• Digitales Leitprogramm Säuren und Basen

    Projektleitung: Matias Reinoso
    Institution: Kantonsschule Rychenberg, Winterthur
    Kontakt: matias.reinoso@krw.ch

    Ziel des hier vorgestellten Projekts ist, die bewährte Methode des Leitprogramms ins neue Zeitalter der digitalen Medien zu überführen, damit diese erfolgreiche didaktische Konzeption auch in der modernen Lernumgebung ihr Potential entfalten und weiterhin zeitgemäss genutzt werden kann. Zudem soll mit den neuen Möglichkeiten der digitalen Medien bislang noch ungenutztes Potential der Leitprogramm-Methode zum Wohle eines vielseitigen, effizienten und motivierten Lernens erschlossen werden.

    Produkt

    Hier kann eine Anleitung heruntergeladen werden, welche beschreibt, wie man den Moodle-Kurs "Leitprogramm Säuren und Basen" installiert.

    Beschreibung

  • Instruktionsvideos im Chemielabor

    Projektleitung: Damaris Lampart und Anja Moers
    Institution: KS Hottingen
    Kontakt: damaris.lampart@ksh.ch

    Produktion und Einsatz von Instruktionsvideos im Chemielabor, um den Lernprozess gemäss den individuellen Voraussetzungen zu unterstützen.

    Produkt

    Labor-Instruktionsvideos

     

     

    Beschreibung

  • Kriminalistik als Werkstattunterricht, zum Thema Trennmethoden

    Projektleitung: Lorenz Marti und Maila Marti-Vögeli
    Institution: MNG Rämibühl
    Kontakt: marti@c3d.ch

    Mit chemischen Trennmethoden den Verbrecher:innen auf die Spur kommen…

    Produkt
     
    Die aktualisierte Werkstatt steht hier zur Verfügung: TeXercises.com

    Beschreibung

    Die Einführung der verschiedenen, für den Chemieunterricht sehr zentralen Trennmethoden, erfolgt meist sehr früh, fast immer im ersten Jahr, meist sogar im ersten Semester des Chemieunterrichts. Es gibt wohl kaum einen Chemie-Lehrplan, in welchem dieses Thema nicht eine sehr prominente Rolle spielen würde, daher ist es von allgemeinem Interesse. Die Implementierung dieser Methoden in den Labor-Unterricht der Chemie bietet die Möglichkeit, diese Trennmethoden selbst zu erlernen (Haptik), Resultate und Messdaten aufzunehmen und diese dann im Normalunterricht mit der Theorie zu verknüpfen.

    Bisher wurden alle Resultate, auch Messdaten jeweils von Hand, z.B. mittels grafischer Diagramme ausgewertet. Gerade die Möglichkeiten, diese Messdaten digital zu erfassen (computer-aided data acquisition), zu prozessieren und auszuwerten, bieten die Möglichkeit moderne Arbeitsmethoden zu nutzen und sich damit vertraut zu machen.

    Didaktisch-methodisches Konzept

    So unterschiedlich die verschiedenen Trennmethoden doch sein mögen, so beruhen sie doch alle auf der unterschiedlichen Nutzung von sich unterscheidenden chemischen oder physikalischen Eigenschaften von Teilchen. Eine Behandlung im Normalunterricht ist daher geprägt und von vielen Wiederholungen und entsprechend langweilig. Viele dieser Methoden können jedoch im Laborunterricht praktisch erlebt werden. Die Verknüpfung mit fiktiven Kriminalfällen soll diese spannender und die Problemstellung konkret machen. Da diese einzelnen Einheiten unabhängig voneinander und in beliebiger Reihenfolge bearbeitet werden können, bietet sich die Durchführung als Werkstattunterricht perfekt an.  

