsarbeit ausgeklammert.

Atome bestehen aus einem Atomkern und einer Atomhülle, die den Kern umgibt. Der Kern setzt sich dabei aus Protonen und Neutronen zusammen und in der Kernhülle befinden sich die Elektronen. Neutronen weisen keine Ladung auf, sie sind also elektrisch

neutral. Protonen hingegen sind positiv und Elektronen negativ geladene Teilchen (Riedel & Meyer, 2013, S. 4). Der Betrag der Ladung des Protons bzw. Elektrons entspricht der Elementarladung e = 1,6022 10-19 Coulomb (Riedel & Meyer 2013, S. 4).

Protonen und Neutronen weisen nahezu die gleiche Masse von etwa 10-27 kg auf, während Elektronen nur eine Masse von etwa 10-30 kg aufweisen. Die Masse eines Atoms wird in der atomaren Masseneinheit и angegeben, die definiert ist als ein zwölftel der Masse eins Atoms des Kohlenstoffnuklids 12C. Durch die Wahl der Größenordnung entspricht die Größe eines Neutrons bzw. Protons jeweils ungefähr 1 и = 1,6606 10~27kg (Riedel & Meyer, 2013, S. 4 f.).

Protonen und Neutronen werden auch als Nukleonen bezeichnen, sind im Zentrum des Atoms lokalisiert und bilden den insgesamt positiv geladenen Atomkern, der nahezu die gesamte Masse des Atoms enthält. Der Atomkern weist einen Radius in der Größenord­nung von 10-14 bis 10-15 m auf, wohingegen der Atomradius im Bereich von 10-10 m liegt und somit ein Quadratzentimeter Materie ca. 1023Atome enthält (Riedel & Meyer 2013, S. 5).

3.2.1.2 Aggregatzustände

Materie kann in drei verschiedenen Aggregatzuständen vorliegen: fest, flüssig und gas­förmig. Dabei zeichnen sich feste stoffe durch eine stabile äußere Form und ein definier­tes Volumen aus. Flüssige Stoffe besitzen ebenfalls ein definiertes Volumen, aber keine stabile Form. Gasförmige Stoffe besitzen hingegen weder eine stabile Form noch ein de­finiertes Volumen, sie füllen jeden zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus (Mortimer & Müller, 2010, S. 7). In welchen Aggregatzustand (thermodynamisch auch Phase genannt) ein Stoff vorliegt ist von der Temperatur und dem Druck abhängig und wird anhand eines Phasendiagramms visualisiert (Riedel & Meyer, 2013, S. 145). Abbil­dung 2 zeigt ein Phasendiagramm am Beispiel von Kohlenstoffdioxid:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid (Riedel & Meyer, 2013, S. 148)

Die Dampfdruckkurve stellt die Wertepaare da, bei der die flüssige Phase mit der Gas­phase um Gleichgewicht stehen. Die schmelzkurve entspricht den wertepaaren, bei Gleichgewichtsbedingungen, zwischen fester und flüssiger Phase und die Sublimations­kurve visualisiert die Wertepaare, bei der festes Kohlenstoffdioxid mit gasförmigen Koh­lenstoffdioxid im Gleichgewicht steht (Riedel & Meyer, 2013, S. 145 ff.).

Liegt der Punkt eines Wertepaares nicht auf einer der zuvor genannten Kurven, sondern beispielsweise im Bereich der festen Phase, liegt nur die entsprechende Phase vor. Am Triplepunkt fallen die Dampfdruck-, Schmelz- und Sublimationskurve zusammen. Dort liegen alle drei Phasen miteinander im Gleichgewicht vor (Mortimer & Müller, 2010, S. 181). Aus thermodynamischer Sicht existiert eine vierte homogene Phase oberhalb des kritischen Punktes, das überkritische Fluid, bei der die Grenzflächen zwischen den Pha­sen nichtmehr existieren (Atkins & de Paula 2006, S. 127). Diese Phase wird im Folgen­dem jedoch außer Acht gelassen, da es für die geplante Studie nicht relevant ist.

