Chemie im BU

 

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Aufgabe

Durchsuchen Sie Bücher der Sek 1 und finden sie gegenüber der Vorlesung neue Themen, bei denen Chemie wichtig ist zum Verständnis des biologischen Phänomens. Erläutern Sie -nach dem Vorbild der Vorlesung- an einem Beispiel die chemische Dimension des Themas.

Ausgangslage

Aufgrund der strikten Unterrichtsfachtrennung der Naturwissenschaften in Biologie, Chemie und Physik, werden diese Fächer oftmals getrennt betrachtet. Hier soll gezeigt werden, dass diese Trennung nicht immer sinnvoll ist und in diesem konkreten Fall, wie eine Verbindung von Chemie und Biologie geschehen kann.

Biologie ist das von Schülerinnen und Schülern eher beliebte Fach, während sowohl Chemie als auch Physik als unbeliebt gelten (vgl. Merzyn 2008).

Es muss jedoch kritisch reflektiert werden, ob eine Trennung überhaupt möglich sein kann, da viele Phänomene und Gegebenheiten ohne die molekularen Hintergründe von den Schülerinnen und Schülern gar nicht richtig erfasst werden können.

Dass man Biologie und Chemie nicht zwangsläufig trennen kann und darf, wird hier exemplarisch an dem Beispiel der Fotosynthese vorgeführt.fotosyn

Die wichtigste Aufgabe der Blätter ist die Fotosynthese. Damit ist der Aufbau von Kohlenhydraten aus Kohlenstoffdioxid und Wasser gemeint. Dieses geschieht unter dem Einfluss des Sonnenlichts. Die Fotosynthese wird als biochemischer Prozess bezeichnet, was darauf hinweist, dass hier einige chemische Prozesse ablaufen. Allein deshalb kann die Fotosynthese nicht nur aus biologischer Sicht betrachtet werden.

Die Summenformel für die Fotosynthese lautet wie folgt:

6 CO2 +6H2O —Licht–> C6H12O6 + 6O2

Die Stoffformel für die Fotosynthese lautet dahingegen:

Kohlenstoffdioxid und Wasser reagieren (mit Hilfe des Sonnenlichts) zu Glucose und Sauerstoff

Zusammengefasst sieht das so aus:

fotosystese$2BFormel$2B1

Aus der Summenformel geht hervor, dass die Fotosynthese einen biochemischen Prozess darstellt, der von äußeren Faktoren beeinflusst wird (vgl. Pütz 2007, S. 171f.). Aus dieser Formel ist daher auch erkennbar, dass eine Konzentrationserhöhung an Kohlenstoffdioxid gleichzeitig zu einer Fotosynthesesteigerung führt (genauso wie eine intensivere Beleuchtung). Behandelt man die Fotosynthese nur auf Stoffebene (wie es im Biologieunterricht oftmals getan wird), werden diese Wechselwirkungen daher nicht deutlich. Hier wird bereits die Wichtigkeit der Chemie innerhalb des Schulfaches Biologie deutlich.

Schaut man sich des Weiteren die Summenformel noch genauer an, so wird deutlich, dass der Aufbau der energiereichen Glukose-Moleküle aus den energiearmen Kohlenstoffdioxid- Molekülen eine Reduktion des Kohlenstoffs durch Energieaufwand beinhaltet. Die notwendigen Elektronen für die Reduktion werden in der Wasserspaltung gewonnen.  Hierbei wird ebenfalls der Sauerstoff freigesetzt (vgl. Pütz 2007, S. 171f.). Wird die Gleichung nur auf Stoffebene behandelt, so wird auch diese Wechselwirkung zwischen den Edukten und Produkten nicht deutlich.

Vergleich einiger Schulbücher im Hinblick auf die Darstellung der Fotosynthese

Hier werden im Folgenden 4 Biologiebücher für die 7/8 Klasse sowie ein Buch für die 5/6 Klasse vorgestellt . Von diesen 5 Büchern behandeln zwei Bücher die Fotosynthese mittels der chemischen Summenformel. Die übrigen drei Bücher lehren mittels der biologischen Stoffformel.

