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PETER EULER; ARNE LUCKHAUPT:
HISTORISCHE ZUGÄNGE ZUM
VERSTEHEN SYSTEMATISCHER
GRUNDBEGRIFFE UND PRINZIPIEN
DER NATURWISSENSCHAFTEN
AFL-FRANKFURT, 12/2010
Annemarie Gartz, Sven Heckwolf,
Stefanie Lamberth
20.09.2011
Gliederung
• Bildungspolitischer Kontext, Begründung und
pädagogische Erläuterung des Konzepts
• Fachpädagogische Diagnostik
• Historische Zugänge
•
•
•
•
•
•
Feuer im Altertum
Stoffbegriff
Alchimie
Verbrennung – Phlogistontheorie
Sauerstofftheorie
Einsatz der Waage in der Chemie
• „Der gefesselte Prometheus“ im Chemieunterricht
Ausgangspunkt der Reform
• Verbesserung des Unterrichts durch schlechte
Ergebnisse in Naturwissenschaften
• Wieder aufgekommen durch TIMSS und PISA
• Existiert schon seit den 60er Jahren
• Klage über geringe Wirksamkeit, sinkende
Motivation, breite Inkompetenz
Umsteuerung auf kompetenzorientierte Bildungsstandards
• Durch TIMSS und PISA gewinnt die eklatante
Schwäche der Naturwissenschaften wieder an
öffentlicher Aufmerksamkeit
• Klage der Wirtschaft und der Bildungspolitik um
Nachwuchsmangel ökonomisch-politische
Auswirkungen
• Soll Kompetenzniveau angehoben werden
• Umsteuerung auf Output und
Kompetenzorientierung  Paradigmenwechsel
Umsteuerung auf kompetenzorientierte Bildungsstandards
• KMK hat 2004 Bildungsstandards für Sek I im
Bereich Naturwissenschaften verabschiedet
• Charakteristikum besteht in der fach- bzw.
domänenspezifischen Kompetenzausrichtung
• Versucht sich an verlässlichen und kontrollierbaren
Größen zu orientieren  Outputorientierung
• Probleme: päd. Kriterien eines veränderten Inputs
für gewünschten Output wird nicht das notwenige
Gewicht eingeräumt
Kompetenzstruktur innerhalb der
Bildungsstandards
• Werden jeweils 4 Kompetenzbereiche
unterschieden:
– Fachwissen (chemische Phänomene, Gesetzmäßigkeiten
kennen und Basiskonzepten zuordnen)
– Erkenntnisgewinnung (experimentelle und andere
Untersuchungsmethoden sowie Modelle benutzen)
– Kommunikation (Informationen sach- und fachbezogen
erschließen und austauschen)
– Bewertung (chemische Sachverhalte in verschiedenen
Kontexten erkennen und bewerten)
Kompetenzstruktur innerhalb der
Bildungsstandards
• Wachsende Bedeutung der Erkenntnisgewinnung,
Kommunikation und Bewertung
• Dadurch Ansatzpunkte für ein am Verstehen
orientiertes Unterrichten
• Missverständnis: es handle sich um selbstständige
Teilkompetenzen, die isoliert voneinander
entwickelt werden können
Das Zusammenspiel der Teile macht die Kompetenz
aus
Kompetenzstruktur innerhalb der
Bildungsstandards
• Fachwissen nimmt Sonderstellung ein
• Scharfe Unterscheidung zwischen Fachwissen und
Handlungsdimension kann zum Herabsetzen oder
zur Priorisierung von Fachwissen führen 
widerspricht einer Verstehensorientierung
• Erkenntnisgewinnung muss im Zentrum stehen, da
ein Verstehen der Prinzipien im Sinne der
Wegfindung von Erkenntnissen verbunden ist
Bedeutung und Funktion der
Basiskonzepte
•
•
Basiskonzepte im Bereich Fachwissen verankert
Basiskonzepte in der Chemie:
–
–
–
–
•
Stoff-Teilchen-Beziehung
Struktur-Eigenschafts-Beziehung
Chemische Reaktionen
Energetische Betrachtungen bei Stoffumwandlungen
Zweck der Basiskonzepte: Lernprozess zwischen
Wissenschaft und den Lernenden zu vermitteln
Bedeutung und Funktion der
Basiskonzepte
• Funktion ist weder dem Umfang nach vollständig
beschrieben, noch begründet bzw. ihre
Vermittlungsfunktion explizit entwickelt
• Unklar: welche Rolle sie im Unterrichtsgeschehen
einnehmen sollen, also
– Planungsmittel
– Unterrichtsgegenstand
– Regulative Idee
– Beurteilungskriterium
Im Kompetenztest sind
Bedeutung und Funktion der
Basiskonzepte
• Weiter unklar: dass die Lernenden die Grundlage