Bei der Betrachtung des Phasendiagrammes von Wasser (siehe Abbildung 3) kann beo­bachtet werden, dass die Steigung der Schmelzkurve im Gegensatz zu der Schmelzkurve von Kohlenstoffdioxid einen negativen Wert aufweist. Mit zunehmendem Druck sinkt also die Schmelztemperatur (Atkins & de Paula, 2006, S. 130).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Phasendiagramm von Wasser (Riedel & Meyer, 2013, S. 145)

Der Grund liegt in der Dichteanomalie des Wassers. Im Gegensatz zu den meisten ande­ren Flüssigkeiten nimmt das Volumen beim Gefrieren unter Abnahme der Dichte um 9 % zu (Hollemann, Wiberg, & Wiberg, 2017, S. 528). Dies ist durch die Wasserstoffbrücken bedingt, die die Wasser-Moleküle untereinander zusammenhalten. Beim Gefrieren ord­nen sich die Wasser-Moleküle um, wodurch das Eis auf molekularer Ebene eine hohlräu- mige Struktur aufweist und es so mehr Raum einnimmt (Atkins & de Paula, 2006, S. 131; Mortimer & Müller, 2010, S. 173). Ferner nimmt im Temperaturbereich von 0 °C bis 4 °C die Dichte von flüssigem Wasser mit steigender Temperatur zu. Erst oberhalb von 4 °C nimmt die Dichte dann mit steigender Temperatur ab (Hollemann, Wiberg, & Wiberg, 2017, S. 528).

Die Änderung des Aggregatzustandes wird auch Phasenübergang genannt und findet Stoffabhängig bei gegebenem Druck an einer charakteristischen Temperatur, der Phasen­übergangstemperatur TTrans statt (Atkins & de Paula, 2006, S.127). Beim Sieden steigt die mittlere kinetische Energie der Teilchen (Moleküle, Atome) in der Flüssigkeit auf Grund der steigenden Temperatur. Am Siedepunkt ist die mittlere kinetische Energie der Teil­chen auf Grund der Temperatur groß genug, um die zwischenmolekularen Anziehungs­kräfte zu überwinden (Mortimer & Müller, 2010, S. 175). Die Flüssigkeit siedet. Dabei bleibt die Temperatur der Flüssigkeit so lange konstant, bis die gesamte Flüssigkeit ver­dampft ist (Mortimer & Müller, 2010, S. 177). Analog verhält es sich beim Schmelzen und bei der Sublimation. Beim Kondensieren sinkt die mittlere kinetische Energie und damit die mittlere Geschwindigkeit der Gas-Teilchen auf Grund von Temperaturabnahme und die zwischenmolekularen Anziehungskräfte beeinflussen die Ordnung der Teilchen, wodurch diese zwar ungeorndet, aber näher zusammengehalten werden (Mortimer & Müller, 2010, S. 169). Das Gas verflüssigt sich. Beim Gefrieren nimmt die mittlere kine­tische Energie der Teilchen ab und sie bewegen sich langsamer. Am Gefrierpunkt ist die kinetische Energie so gering, dass die intermolekularen Anziehungskräfte überwiegen und die Teilchen sich in ein geordnetes Kristallgitter einfügen, wo sie dann auf ihren festen Plätzen lediglich schwingen. Die Flüssigkeit gefriert (Mortimer & Müller, 2010, S. 170, 178 ).

3.2.1.3 Die Gasphase

Bei der Modellvorstellung von idealen Gasen wirken keine zwischenmolekularen Kräfte und ist das volumen der einzelnen Gas-Teilchen im Gegensatz zum Gesamtvolumen, welches das Gas ausfüllt, vernachlässigbar. Für ideale Gase existiert unter Zunahme der idealen Gaskonstante R = 3,144/ ■ К~г ■ то1~г eine einfache Beziehung zwischen den Zustandsgrößen Druck p, Temperatur T, Stoffmenge n und Volumen V, welche das ide­ale Gasgesetz beschreibt (Riedel & Meyer, 2013, S. 139 f.):

p - V = n- R - T

Gemäß der kinetischen Gastheorie befinden sich die Gas-Teilchen in ständiger, kontinuierlicher, schneller Bewegung. Dabei kommt es zwischen den Teilchen, aber auch zwischen Teilchen und Gefäßwand, zu elastischen Zusammenstößen, wobei Translati­onsenergie von einem Teilchen auf ein anderes Teilchen übertragen, insgesamt jedoch keine Energie verloren geht. Mit zunehmender Temperatur steigt die mittlere kinetische Energie und damit die mittlere Geschwindigkeit der Gas-Teilchen (Atkins & de Paula, 2006, S. 828 f.; Riedel & Meyer, 2013, S. 143). Dabei haben die Teilchen eine stoffab­hängig statistische Geschwindigkeitsverteilung, die Maxwell-Boltzmann-Geschwindig- keitsverteilung genannt wird (Mortimer & Müller, 2010, S. 160).