    In der Praxis heisst das, verschiedene Stationen werden in Schulzimmer und Labor aufgebaut und dann gruppenweise bearbeitet, wobei immer zuerst ein Theorieteil, dann der Versuch und zuletzt die Auswertung stehen. Dazu habe ich ein Kurs-Projekt auf der Plattform TeXercises.com  eröffnet, in welchem die verschiedenen Teile jeweils kapitelweise direkt am Computer bearbeitet werden können. Das heisst, die Versuchsdaten werden ins System aufgenommen und dort gleich direkt weiterverarbeitet und ausgewertet. Da die Messdatenerfassung und -auswertung auf auf dieser Plattform nicht möglich ist, braucht es dazu noch gesonderte Software wie z.B. „Graphical Analysis“ von Vernier für die Mess-Interfaces sowie möglicherweise für Mathematica, wo mich eine Mathematikerin unterstützen kann.

    Dazu wurde/wird auch zu jedem Kapitel eine Lernkontrolle erstellt werden, die dann individuell gelöst und automatisch ausgewertet werden kann. Dank der Möglichkeit Schülerlisten hochladen und Logins generieren zu können, können die Resultate einzelner Schüler:innen direkt abgegriffen und bewertet werden.

    Wirkung

    Vor vielen Jahren habe ich zusammen mit inzwischen pensionierten Kollegen eine solche Werkstatt konzipiert. Diese ist an unserer Schule schon seit vielen Jahren fester Bestandteil des Chemieunterrichtes und daher schon fest etabliert. Ausserdem gibt es viele andere Schulen, welche diese unsere Werkstatt ebenfalls einsetzen, da ich sie schon mehrfach an Weiterbildung für Chemielehrpersonen vorgestellt habe und als Dozent für Fachdidaktik Chemie an der Universität Zürich auch jedes Jahr in der entsprechenden Vorlesung darauf eingehe. Die bestehende Version ist hier publiziert und frei zugänglich: https://www.swisseduc.ch/chemie/schwerpunkte/werkstatt_kriminalistik/

    Allerdings ist diese Werkstatt nun doch schon sehr in die Jahre gekommen und eine umfassende Überarbeitung drängt sich auf. Aufgrund der jahrelangen Erfahrung mit dieser Einheit, gibt es zugleich noch eine Vielzahl von Änderungen (wie die vorgehend genannte Messdatenintegration) und Erweiterungen, die ich gerne vornehmen würde. Die Unterlagen naturgemäss recht ausführlich und da die meisten Klassen nun ja im BYOD-System über eigene Geräte verfügen, sollten diesen nun nicht mehr ausgedruckt werden müssen. Ein reiner Übergang zum pdf bringt nun aber keinen grossen Gewinn, dazu braucht es schon eine Transformation der Unterlagen auf eine Lernplattform. Ausserdem möchte ich gerne auch noch Farbwechselreaktionen direkt mit einem UV-VIS-Spektrometer erfassen. Solche UV-VIS-Spektrometer erlauben zusätzlich auch, dass man von rein qualitativen Verfahren zu quantitativen Bestimmungen übergehen kann. 

    Die Idee, dies viel umfassender zu machen und dabei auch gleich noch ein völlig neues Format zu wählen, entstand direkt aus der Möglichkeit des HSGYM- Innovationsfonds, sich in dem Rahmen einem Projekt vertieft zu widmen und auch die nötige Zeit zur Verfügung gestellt zu bekommen, die es braucht, um die neuesten technischen Möglichkeiten möglichst gewinnbringend zu nutzen. Der Innovationsfonds bietet also ganz konkret die Möglichkeit, ein vielgenutztes Gefäss zu modernisieren und es in neuem Gewand wieder einem breiten Kollegium zur Verfügung zu stellen.   

    SAMR-Modell

    Erläuterung zum SAMR-Modell.

    Im SAMR-Modell kann das Projekt im Bereich "Redefinition" eingeteilt werden, da es dank der Technik neuartige Aufgaben ermöglicht, die vor so nicht vorstellbar waren.