eines systematischen Wissensaufbaus unter
fachlicher und gleichzeitig lebensweltlicher
Perspektive erwerben
 Es muss geklärt werden, was im Zusammenspiel
der Kompetenzbereiche „Verstehen“ heißt
Wagenscheins Verstehenskonzept
• Gliedert sich in: das Exemplarisch, das Genetische,
das Sokratische
 Ist das Erwachen und Werden geistiger Kräfte eines,
das sich an ausgewählten Themenkreisen im
Gespräch vollzieht, wobei entscheidend ist, dass der
Einzelne die Tatsachen und Theorien entdecken
kann, in sich entwickelt bzw. nachvollzieht
 Die Auffassung von Wissen und Wissenschaft ist
keine zu verwaltende tote Wissenschaft fertig und
unnahbar, sondern eine lebendigem die den Sachen
der Welt Aufforderungscharakter zuschreibt
Wagenscheins Verstehenskonzept
 die Annäherungsarbeit macht die pädagogische
Erschließungsarbeit der Sachen aus, die einer
domänenspezifischen Kompetenzentwicklung eigen
sein sollte
 Die Lebendigkeit und die geistigen Prozesse, die in
die Resultate der Wissenschaften eingegangen sind,
zeigen sich in der Geschichte der Wissenschaft 
Voraussetzung für die Ermöglichung von Verstehen
 Geht um die Genesis der Sache, über die man aus
der Geschichte Entscheidendes lernen kann
Fachsystematik oder Kontextbezug?
• Grund für Verstehensprobleme ist die strikte
Orientierung an der Fachsystematik
• Kontext-Ansatz: Verstehen heißt, handeln zu
können, wie ein Wissenschaftler im Labor
• Konflikt: Trivialisierung des Fachs
• Geht eher um Verstehen, wie
naturwissenschaftliches Denken und Erkennen tickt
• Zentrale Einsicht in Erkenntnisgewinnung,
Bedinungen und Geltungsgründe der Erkenntnis,
kulturelle Bedeutung
Verstehen der Wissenschaft heißt, die
Wissenschaftlichkeit der Wissenschaft
verstehen
• Traditionelle Naturwissenschaft: beruht auf methodisch
unterstützen Deutung des anschaulich Gegebenen
• Zäsur: systematische Organisation reproduzierbarer
Sachverhalte mittels theoretischer Begriffe und Prinzipien
• Unterscheidung der Ebene der Erscheinungen und den
bedingenden Gesetzmäßigkeiten
 Der Dreh naturwissenschaftlicher Erkenntnis besteht im
spezifischen Zusammenspiel von Denken, Nachdenken und
zu erzeugenden empirischen Reaktionen
HPS, STS, Nature of Science
• HPS = History and Philosophy of Science
• STS = Science Technologie and Society
• Programme sind durch Wissen und Nachdenken über
Naturwissenschaften bestimmt
• Wissenschaftliche Forschung und Erkenntnisgewinnung aus
erkenntnistheoretischen Annahmen und Werthaltungen in
historisch-politischen Kontexten besteht
• Bedingung: historische Kenntnisse wissenschaftlicher
Entwicklungen und deren systematische Reflexion
 Chemie als Kulturwissenschaft und Problemgeschichte
2. Fachpädagogische Diagnostik
• Verstehensprobleme zu erkennen und im Unterricht
zu behandeln
• Voraussetzung: Lehrer kennen die Wege, Gründe
und Probleme der Erkenntnis
• Zugang zur Erkenntnisentwicklung findet man nur
über die Auseinandersetzung mit der Geschichte
der Wissenschaften, wenn diese zum Erwerb von
Wissen über die Entstehung-, Begründungs- und
Verwertungszusammenhänge betrieben wird
2. Fachpädagogische Diagnostik
• Inhaltlich mit eingefleischten
Selbstverständlichkeiten kritisch auseinandersetzen
• Erschließung verstreuter Quellen
• Funktionen der vorliegenden Materialien
– Die Bedeutung für die Lehrenden und ihr Bewusstsein
von Fach in pädagogischer Absicht
– Die Bedeutung für die Analysen von geäußerten
Vorstellungen der Lernenden
– Die Bedeutung als Gegenstände für einen die Probleme
einschließenden Unterricht
Peter Bulthaup:
• Chemie nicht als Lehre von Stoffen und deren
Reaktionen, sondern…
• Chemie als Lehre von der Gewinnung der Stoffe
und der Herstellung der jeweiligen Bedingungen,
unter denen Reaktionen kontrolliert ablaufen.