Abbildung 4 stellt die Geschwindigkeitsverteilung am Beispiel von Sauerstoff- und Was­serstoff-Molekülen bei einer Temperatur von 300 K dar:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Geschwindigkeitsverteilung von Sauerstoff- und Wasserstoff-Molekülen bei einer Temperatur von 300 K. (Riedel & Meyer, 2013, S. 144)

Bei Molekülen geringerer Masse, hier am Beispiel der Wasserstoff-Moleküle, ist die mitt­lere Geschwindigkeit größer und die Geschwindigkeitsverteilung diffuser als bei Mole­külen größerer Masse, hier den Sauerstoff-Molekülen. Das Maximum der mittleren Ge­schwindigkeit liegt in einem deutlich tieferen Bereich als bei den Wasserstoff-Molekülen. Für ein gegebenes Gas bei zwei unterschiedlichen Temperatur kann eine unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilung beobachtet werden (Abbildung 5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Schematische Darstellung der Verteilung der Molekülgeschwindigkeiten eines gege­benen Gases bei zwei verschiedenen Temperaturen (Mortimer & Müller, 2010, S. 160)

Bei Erhöhung der Temperatur verschiebt sich das Maximum der Kurve in den Bereich höherer Geschwin-digkeiten, die Anzahl der Teilchen mit höherer Geschwindigkeit nehmen zu, insgesamt steigt die mittlere Geschwindigkeit der Gas-Teilchen (Mortimer & Müller, 2010, S. 161).

Der Druck eines Gases entsteht nach der kinetischen Gastheorie durch die ständige Kollosionen der Teilchen mit der Gefäßwand. Wird also das Volumen eines Gases vergrößert, verringert sich die Dichte der Teilchen pro Volumeneinheit. Die Anzahl der stöße gegen die Gefäßwand verringert sich, wodurch sich schließlich auch der Gasdruck verringert. umgekehrt, erhöht sich der Druck bei abnehmendem Volumen, da die Dichte der Teilchen pro Volumeneinheit steigt und somit die Stöße gegen die Gefäßwand zunehmen. Wie anhand der Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung zu erkennen steigt die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen bei steigender Temperatur. Folglich steigt die Anzahl der Kollisionen gegen die Gefäßwand und damit auch der Druck des Gases (Atkins & de Paula, 2006, S. 9).

Die kinetische Gastheorie geht dabei unter anderem von einem Fehlen von Anziehungskräften aus. Bei Standarddruck (1 bar) und -temperatur (298,15 K) verhalten sich viele Gase nahezu ideal, in der Realtität zeigen Gase (reale Gae) jedoch vor allem bei hohen Drücken Abweichungen zum idealen Verhalten, da die strukturabhängigen zwischenmolekularen Wechselwirkungen nicht mehr vernachlässigbar sind (Bechmann & Schmidt, 2010, S. 21). Um beispielsweise das Kondensieren von Gasen erklären zu können, müssen zwischenmolekulare Anziehungskräfte existent sein (Mortimer & Müller, 2010, S. 162)

3.2.1.4 Die flüssige Phase

Die Teilchen von Flüssigkeiten befinden sich in ständiger Bewegung und ungeordneter Verteilung. Die zwischenmolekularen Kräfte wirken jedoch auf Grund der geringeren ki­netischen Energie der Teilchen und des damit verbundenen geringeren Abstandes zwi­schen den Teilchen stärker als in der Gasphase (Mortimer & Müller, 2010, S. 169 f.).

