Experimente, die gelingen

Experimente, die gelingen
Experimente für die Klassen 2 bis 7
Volker Schneider
Thomas Zahn
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Einführung
Vorbemerkung
Es gibt fast nichts Trostloseres
als Kinder, die nicht neugierig sind.
Dieses Experimentierbuch wendet sich an Schülerinnen und Schüler der Klassen 3 bis 7.
Es soll dazu dienen, die Experimentier- und Endeckerfreude der Kinder herauszufordern
und sie in einem ersten Zugang für die Arbeitsweisen der Naturwissenschaften zu
begeistern. Die Versuche sind so ausgewählt, dass sie rasche Erfolge ermöglichen und
dabei schon solche Erkenntnisse zu gewinnen sind, auf die in höheren Klassen erfolgreich
aufgebaut werden kann.
Ziele:
Neugier wecken und fördern,
handlungsbezogenes Wissen aufbauen,
Wirklichkeit erklären,
Entscheidungen fällen lernen,
Lust an Naturwissenschaften wecken.
Experimentieren und Probieren befriedigen zuallererst die Neugier. Es ist jedoch recht
schwierig, durch bloßes Herumprobieren eine wirklich fundierte Erkenntnis zu gewinnen.
Bloßes Probieren kostet Zeit und Nerven, führt zu wenig Erkenntnis und bleibt daher meist
auch für die Schülerinnen und Schüler unbefriedigend.
Dabei sind gezielte Fragen an die Natur im Grunde erwünscht. Das aus der angeborenen
Neugier und Probierhaltung der Menschen sich entwickelnde Experimentierverfahren zur
Erfassung von Naturphänomen ist erst rund 500 Jahre alt.
Das Verfahren hat sich aber erst seit rund 100 Jahren zum alleinigen Beweismittel in den
Naturwissenschaften und zunehmend auch in den Sozialwissenschaften und in der
Psychologie entwickelt.
Die Bedeutung von Experimenten und die Schlussfolgerungen daraus für Wirtschaft und
Politik können in unserer Wissensgesellschaft nicht überschätzt werden. Man denke nur
an Untersuchungen wie die Klimadiskussion und an PISA. Man muss Experimentieren
lernen, um die modernen Denkweisen und die moderne Lebenswelt zu verstehen.
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Einführung
Erstaunlich ist die tägliche Beobachtung bei Erwachsenen, dass das strenge und nach
Regeln verlaufende Experimentierverfahren wenig bekannt ist und dass wissenschaftliche
Ergebnisse oft emotional abgelehnt und wenig sachdienlich diskutiert werden. - Umso
wichtiger erscheint eine Einführung in die Denkstruktur von Experimenten und die
Abschätzung von Befunden.
Was sind Experimente?
Experimente sind Anordnungen von Geräten und Situationen, die bestimmte, ausgewählte
Vorgänge aus der Natur in einer Weise erfassen wollen, dass eindeutige Ergebnisse zu
erwarten sind. Sie fußen auf einer vorformulierten Meinung (Theorie) und dienen dazu,
solche „Vorurteile“ zu bestätigen oder zu widerlegen. Außerdem müssen Experimente so
durchgeführt werden, dass sie von anderen Personen auch nachgemacht werden können.
Die Ergebnisse vieler Experimente werden zu einer wissenschaftlichen Theorie
zusammengefasst, die solange als gültig angenommen wird, solange sie nicht durch neue
Experimente widerlegt wird. Daher haben Experimente Entscheidungsfunktion in allen
Erfahrungswissenschaften erlangt.
Einsatzmöglichkeiten im Unterricht der Grundschule
Dieser oben formulierte hohe Anspruch kann auf einer ersten experimentellen Stufe
schon in der Grundschule angebahnt werden, freilich nur im Verbund mit einem
ergänzenden Unterricht. Daher sind den Versuchen, die als Arbeitsblätter formuliert sind,
eine Seite zuvor sachliche und didaktische Vorüberlegungen beigefügt, die man nutzen
kann. Die Experimente selbst wurden nach folgenden Aspekten ausgewählt und weiter
entwickelt: Sie dienen
zur Demonstration erstaunlicher Vorgänge,
zum Überdenken von Meinungen und Annahmen,
als Möglichkeit, die Wirklichkeit weiter zu „erforschen“ und erstmals zu erklären,
zur ersten Einführung in naturwissenschaftliches Denken und Arbeiten.
Der Einsatz im Unterricht kann dabei sehr variabel gestaltet werden: es ist eine
Demonstration im Unterricht möglich, ein Arbeitsunterricht in Gruppen oder auch
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Einführung
Einzelarbeit. Dabei kann die Gliederung der Versuche nach Luft, Wasser, Pflanzen und
Mensch durchaus verlassen werden, da es einige Zusammenhänge gibt, die über diese
Einteilung hinaus weisen, z. B. die Versuche zu Bestandteilen der Luft und der Atmung
des Menschen, oder die Versuche zum Leben der Pflanzen und die Untersuchungen zu
Nahrungsmittelbestandteilen. Einige Experimente eignen sich auch für Projekttage etwa
in 4ten Klassen, da sie auch für Erwachsene und Eltern Überraschungen bieten.