Hier im Überblick wie folgt:

  • Natur bewusst 2                   Stoffformel
  • Erlebnis Biologie 2              Summenformel
  • Prima Biologie 2                   Summenformel
  • Bioskop 7/8                             Stoffformel
  • Netzwerk 5/6                        Stoffformel

 

Betrachtet man zur Analyse zunächst erstmal die Schulbücher, so fällt auf, dass alle einen Versuch mit der Wasserpest vorschlagen. Die Kinder sollen hierbei lernen, dass Wasserpflanzen Gas abgeben und weiterhin lernen sie durch die Glimmspannprobe, dass es sich hierbei um Sauerstoff handelt. Von nun an fangen die verschiedenen Schulbücher an sich zu unterscheiden. Bei einigen Schulbüchern, wie Natur bewusst 2, wird die Fotosynthese nur als Stoffgleichung behandelt. Der Schülertext erklärt:

„Der Sauerstoff, der freigesetzt wird, ist für die Pflanze nur ein Nebenprodukt. Die Energie des Sonnenlichts wird von der Pflanze genutzt, um Glucose herzustellen. Glucose heißt im Alltag auch Traubenzucker. Man nennt den chemischen Vorgang im Innern der Pflanze Fotosynthese“ (vgl. 207)

Die Kinder wissen nun also, und haben den Versuch auch selbst durchgeführt, dass Sauerstoff entsteht. Das zweite, für die Pflanzen viel entscheidendere Produkt, die Glucose, bekommen sie lediglich in einem nicht sinnvollen Zusammenhang dargestellt. Die Pflanze stellt also Glucose her, nur die Frage nach dem „Wie“ ist damit nicht beantwortet. Hier wird daher nicht sinnzusammenhängend gearbeitet. Die Kinder kennen nun zwar die Produkte, wieso diese aber so aussehen wie sie aussehen, bleibt ihnen bei mindestens einem Produkt unerklärlich. Auch der Wechsel vom Kohlenstoffdioxid zu Sauerstoff bleibt unerklärlich. Allerdings weist bereits der Schülertext darauf hin, dass es sich um einen chemischen Vorgang handelt.

In den Lehrerinformationshandreichungen zu Natur bewusst 2 liest man dazu:

„Das Reaktionsschema ist ausformuliert und wird auf der Stoffebene dargestellt. Das Kerncurriculum Hauptschule in Niedersachsen sieht für das Fach Chemie vor, dass die Schüler bis Ende der der 8. Jahrgangsstufe zwischen Stoff- und Teilchenebene unterscheiden und Reaktionsgleichungen erstellen können. Möglicherweise kann die Reaktionsgleichung daher auch in stöchiometrischer Form auf der Teilchenebene besprochen werden. Denn auf der Teilchenebene wird deutlich, dass das Element Sauerstoff auch in Kohlenstoffdioxid, Glucose und Wasser vorkommt. Die Bildung neuer Stoffe ist dann keine mystische Angelegenheit mehr, sondern eine Frage der „Umsortierung“ von Teilchen.“

Der letzte Satz stellt den entscheidenden dar. Den Schulbuchautoren ist sehr wohl bewusst, dass die Bildung der neuen Stoffe für die Kinder nicht nachvollziehbar ist, wird aber dennoch weggelassen.

Hier wird in hohem Maße der Lehrkraft nicht vertraut, die Reaktionsgleichung auf molekularer Ebene angemessen zu erklären, sodass die Schülerinnen und Schüler diese nachvollziehen können.

Ein gutes Beispiel stellt hingehen Erlebnis Biologie 2 dar, hier wird den Kindern bereits im Buch die molekulare Reaktionsgleichung mit den folgenden Erklärungen näher gebracht:

„Bei geöffneten Spaltöffnungen kann das für die Zuckerproduktion wichtige Kohlenstoffdioxid der Luft ins Blatt gelangen. Es verteilt sich durch die Hohlräume zwischen den Zellen des Schwammgewebes. Über den Gefäßteil der Blattadern wird Wasser herantransportiert. Die Chloroplasten nehmen beides auf. In den Chloroplasten werden nun mithilfe des Chlorophylls und der Energie des Sonnenlichts die Wasserteilchen gespalten. Dabei entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Der Sauerstoff gelangt durch Spaltöffnungen in die Außenluft. Gleichzeitig wird das Kohlenstoffdioxid aus der Luft mit Hilfe des gebildeten Wasserstoffs in den organischen Stoff Traubenzucker oder Glucose umgewandelt. Aus sechs Teilchen Kohlenstoffdioxid (CO2) und sechs Teilchen Wasser (H2O) kann so ein Teilchen Traubenzucker (C6H12O6) aufgebaut werden. Dabei entstehen sechs Teilchen Sauerstoff (O2). Diesen Prozess des Aufbaus von organischem Material bezeichnet man als Fotosynthese“ (vgl. S. 71).