     
  • LaborE

    Projektleitung: Christopher Latkoczy
    Institution: Kantonsschule Hohe Promenade
    Kontakt: christopher.latkoczy@kshp.ch

    Schülerinnen und Schüler erstellen im Chemie-Praktikum anstelle eines schriftlichen Berichtes eigenständig E-Tutorials mit einer mündlichen Beschreibung zum experimentellen Aufbau und zur Durchführung des chemischen Experiments.

    Beschreibung

    Diese Tutorials werden in weiterer Folge als Einstieg für Schülerinnen und Schüler verwendet, um bereits in bevorstehende Versuche vor Beginn des Praktikums selbstständig eingeführt zu werden (“Flipped Classroom”). Die E-Tutorials werden zusammen mit Verständnisfragen zu den einzelnen Versuchen auf einer Webseite verfügbar gemacht und sind für weitere Schülerinnen und Schüler in Folge jederzeit abrufbar. Damit entsteht über die einzelnen Jahrgänge eine Datenbank zu verschiedenen Themen und Praktika für den Gebrauch im Chemie-Praktikum.

    Naturwissenschaftliches Experimentieren in der Schule wird oft mit einer motivierenden und interessensfördernden Wirkung in Verbindung gebracht. Gleichzeitig kann der dabei geplante Versuchsaufbau aber auch herausfordernd und kompliziert sein. Daher können die Lernenden den Experimentierprozess als verwirrend und unproduktiv für ihr Lernen empfinden. Darüber hinaus erfordern die praktischen Schritte des Experimentierens einen erheblichen Zeit- und Materialaufwand.

    Experimentieren gilt als eine wesentliche Methode zum Erwerb und zur Festigung von Wissen im naturwissenschaftlichen Unterricht. Es wird angenommen, dass es das Verständnis der Schüler für die Prozesse der wissenschaftlichen Untersuchung und die wissenschaftliche Denkweise erleichtert. Trotz des hohen Stellenwerts des selbständigen Experimentierens wird auch angenommen, dass der praktische Teil der Durchführung von Klassenexperimenten für die Schülerinnen und Schüler ablenkend und unproduktiv - oder sogar verwirrend - sein kann und die mit diesen Experimenten verfolgten Ziele meist nicht erreicht wurden. Es besteht dabei die Gefahr, dass eine “Hands-on, minds-off” - Mentalität bei den Schülerinnen und Schülern erzeugt wird. Ein plausibler Grund dafür könnte sein, dass die Schülerinnen und Schüler den Prozess des Experimentierens als sehr komplex empfinden. Folglich können Gefühle der Demotivation während der Durchführung des Experiments auftreten.

    Die Schaffung von Lernumgebungen, die es den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, im Sinne des entdeckenden Lernens selbstständig zu experimentieren, kann bei entsprechender Unterstützung ein geeigneter Weg sein, einige der mit dem Experimentieren verbundenen Probleme zu bewältigen. Durch die Erstellung von E-Tutorials zu Experimenten als Gruppenarbeit erhalten die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, selbstständig wissenschaftliche Fragen zu beschreiben und zu untersuchen, was letztlich ihr Kompetenzgefühl fördert. Forschendes Lernen, das sowohl praktische als auch gedankliche Ansätze umfasst, kann die Motivation fördern.

    Obwohl das Experimentieren mit dem Schwerpunkt auf "Minds-on"-Aktivitäten (z. B. wissenschaftliches Denken) und "Hands-on"-Aktivitäten (z. B. Experimentieren) als äusserst wichtig erachtet wird, werden bislang nur selten digitale Medien zur Unterstützung dieser Prozesse eingesetzt. Dies ist möglicherweise auf einen erhöhten Zeit- und Materialaufwand zurückzuführen, den solche digitale Lernumgebungen erfordern.

