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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.