• Feuer als erster chemischer Prozess, den der
Mensch unter Kontrolle bekam.
• Selbstbefreiung des Menschen von
unbegriffenen Naturmächten
Martin Wagenschein:
• Genetisch-sokratisch-exemplarische Methode
• Genetisch (selbstständiges Lösen von
Problemen in Hinblick auf die
Wissenschaftsgeschichte)
• Sokratisch (Art der Gesprächsführung)
• Exemplarisch (Stoffbeschränkung,
Arbeitsmethoden, Problemlösestrategien)
Stoffumgang
• Beherrschung des Feuers als Quell von Wärme
und Schutz
• Produktion unterschiedlichster Güter
• Eingriff in das Vorgefundene z.B. Kochen,
Brennen, Schmelzen, Gerben, Metall-, Glasund Farbherstellung
Feuer als Beginn der Chemie
• Antike Schöpfungsgeschichte
Prometheus von Aischylos
– Herausragender Stellenwert des
Feuers
– Herrschaft des Menschen über
Naturkraft
Feuer als Beginn der Chemie
• Wärme- und Lichtquelle
• Bereitung von Nahrung
• Vorbehandlung mineralischer Rohstoffe für häuslichen
Gebrauch
• Ton und Lehm -> Ziegelsteine und Gefäße
• Konservieren von Lebensmittel
• Abscheiden von Fetten
• Auslaugen von Kräutern
• Gewinnung von Ölen und Talg (Beleuchtung)
• Heilkunst
Feuer als Beginn der Chemie
• Gewinnung von Metallen als neue Art von
„Erde“
• Metallerze zeigen anderes Verhalten als Lehmund Tonerde (Aluminiumoxid)
• Metallschmelzen 3000 v. Chr.
• Formung von Werkzeugen und Waffen
• Versuch: Verbrennung von Kupfersulfid;
anschließend Reduktion mit Holzkohle
Feuer als Beginn der Chemie
• Versuch: Kalkkreislauf
Kalkbrennen, Kalklöschen und Kalkhärten
• Versuch: Kalkmörtel und Zementmörtel im
Vergleich
Stoffbegriff
• Kein Gegenbeispiel zum Begriff „Stoff“
• Es gibt in der Natur keine Reinstoffe.
• Reinstoffe sind nur das Resultat menschlicher
Tätigkeit
Alchimie
• Früheste Betrachtung der Stoffe
und stofflicher Vorgänge unter
systematischen Gesichtspunkten
• „hermetische Kunst“, Schutzgeist
Hermes Trismegistos
• Chemie gebunden an religiöse
Rituale ohne rationale
Durchsichtigkeit mit
geheimnisvollen Zauber
Alchimie
• Metallveredelung – Umwandlung
unedler Metalle in Gold
(Metalltransmutation)
• Metalle nicht Erzeugnis der Menschen,
sondern sie wachsen aus der Erde und
wandeln sich in Gold (streben in den
Goldzustand)
• Scheinbeweis: Abscheidungsreaktion
Eisen in Kupfersulfat-Lösung
Alchimie
• Existenz eines einzigen Urstoffes, aus dem
alle Substanzen sich bilden.
• Durch Hinzufügen von „Qualitäten“ werden
die verschiedenen Stoffe gewonnen und
durch Modifizierung der Qualitäten
ineinander umgewandelt.