3.2.1.5 Die feste Phase

In der festen Phase haben alle Teilchen innerhalb eines Kristallgitters ihren festen Platz, wobei sich ihre Bewegungen auf Schwingungen auf ihrem Platz beschränken. Die Ord­nung des Kristallgitters ist symmetrisch, dreidimensional-periodisch (Mortimer & Müller, 2010, S. 184). Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen übersteigen die ki­netische Energie der Teilchen, woraus ein möglichst geringer Abstand zwischen ihnen resultiert. Entsprechend ist die Kompressibilität kristalliner Stoffe äußerst gering. Bei steigender Temperatur steigt das Volumen auf Grund der steigenden kinetischen Energie und damit der Bewegung der Teilchen auf ihren Plätzen, jedoch um ein vielfaches weni­ger als beispielsweise in der flüssigen Phase (Binnewies, et al., 2016, S. 190).

3.2.2 Dimension Fachdidaktisches Wissen

3.2.2.1 Lernen am Modell

Modelle besitzen drei wesentlich Merkmale. Das Abbildungsmerkmal beschreibt das Mo­dell als eine Abbildung bzw. Repräsentation von natürlichen oder künstlichen Originalen. Das Verkürzungsmerkmal beschreibt das Merkmal von Modellen, bei dem das Modell nicht alle Eigenschaften des Originals aufweisen, sondern nur diejenigen, die für den je­weiligen Kontext von Relevanz sind. Dass Modelle ihren originalen nicht durchweg ein­deutig zugeordnet sind und ihre Repräsentationsfunktion lediglich für bestimmte Sub­jekte und dies unter Einschränkungen auf bestimmte gedankliche oder tatsächliche Ope­rationen aufweisen, wird durch das Subjektivierungsmerkmal beschrieben (Stachowiak, 1973, S. 131 ff.).

In der Naturwissenschaft können Modelle naturwissenschaftliche Phänomene ver­anschaulichen, wodurch neue Erkenntnisse und damit unbekannte Aspekte der Umwelt erschlossen werden können (Nerdel, 2017, S. 194). Kirchner schreibt zudem der Verwen­dung von Modellen in der Naturwissenschaft einen wesentlichen Erkenntnisprozess zu. Dabei nimmt Kirchner an, dass eine direkte Erkenntnis des Objektes, also ein expliziter Lerngegenstand durch ein Subjekt, z. B. den Schülerinnen und Schülern nicht möglich ist, sondern lediglich über ein Modell bzw. einer Modellvorstellung verlaufen kann. Folg­lich kann mit Hilfe des Modells beispielsweise das unbekannte Verhalten eines Objektes prognostiziert oder ein Modell gesucht werden, das bestimmte Merkmale oder Verhal­tensweisen eines Objektes erklären kann (Kirchner, Girwidz, & Häußler, 2009, S. 735). So fungiert das Modell als Vermittler zwischen dem Subjekt und dem Objekt, wobei stets die drei zuvor genannten Merkmale nach Stachowiak zum Tragen kommen können. Be­sonders im Chemieunterricht sind Modelle wichtige Denkhilfen für die Hypothesenbil­dung und liefern zudem Einsicht in die komplexen Strukturen auf submikroskopischer Ebene (Pfeifer, Lutz, & Bader, 2002, S. 54).

Da sich der Aufbau der Materie auf atomarer und molekularer Ebene für die Schü­lerinnen und Schüler auf Grund ihrer Komplexität und mathematischer Behandlung nicht im Original veranschaulichen lässt, sowie nicht visuell oder haptisch erfahrbar ist, ist hier der Einsatz von Modellvorstellungen unabdingbar (Pfeifer, Lutz, & Bader, 2002, S. 50). Somit können makroskopische Beobachtungen auf submikroskopische Vorgänge zurück­geführt und nachvollziehbar veranschaulicht werden, wie zum Beispiel das Sieden von wasser.

3.2.2.2 Modellvorstellungen zum Aufbau der Materie

Nachfolgend sind die wichtigsten Modellvorstellungen über den Aufbau der Materie zu­sammengefasst, welche bedeutend für den Chemieunterricht sind und es ermöglichen, den strukturellen Aufbau der Materie adressatengerecht zu vermitteln. Ferner werden im Anschluss ihre jeweiligen Möglichkeiten und Grenzen für die Vermittlung der entspre­chenden Fachinhalte aus dem Chemieunterricht aufgezeigt.

Der griechische Philosoph Demokrit stellt etwa 400 v. Chr. ein undifferenziertes Teilchenmodell auf, welches besagt, dass die Materie aus kleinen nicht weiter teilbaren Teilchen, den Atomen aufgebaut sei (Riedel & Meyer, 2013, S. 2).