Hier wird den Schülerinnen und Schülern deutlich, wo der Kohlendioxid hingeht. Mit einer weiterführenden Erklärung durch die Lehrkraft, in dem diese mit den Kindern die Reaktionsgleichung mit den einzelnen Produkten nachvollzieht, trägt hier maßgeblich zu einem höheren Verständnis bei. So wird auch bewusster, dass es sich bei dem Sauerstoff lediglich um ein Abfallprodukt handelt, welches jedoch für uns eine hohe Bedeutung aufweist. Außerdem wird deutlich, wieso die Pflanze Licht zur Fotosynthese benötigt. Ohne Licht können die Chloroplasten die Wassermoleküle nicht spalten und die Fotosynthese kann nicht beginnen.

Auch wofür die Glukose und der Sauerstoff später gebraucht wird (Kohlenhydratspeicher, Sauerstoffkreislauf) wird nur in Erlebnisbiologie 2 sowie Bioskop 7/8 hinlänglich erklärt.
Es wird daher anhand des vorliegenden Vergleichs deutlich, dass die Schülerinnen und Schüler das Thema der Fotosynthese nicht in ihrer Gänze verstehen können, wenn sie nicht die molekulare Ebene dieser betrachten. Sie begreifen andernfalls nicht, wohin der Kohlenstoffdioxid und das Wasser gehen, wofür sie genutzt werden und wieso plötzlich Sauerstoff und Glucose entstehen.

Eigene Reflexion und Bewertung für den Unterrichtseinsatz

Ich persönlich nehme aus diesem Vergleich daher für meine spätere Lehrtätigkeit mit, dass eine Erklärung der Fotosynthese anhand der Stoffformel nicht allein geschehen kann. Hier muss man sich selbst als Lehrkraft und aber auch seiner Klasse zutrauen, die Fotosynthese auf der (vermeintlich) schwierigeren chemischen Ebene zu verstehen und zu erklären. Ich persönlich erhebe für meinen Unterricht den Anspruch, nicht nur oberflächliches Wissen zu vermitteln, sondern tiefergreifendes und sinn- sowie fächerverbindendes Wissen zu fördern. Dieses ist in dem dargestellten Beispiel der Fotosynthese nicht ohne die chemische Ebene möglich und wird daher auch von mir nicht ohne diese gelehrt werden. Des Weiteren ist hier anzumerken, dass auch Schulbücher von Schulen und Lehrkräften nach diesem Kriterium (als eines neben vielen weiteren natürlich) ausgewählt werden sollten- denn ein Schulbuch, dass den Kindern in der 7. und 8. Klasse nicht wenigstens die Chance gibt, chemische Formeln kennen zu lernen und kein vertieftes Verständnis fördert- ist kein gutes Schulbuch.

Literatur:

Bergau, M.; Beuren, A.; Bohm, I. (2006). Prisma Biologie – Ausgabe für Niedersachsen- Schülerbuch 7./8.. Klett: Stuttgart.

Dobers, J.; Freundner-Huneke, I.; Schulz, S. (2011).- Erlebnis Biologie 2 für Realschulen in Nordrhein-Westfalen: Schülerband 2. Schroedel Verlag, Braunschweig.

Hausfeld, R.; Schulenberg, W. (2006).- BIOskop Schülerband 7 / 8. Westermann, Braunschweig.

Jungbauer, W. (2005).- Netzwerk Biologie Schülerband 5 / 6. Schroedel Verlag, Braunschweig.

Merzyn, G. (2008).- Naturwissenschaften, Mathematik, Technik-immer unbeliebter? Die Konkurrenz von Schulfächern um das Interesse der Jugend im Spiegel vielfältiger Untersuchungen. Hohengehren, Baltmannsweiler.

Pütz, N. (2007). – Studienhilfe Biologiedidaktik – Spezielle Aspekte. Vechtaer fachdidaktische Forschungen und Berichte 15. Universität, Vechta. 188 S.