    Didaktisch-methodisches Konzept

    Innerhalb des digitalen Projekts LaborE werden Schülerinnen und Schüler angehalten, die Lehrpersonen dabei zu unterstützen, neue Lehrmittel zu entwickeln und interaktive Lehrformen umzusetzen. Ein Beispiel stellt der sogenannte «Flipped Classroom» dar, bei dem die Schülerinnen und Schüler sich im Vorfeld eines Praktikums den Stoff anhand von Videos und weiterer Materialien aneignen und der Präsenzunterricht zur Vertiefung und Diskussion genutzt wird. Weiteres Beispiel ist der sinnvolle Einsatz von «Learning Analytics», also quantitativen Daten zum Lernverhalten

    der Schülerinnen und Schüler. Schülerinnen und Schüler können so ihre Lernerfolge überprüfen – und die Lehrpersonen im Unterricht wiederum darauf reagieren.

    Wirkung

    Die Schülerinnen und Schüler erstellen im Praktikum anstatt eines analog geschriebenen Laborberichts Video und Bildaufnahmen vom jeweiligen Versuch. Danach werden diese Tutorials vertont und das experimentelle Vorgehen somit auch fachlich korrekt beschrieben. Darin kann auch der Hauptunterschied zu bereits bestehenden und durch den HSGYM-Innovationsfonds geförderten Projekten beschrieben werden, da derartige E-Tutorials die Erstellung von Berichten auf die digitale Ebene transformiert und somit auch eine naturwissenschaftliche Beobachtung, Beschreibung, experimentelle Versuchsvorbereitung und Erstellung von Hypothesen mit der Analyse und Interpretation von Daten digital ermöglicht. Damit wird eine praxisnahe digitale Umsetzung des Chemie-Praktikums gefördert.

    Die Aufnahmen werden auf einer digitalen Plattform nachfolgenden Schülerinnen und Schülern zur Verfügung gestellt, die diese E-Tutorials im Voraus zu einem Versuch als Einführung ansehen und bearbeiten können. Durch den Einsatz von E-Tutorials können die Schülerinnen und Schüler die Versuche besser nachvollziehen:

    • Kein “hands-on, mind-off” Vorgehen mehr im Labor
    • Der Versuch ist bereits im Vorfeld bekannt und die Zeit im Labor kann dadurch besser genutzt werden.
    • Zur Erstellung der E-Tutorials müssen die Schülerinnen und Schüler den Stoff so verstanden haben, dass sie diesen anderen selbstständig erklären können
    • Die Schülerinnen und Schüler müssen sich eine fachlich korrekte Beschreibung eines wissenschaftlichen Experiments aneignen
    • Der Einsatz von digital devices (BYOD) wird im Labor sinnvoll ermöglicht
    • Das Projekt kann nachhaltig im Chemie-Unterricht und auch für andere naturwissenschaftliche Fächer und den interdisziplinären Unterricht, sowohl an der Kantonsschule Hohe Promenade, aber auch kantonalweit in Zusammenarbeit mit weiteren Schulen verankert werden.
    • Diese Zusammenarbeit trägt auch zur Vernetzung der unterschiedlichen Fachkreise Chemie auf digitaler Stufe bei.

    SAMR-Modell

    Erläuterung zum SAMR-Modell.

    Das Projekt «LaborE» kann im SAMR-Modell in den Bereich «Modification» eingeteilt werden, weil der Einsatz von durch die SuS erstellte Videotutorials bzw. deren Einsatz für Flipped Classroom das Chemiepraktikum beachtlich neu gestaltet werden kann..

  • Molekularvisualisierung Chemie

    Projektleitung: Tilmann Geldbach und Michael Bleichenbacher
    Institution: KS Zürich Nord
    Kontakt: tilmann.geldbach@kzn.ch

    Bindigkeit, Geometrie und zwischenmolekulare Kräfte von Molekülen im computergestützten (Selbst-)Unterricht in Chemie

    Beschreibung

    Es gibt inzwischen eine Reihe kostenlos installierbarer Programme (z.B. Avogadro, Marvin) und browserbasierter Anwendungen (z.B. Molview, Molstar), welche es erlauben, Moleküle zu zeichnen und hinsichtlich sinnvoller Bindigkeit zu überprüfen. Des Weiteren lassen sich mit diesen Programmen Moleküle dreidimensional visualisieren, Bindungswinkel und Bindungslängen bestimmen sowie weitere Messungen wie etwa das Dipolmoment und die Elektronendichteverteilung im Molekül ermitteln. Auch lassen sich zwischenmolekulare Wechselwirkungen simulieren; insbesondere die Bildung von Wasserstoffbrücken kann so leicht und eindrucksvoll nachvollzogen werden.