Im Jahre 1808 erweitert Dalton den Atombegriff auf Grund genauer naturwissenschaftli­cher Überlegungen und verbindet nun den Atombegriff mit dem Elementbegriff. Nach Dalton bestehen chemische Elemente aus Atomen, die er, ebenso wie Demokrit, als kleinste, nicht weiter teilbare Teilchen definiert. Dabei weisen alle Atome eines Elemen­tes die gleiche Masse und Gestalt auf. Außerdem unterscheiden sich die Atome verschie­dener Elemente voneinander, woraus resultiert, dass jedes Element eine für ihn typische Atomsorte aufweist (Riedel & Meyer, 2013, S. 2). Abbildung 6 visualisiert schematisch ein Wasserstoff- und ein Sauerstoff-Atom nach Daltons Modellvorstellung.

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Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Wasserstoff-Atoms (links) und eines Sauerstoff-

Atoms (rechts). Eigens erstellte Grafik.

Bei einer chemischen Reaktion werden nach Dalton keine Atome zerstört, neu gebildet oder ein Atom eines Elementes in ein Atom eines anderen Elements umgewandelt. Es findet lediglich eine Umordnung der Atome statt. Ferner resultiert eine chemische Verbindung aus der Verknüpfung von Atomen verschiedener Elemente. Dabei sind in einer gegebenen Verbindung die Mengenverhältnisse und Art der Atome immer gleich.

Letzterer Aspekt baut maßgeblich auf die Erkenntnisse zum Gesetz der konstanten Proportionen nach J. Proust auf. Basierend darauf erweitert Dalton seine Theorie um das Gesetz der multiplen Proportionen. Demnach stehen in einer Verbindung der Elemente A und B die Massen der Atome A, die sich mit einer bestimmten Masse der Atomsorte B verbinden, in einem ganzzähligen Verhältnis zueinander (Mortimer & Müller, 2010, S. 16).

Rutherford erweitert 1911 den Atombegriff von Dalton und stellt ein neues differenzierteres Atommodell auf. Nach Rutherford besitzt ein Atom einen kleinen positiv geladenen Atomkern, der fast die gesamte Atommasse bedingt. Dieser Atomkern ist von der Atomhülle umgeben, der nahezu das gesamte Volumen des Atoms umfasst und in der sich die Elektronen bewegen. Abbildung 7 zeigt exemplarisch ein sauerstoffatom nach der Rutherfordschen Modellvorstellung.

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Abbildung 7: Schematische Darstellung des Sauerstoff-Atoms nach der Rutherfordschen Modell- vorstelluna. Eiaens erstellte Grafik.

Dabei ist der gesamte Atomdurchmesser ca. 100.000 mal größer als der Atomkern. Zudem ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen, wodurch das Atom insgesamt elektrisch neutral ist (Mortimer & Müller, 2010, S. 20).

Nur zwei Jahre später, 1913, entwickelt Bohr ein differenziertes Atommodell zunächst für das Wasserstoffatom. Nach Bohr bewegt sich dabei das Elektron des Wasserstoff-Atoms mit der Geschwindigkeit v auf einer Kreisbahn um den Kern herum (Riedel & Meyer, 2013, S. 27). Abbildung 8 stellt ein Sauerstoff-Atom nach der Bohrschen Atomvorstellung dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Schematische Darstellung des Sauerstoff-Atoms nach der Bohrschen Atomvorstel-lung. Eigens erstellte Grafik.