Sudeik, T.; Vorwertk, B. (2010)-. Natur bewusst – Ausgabe 2008 für Gemeinschaftsschulen in Hamburg und Schleswig-Holstein: Schülerband 2. Westermann, Braunschweig.

2 Kommentare zu “Chemie im BU”

  1. Hello again 🙂
    Gefällt mir ausgesprochen gut, wie du die Interdisziplinarität darstellst. Der Text ist logisch aufgebaut, verständlich und sinnvoll strukturiert. Ebenso zeigen deine Ausführungen die Notwendigkeit, fächerübergreifende Zusammenhänge und Wirkmechanismen näher zu beleuchten. Dies ist u.a. im Rahmen einer BNE ebenso von Bedeutung, hier würde ich sogar von Transdisziplinarität sprechen. Ebenso hast du sehr treffend den Aspekt von Vertrauen in Expertise und didaktischen Kompetenzen aufgeführt, der eben neben Fachwissen weitere wesentliche Kompetenzen voraussetzt, auf die aber auch im Umkehrschluss zurückgegriffen werden kann und zwingend erfolgen sollte. Ich denke, auch der motivatonale Aspekt auf Seiten der Schülerinnen und Schüler kann hier erwähnt werden, die sicherlich eine zufriedenstellende Auseinandersetzung mit bspw. der Fotosynthese einem unvollständigem Wissen vorziehen würden.
    Weiter kam mir der Gedanke, dass man die von die beschriebene fächerübergreifende Vermittlung gut in ein Mystery aber auch in eine Concept-Map einbauen könnte, abhängig von der Zielgruppe. Ich denke das würde sich gut anbieten und könnte für zusätzliche Lernmotivation sorgen, so von wegen „geheimes Tauschgeschäft in der Pflanzenwelt“ oder ähnlich 😉

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  2. Hallo, ich schließe mich meiner Vorgängerin an, denn die Ausführungen sind gut strukturiert und du stellst deinen Standpunkt deutlich dar. Generell stehe ich einer Verbindung von chemischen, physikalischen und biologischen Inhalten auch sehr positiv gegenüber. Das Ver-ständnis vieler biologischer Sachverhalte, wie du auch herausgestellt hast, ist ohne einen konkreten physikalischen oder chemischen Bezug häufig gar nicht möglich. Hinzu kommt, dass die Lehrpläne diesbezüglich z.T. nicht optimal aufeinander abgestimmt sind. Bei deinem Beispiel mit der Fotosynthese gebe ich dir zum einen Recht, dass die Wechselbeziehungen nicht deutlich werden, wenn lediglich die Stoffebene thematisiert wird. Zum anderen sind die Begriffe Kohlenstoffdioxid oder Glucose, sicherlich nicht für alle Schülerinnen und Schü-ler, aber dennoch für viele „Bömische Dörfer“. Welche Folgen diese Problematik hat, wenn die Lernenden aus einer Reaktionsgleichung zwei Begriffe nicht richtig kennen, liegt auf der Hand…Zieht man jedoch chemische Inhalte wie Zusammensetzungen bzw. Strukturformeln der Moleküle, Stoffeigenschaften, Reaktionspartner, Vorkommen, usw. direkt mit in den Unterricht ein, können solche für die Schülerinnen und Schüler komplexen Sachverhalte si-cherlich einfacher nachvollzogen werden. Zudem können wiederum bessere Verknüpfungen zur Biologie hergestellt werden, indem beispielsweise untersucht wird, welche Auswirkungen die Fotosynthese bei Pflanzen auf das Klima der Welt hat oder inwiefern Kohlenhydrate für das Leben auf der Erde essentiell sind. Insgesamt sollte es im Sinne der BNE darum gehen, dass die Lernenden am Ende der Stunde bzw. Einheit grundlegende Aspekte u.a. für das Leben von Pflanzen und generell auf der Erde wiedergeben können. Dafür müssen sie die Fotosynthese aber auf der Molekular- und nicht nur auf Stoffebene behandeln. Dies ist eins von vielen Beispielen, die für eine Verbindung der unterschiedlichen Naturwissenschaften sprechen! Jedoch steht außer Frage, dass für die genannten inhaltliche Bereiche und das Ziel eine Unterrichtstunde zum Thema „Fotosynthese“ ausreicht…

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