Alchimie
• Element als dynamischer
Begriff
• Ähnlichkeitsklassen
– Mercurius:
Ursache Metallglanz und
Schmelzbarkeit
– Sulphur:
als Möglichkeit der Verbrennung
und leichte Veränderlichkeit
Chemische Theoriebildung:
Verbrennung – Phlogiston-Theorie
• Phlogiston (Feuerstoff) ist in allen brennbaren Stoffen
enthalten.
– Bei der Verbrennung verlässt ein Phlogiston den Stoff.
– Luft nimmt den Feuerstoff auf.
• Redoxreaktion als erste chemische Reaktionen, die
genauer betrachtet wurden.
• Oxidationstheorie nicht induktiv aus Experiment
ableitbar.
• Versuch: Unterschiedlich starke Verbrennung von
verschiedenen Stoffen
• Versuch: Vergleich Verbrennung Metall/Nichtmetall
Chemische Theoriebildung:
Verbrennung – Phlogiston-Theorie
• Verbrennung als Zerlegung des Stoffes in
seine Bestandteile
Verbrennung von Holzkohle: HØ → H + Ø
Verkalkung von Blei: BØ → B + Ø
• Bearbeitung von Metallen im Feuer
• Einteilung in edel/unedel
• Verkalkung, Veraschung
Chemische Theoriebildung:
Verbrennung – Phlogiston-Theorie
• Zusammenwirken von Spekulation und Empirie
• Irrtümer erweisen sich als tragfähig, an
experimentelle Praxis gebunden und können
überwunden werden.
• Gewichtszunahme und -abnahme bei
Verbrennung und Gewichtszunahme bei
Verkalkung (Waage)
• Phlogiston als negatives Gewicht
• Sauerstoff als „dephlogistisierte Luft“
• Wasserstoff als „brennbare Luft“
Phlogistontheorie:
Konnte sich nicht halten, da
 Quantitative Analysen an Einfluss gewannen.
 Ein grundlegender Wandel des Selbstverständnisses der Chemie eintrat.
Phlogistontheorie
Stoff- und Substanzchemie
„Phlogiston ließ sich nicht auf Flaschen ziehen“
„Phlogiston erwies sich als überflüssig für den Aufbau der Materie“
 Übergang von „Prinzipien“ zu „Stoffen“!!
Lavoisier (1743 - 1794):
Sauerstofftheorie!
 Warum?
„Phlogiston ist das brennbare Prinzip, das nur durch
die Verbrennung nachweisbar ist“
Unchemisches Herangehen an die Chemie
 Revision der chemischen Denkart gegenüber der Materie
Lavoisier (1743 - 1794):
Systematische (!!!!) Benutzung der Waage in der Chemie:
War ein fundamental neuer Ansatz, da:
 Keine neuen Stoffe hergestellt wurden, sondern
 Die Zusammensetzung (auch) bekannter Stoffe quantitativ untersucht wurde
Phlogiston = Stoff
mit negativer
Masse
Gesetz von der
Erhaltung der Masse
Erhaltungsannahme ist die essentielle Vorraussetzung
für die weitere Entwicklung der Chemie!
Spekulation ist wesentlich für
die chemische Erkenntnis:
Experiment von Boyle (1627-1691):
Eine genau abgewogene Menge Zinn wird in abgeschlossener Retorte „verkalkt“
 Gewichtszunahme!
Deutung der Phlogistoniker:
Deutung Lavoisiers:
Die Feuermaterie
- kann die Glaswand
durchdringen
- hat ein negatives Gewicht
- ist verschwunden
- aus dem Gemisch „Zinn“
wurde der Reinstoff
„Zinnkalk“
Das Gefäß mit Inhalt
- wiegt vor und nach der Verbrennung gleich
viel.
- gewinnt nach dem Öffnen der Ampulle
an Masse.
- verhält sich unter einer Sperrflüssigkeit
genauso.
 Verbindung des Zinns mit dem Sauerstoff
der Luft
Lavoisiers folgenschwerer Fehlschluss:
Die Verkalkung von Metallen in Säure bedeutet:
Aufnahme eines Säurebestandteils
 Sinnvolle Annahme, da gezeigt werden konnte, dass
 in (damals bekannten) Säuren „air pure“ enthalten ist
 bei der Reaktion Wasserstoff frei wird, der also
mit der Säurewirkung nichts zu tun hat.