Die Energie eines Elektrons, welches sich auf einer Kreisbahn bewegt, setzt sich aus der Summe von potenzieller und kinetischer Energie zusammen. Da die potenzielle Energie durch die elektrische Anziehung zu stande kommt, ist sie direkt abhängig vom dem Radius der Kreisbahn, auf der sich das Elektron bewegt. Diese Annahme steht jedoch im widerspruch mit der Elektrodynamik, da nach ihr Elektronen Energie in Form von Licht und Wärme abstrahlen. Demnach würde dies einen ständigen Geschwindigkeitsverlust bedingen, wodurch das Elektron letztendlich spiralförmig in den Atomkern stürzen müsste. Somit schlussfolgerte Bohr, dass ein Atom nur ganz bestimmte Kreisbahnen aufweist, auf der sich ein Elektron strahlungsfrei bewegen kann. Die erlaubten Kreisbahnen sind dabei solche, bei denen der Bahndrehimpuls des Elektrons ein ganzzahliges Vielfaches einer Grundeinheit des Drehimpulses ist. Diese Grundeinheit ist direkt abhängig von der Planck-Konstante h = 6,626 IO-34/ s, einer fundamentalen Naturkonstante, die die Berechnung der Energie von elektromagnetischer Strahlung erlaubt (Riedel & Meyer, 2013, S. 28 f.). Daraus folgt, dass das Elektron keine beliebigen, sondern nur ganz bestimmte Energiewerte annehmen darf, die durch die Quantenzahl n bestimmt wird. Abbildung 9 zeigt in einem Energieniveauschema die möglichen Energiezustände am Beispiel des Wasserstoffatoms.

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Abbildung 9: Mögliche Energiezustände am Beispiel des Wasserstoffatoms. (Riedel & Meyer, 2013, S. 30)

Dabei ist Ei die Energie des Elektrons auf der ersten Bahn mit der Quantenzahl n=1. Die Energiewerte der weiteren Kreisbahnen werden wie folgt berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nimmt n einen Wert gegen unendlich an, ist das Elektron so weit vom Kern entfernt, dass keine Anziehungskräfte zwischen Kern und Elektron mehr wirken (Riedel & Meyer, 2013, S. 30).

Heisenberg widerspricht hingegen der Annahme von festen Kreisbahnen auf denen sich die Elektronen bewegen, und stellt 1927 seine Unschärferelation auf. Demnach sei es nicht möglich, gleichzeitig den Impuls und den Aufenthaltsort eines Elektrons zu bestimmen. Folglich muss angenommen werden, dass das Elektron nur zu einer gewissen Wahrscheinlichkeit an einem bestimmten Ort des Atoms vorzufinden ist. Daraus resultiert die Vorstellung einer über das Atom verteilten Elektronenwolke, die den Raum beschreibt, in dem sich das Elektron mit größter Wahrscheinlichkeit aufhält (Riedel & Meyer, 2013, S. 35 f.)

Das heute bedeutenste und genaueste Atommodell ist das Orbitalmodell. Dabei stellen die Orbitale eines Atoms dreidimensionalen Räume dar, in derer sich die Elektronen mit größter Wahrscheinlichkeit aufhalten. Die Größe des orbitals wird dabei von der Hauptquantenzahl n bestimmt. Die Nebenquantenzahl l gibt Auskunft über die Gestalt und die magnetische Quantenzahl mí beschreibt die Orientierung des Orbitals im Raum (Riedel & Meyer, 2013, S.42).

Abbildung 10 visualisiert die drei gängigsten Orbitale unabhängig ihrer räumlichen Orientierung. Das s-Orbital (Quantenzahl l=0) ist immer kugelsymmetrisch, p-Orbitale (l=1) sind zweiteilig hantelförmig und d-Orbitale vierteilig rosettenförmig. Die graphische Darstellung des p- und d-Orbitals ist dabei vereinfacht (Riedel & Meyer, 2013,

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Gestalt der Orbitale, die durch die Nebenquantenzahl I bestimmt wird. (Riedel & Meyer, 2013, S. 42)

Da der Einsatz der zuvor genannten Modelle nur innerhalb der jeweiligen Anwendungs­grenzen zulässig ist, ist für die Lehrkraft eine adressatengerechte und fachlich entspre­chende Modellwahl unabdingbar (Pfeifer, Lutz, & Bader, 2002, S. 54). Dementsprechend werden nachfolgend möglichen Anwendungsmöglichkeiten und -grenzen der zuvor ge­nannten Atommodelle aufgeführt (siehe Tabelle 1).

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¹ Das Land Niedersachsen sieht im Rahmen des Referendariats in der Regel eine Ausbildung in zwei Unterrichtsfä­chern vor, auch wenn weitere Unterrichtsfächer zuvor studiert wurden. Auf Antrag kann die Ausbildung in drei Unter­richtsfächern stattfinden, sofern das entsprechende Studienseminar dies zulässt (Niedersächisches Kultusministerium, 2018).