    Im Rahmen dieses Projektes sollen konkrete, aufeinander aufbauende Einheiten erarbeitet werden:

    • Modul 1: Die Lernenden üben mit Hilfe von Software das korrekte Zeichnen von Lewisformeln (die Software prüft auf sinnvolle Bindigkeit der jeweiligen Atomsorten), visualisieren die Moleküle in 3D und lernen, die Geometrie basierend auf dem VSEPR-Modell nachzuvollziehen und ein Verständnis für unterschiedliche Bindungslängen und -winkel zu erwerben. Ebenfalls wird das Zeichnen von Molekülen in der Keil-Strich-Darstellung trainiert. Gegebenenfalls lassen sich mittels einfacher 3D-Brillen die räumlichen Eigenschaften noch plastischer erfahren.

    • Modul 2: Die Lernenden lernen spezifische Eigenschaften wie Dipolmoment und Elektronenverteilung zu verstehen. Darauf aufbauend werden Wechselwirkungen zwischen Molekülen simuliert und nachvollzogen. Ausserdem wird der Effekt einer Ionisierung des Moleküls untersucht, indem beispielsweise saure, beziehungsweise basische Gruppen deprotoniert werden.

    • Modul 3: Anhand spezifischer Substanzen werden die zuvor erworbenen Kenntnisse exemplarisch überprüft. Hier können beispielsweise die Bildung von Wasserstoff-Brücken zwischen Molekülen simuliert und visualisiert, aber auch die Hemmung von Enzymen mit Giftstoffen (beispielsweise Acetylcholin mit dem Kampfstoff Soman) untersucht werden.

     

    Didaktisch-methodisches Konzept

    Bindigkeit und Molekülgeometrie wird derzeit noch verbreitet mit Unterstützung durch mechanische Molekülbaukästen gelehrt. Derartige Baukästen unterstützen enaktiv das Lernen und stellen damit ein sehr nützliches Hilfsmittel dar, um die räumlichen Verhältnisse begreifbar zu machen. Die Baukästen haben aber den Nachteil, dass

    • die Lernenden auf diese in der Regel zu Hause nicht zugreifen können,

    • Bindungslängen und -winkel nicht ganz und Bindigkeiten nur eingeschränkt stimmen und

    • raumfüllendere und damit sterisch sinnvollere Darstellungen der Atome nicht möglich sind.

    Ausserdem ist der Bau grösserer Moleküle oftmals sehr zeitaufwändig oder mangels Material gar nicht möglich. Die Programme zu Molekülbau und -darstellung erlauben es den Schülerinnen und Schülern zudem, sich auch ausserhalb des Unterrichts mit den entsprechenden Fragestellungen auseinanderzusetzen und bis zu einem gewissen Grad auch selbstkontrolliert Wissen zu erwerben.

    Wird das Thema Kovalenzbindung im Unterricht eingeführt, so stellt man oft grosse Unterschiede zwischen den Schülerinnen und Schülern hinsichtlich der Fähigkeit fest, korrekte Lewis-Formeln zu zeichnen. Während manche die Regeln und Konzepte intuitiv begreifen, haben andere grosse Schwierigkeiten, sinnvolle Strukturformeln zu zeichnen. Durch die Anwendung der entsprechenden Programme lässt sich der Unterricht so gestalten, dass auf einfache Weise unterschiedlich komplexe Fragestellungen – je nach Lernfortschritt – bearbeitet werden können und so bei den schnelleren Schülerinnen und Schülern kein Leerlauf entsteht.