 Dieser Fehlschluss wirkt bis heute nach: Sauerstoff
Lavoisiers alltägliches Vermächtnis:
Entwicklung einer chemischen Systematik:
Benennung von Säuren nach ihren „Radikalen“:
- acide carbonique
- acide sulfurique
- acide phosphorique
Benennung von Metalloxiden als Verbindungen von
Metallen mit Sauerstoff:
- oxyde de plombe
- oxyde de zinc
 Benennung von Salzen durch genitivische Bildung des Namens aus
Säurerest und Metall:
- sulfate de zinc
- ....
Der gefesselte Prometheus:
 Eine der Hauptfiguren der Weltliteratur
 „Ich Dich ehren? Wofür?“ (Goethe)
 „Frankenstein“ oder „Der moderne Prometheus“ (Shelley)
 „Die Sage versucht das Unerklärliche zu erklären.“ (Kafka)
 Antiker Held
 Scheitern und Ausbleiben der Erlösung als Hauptmotiv
tragischer / romantischer Helden („Antiheld“)
Luzifer („Lichtbringer“)
Der Autor: Aischylos (525 v. Chr. - 456 v. Chr.)
- Hatte ein sehr bewegtes Leben. Er:
- nahm an der Schlacht bei Marathon teil.
- nahm an der Seeschlacht bei Salamis teil.
- verlor in den Perserkriegen seinen Bruder.
- reiste oft im Mittelmeer.
- Verlor bei den Dionysien gegen Sophokles.
- Nahm mit 25 erstmals an den Dionysien teil.
- Führte den zweiten Schauspieler auf der Bühne ein:
 Erfinder des Dialogs!
-Verwendete meist mythologische Gestalten in seinen Stücken, die
eine sehr erhabene Sprache verwenden.
-Wurde der Legende nach von einer Schildkröte,
die ein Raubvogel fallen lies, erschlagen.
Bezüge zum Chemieunterricht
• Hephaistos, Gott der Schmiede:
Antike Gewinnung von Kupfer (Malachitreduktion) oder Eisen
(Rennofen), Bronzeherstellung.
• Kratos, Knecht des Zeus, Verkörperung der Macht:
 Soll Prometheus bestrafen  Fortschrittsfeindlichkeit?
• Die Elemente Erde, Wasser und Wind werden personifiziert von
Prometheus angerufen
 Widerspruch zum Element Feuer, das als Substanz an die Menschen
gegeben wurde?
• Auch der Himmel (Uranos) und die Erde (Gaia) werden als Personen
benannt.
Bezüge zu kompetenzorientierten Basiskonzepten:
Stoff-Teilchen-Beziehung
 chemische Reaktionen als Umgruppierung von Atmen am
Beispiel der Verbrennung.
Chemische Reaktionen
 Stoffumwandlungen bei der Verbrennung.
Energetische Betrachtungen bei Stoffumwandlungen:
 Feuer als sichtbares Phänomen bei exothermen Reaktionen.
Bezüge zur Kompetenzstruktur der Basiskonzepte:
Fachwissen (chemische Phänomene, Gesetzmäßigkeiten kennen und
Basiskonzepten zuordnen)
Die Entwicklung der Wissenschaft Chemie seit der Antike am Beispiel der
Redoxreaktionen nachvollziehen
Erkenntnisgewinnung (experimentelle und andere Untersuchungsmethoden
sowie Modelle benutzen)
 Experimente zum Thema: „Hephaistos, Gott der Schmiede“
Kommunikation (Informationen sach- und fachbezogen erschließen und
austauschen)
Aufführung des Theaterstückes
Bewertung (chemische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen
und bewerten)
 Stellung nehmen zur Sicht der Natur in der Antike und heute
Literatur
• Peter Euler und Arne Luckhaupt: Historische
Zugänge zum Verstehen systematischer
Grundbegriffe und Prinzipien der
Naturwissenschaften, AFL Frankfurt, 2010
• Ernst F. Schwenk: Sternstunden der frühen
Chemie, Verlag C. H. Beck, 1998
• Bilder von www.wikipedia.org (17.09.2011)
VIELEN DANK!