    Die weiter vorne beschriebenen Module können entweder in Form eines Leitprogramms zu den jeweiligen Themen oder aber komplementär zum Unterricht als freiwillige Vertiefung oder Lernkontrolle eingesetzt werden. Die im Umgang mit diesen Programmen erworbenen Kenntnisse lassen sich zu einem späteren Zeitpunkt auch für andere Anwendungen gewinnbringend nutzen (Simulation von NMR-Spektren; Nomenklatur organischer Verbindungen etc.).

    Die Module werden so aufbereitet, dass sie von Lehrpersonen auf ihre jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden können. Dafür wird die Benutzung der Visualisierungstools so beschrieben, dass keine grösseren Einarbeitungszeiten für Lehrpersonen entstehen.

    Wirkung

    Die Kombination der Lerninhalte zu Kovalenzbindung und Molekülgeometrie mit entsprechender Software ergibt eine Vielzahl an lernwirksamen Vorteilen:

    • Das Lernen wird abwechslungsreicher, interaktiver und damit auf mehr kognitive Kanäle erweitert, was die Motivation und die Freude am Lernen vergrössert.

    • Die Individualisierung des Lernens wird für die Schülerinnen und Schüler erleichtert und es ergibt sich die Möglichkeit einer Selbstkontrolle betreffend der korrekten Lösung der Aufgaben.

    • Die Lehrperson erhält mehr Möglichkeiten, lernschwächere Schülerinnen und Schüler individuell zu betreuen und anzuleiten.

    • Die erworbene Routine im Umgang mit den Programmen lässt sich zu einem späteren Zeitpunkt bei anderen Themen im Unterricht nutzen.

    • Die Programme zur Molekülvisualisierung knüpfen nahtlos an Anforderungen an der Hochschule an und stellen ein Werkzeug dar, welches auch in anspruchsvollerem Kontext verwendet werden kann.

    Zwar ist die Anwendung der Programme in den meisten Fällen sehr einfach, es besteht aber die grosse Gefahr, dass die mit den Programmen erhaltenen Ergebnisse nicht ausreichend reflektiert werden und durch fehlerhafte Eingabe Fehlvorstellungen resultieren. Das Ziel der zu erarbeitenden Module besteht darum nicht nur darin, Schüler- und Lehrer:innen an die Software heranzuführen, sondern durch exemplarische und unmittelbar anwendbare Beispiele bzw. Module alle Aspekte und mögliche Fehlerquellen zu diskutieren. Anhand der gewählten Beispiele sollte es dann den Lehrpersonen leichtfallen, die vorgestellten Konzepte nach Wunsch zu erweitern und anzupassen.

     

    SAMR-Modell

    Erläuterung zum SAMR-Modell.

    Im SAMR-Modell kann das vorliegende Projekt in den Bereich "Modifikation" eingeordnet werden, da es die analogen Mittel nicht nur ersetzt und sinnvoll erweitert, sondern auch noch eine bedeutsame Umgestaltung der Aufgabe zulässt, indem z. B. je nach Lernfortschritt unterschiedlich komplexe Fragestellungen bearbeitet werden können.

     
  • Salze-Metalle-Stöchiometrie

    Projektleitung: M. Krug, C. Bütikofer, C. Gisler, J. Muhr, R. Formisano, M. Furlotti, C. Luginbühl, A. Dinter
    Institution: Kantonale Maturitätsschule für Erwachsene, Zürich
    Kontakt: markus.krug@kme.ch

    Ziel dieses Projekts ist die Erstellung einer digitalen Selbstlerneinheit über Salze-Metalle-Stöchiometrie.

    Produkt

    Die umfangreiche, multimediale und interaktive Selbstlerneinheit zu "Salze-Metalle-Stöchiometrie" wurde in OneNote organisiert. Über diesen Link kann auf die Onlineversion des OneNote zugegriffen werden (die Berechtigungen sind so eingestellt, dass jeder darauf zugreifen und auch bearbeiten kann).
    Die OneNote-Paketdatei kann über diesen Link erreicht und heruntergeladen werden.
     

    Beschreibung

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