Begründungen für die Auswahl der hier vorgestellten Experimente
Es gibt viele Experimente und Experimentiersätze für Kinder. Hier sind nur solche
ausgewählt, die den folgenden didaktischen Gesichtspunkten genügen:
Beachtung der Bildungspläne,
Bedeutung im täglichen Leben,
Bedeutung in der Zukunft der Schülerinnen und Schüler,
Vermittlung von exemplarischen Zusammenhängen,
Zusammenhang mit der Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler,
Weitere didaktische Gesichtspunkte für die Auswahl waren:
Erreichung von eindeutigen Ergebnissen in 20 Minuten,
Übersichtlichkeit in der Anordnung der Geräte,
Verwendung von Geräten und Material aus der Erfahrungsweit,
Klarheit des zeitlichen Ablaufs,
sachliche Richtigkeit der Ergebnisse,
Durchschaubarkeit,
Möglichkeit zu klaren Ergebnissen zu gelangen,
Interpretierbarkeit durch die Schülerinnen und Schüler selbst,
Erweiterungsfähigkeit im späteren naturwissenschaftlichen Unterricht.
Die Versuche sind in zwei Lehrerfortbildungen intensiv kritisiert und verbessert worden.
Dafür danken wir den beteiligten Lehrerinnen und Lehrern sehr herzlich. Wir hoffen, Ihnen
eine effektive und brauchbare Zusammenstellung überreichen zu können.
Volker Schneider und Thomas Zahn
Pädagogische Hochschule Freiburg
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Einführung
Grundausstattung
Die meisten Schulen verfügen in der Grundstufe nicht über einen Raum für Experimente.
Diese müssen auf den Arbeitstischen in der Klasse ausgeführt werden. Daher die
folgenden Vorschläge für eine flexible „Grundausstattung“:
Arbeitsplatte für Experimente:
Eine an den Rändern hochgebogene Alufolie, ca. 40 x 50 cm, hat sich bewährt. Nach den
Versuchen kann die Folie leicht entsorgt werden. Man kann auch alte Backbleche nutzen.
Kästchen für Substanzen und Hilfsmittel:
Im Arbeitsablauf hat sich ein kleines Pappkästen für die benötigten Substanzen (immer in
kleinen Gläschen mit Schnappdeckel oder mit Schraubverschluss) und Hilfsmittel (wie
Thermometer, Löffel etc), die gerade für den Versuch benötigt werden, bewährt. Damit
kann eine Ordnung während des Experimentierens gewahrt bleiben und die
Aufräumarbeiten gestalten sich einfacher.
Arbeitsblätter
Die mögliche Zettelwirtschaft mit Arbeitsblättern wird als Gefahr für den Unterricht
gesehen. Trotzdem ist jeder Versuch in Form eines Arbeitsblatts gehalten, in dem der
Arbeitsablauf geschildert ist. Die Arbeitsblätter können in Einzelarbeit, in Gruppenarbeit
oder in einem arbeitsteiligen Unterricht in sehr verschiedenen Zusammenhängen
eingesetzt werden.
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Einführung
Wichtig erscheint, dass bei den Experimenten eine klare Arbeitsweise eingeübt wird, die
von einer genauen Beobachtung begleitet wird und in einer möglichst überlegten
Interpretation endet. Daher folgen die Arbeitsblätter immer dem „naturwissenschaftlichen
Ritus“: Frage an die Natur, oft verpackt in einer Behauptung (Hypothese), die Angaben
zum Material (Was brauchst du?), die Angaben zur Durchführung (Was kannst du
tun?), dann ein Vorschlag für ein Protokoll und schließlich die Aufforderung, das
Beobachtete und Protokollierte auch zu deuten, zu erklären und eventuell mit schon
vorhandenem Wissen zu verbinden (Interpretation). Dabei dürfen die Interpretationen
durchaus falsch im naturwissenschaftlichen Stand des Wissens sein – die Beobachtungen
sollten genau und richtig sein. Erst allmählich lernen die Schülerinnen und Schüler den
Ablauf des naturwissenschaftlichen Denkens und lernen dessen Besonderheiten und
Vorteile einzuschätzen.
Geräte und Ausrüstung
Wenn die Schule über einen Grundstock für chemisches Arbeiten verfügt – wie Stative,
Reagenzgläser, Heizplatten, Filter und ähnliches, so sind solche Teile von Vorteil.
Ein solcher Gerätesatz ist aber nicht notwendig. Die Versuche sind alle so angelegt, dass
sie mit Ausrüstung aus den Haushalts- bzw. Camping- Abteilungen von Kaufhäusern
durchgeführt werden können. Dies hat den Vorteil, dass die Schülerinnen und Schüler die
„Geräte“ schon kennen und sie mit „neuen Aufgaben“ versehen können.
Von den im chemischen Labor eingeführten Geräten sind allerdings Reagenzgläser in
bruchfester Ausführung im fünffachen Klassensatz unerlässlich. Dabei kann man die
frischen Reagenzgläser auf etwas Küchenkrepp umgekehrt in einem Glas zur Nutzung
bereitstellen. Während des Versuchs nutzt man ein frisches Marmeladenglas zu
Abstellen. Nach dem Versuch stellt man das benutzte Reagenzglas umgekehrt in ein
weiteres Marmeladenglas ohne Küchenkrepp. Auf diese Weise lässt sich eine
Wiederbenutzung vermeiden.
Alle verwendeten Lösungen sind nicht giftig und können gefahrlos als Abwasser entsorgt
werden.
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Einführung
Ausstattung für die Klasse:
3.1 Geräte
Kleiner Kühlschrank oder eine Gemüsebox (ca. 20 x 30 cm): für die Aufbewahrung in
der Kälte.
Kleinteile: Pappteller, Pappnäpfe, kleine Partylöffel, Buchenholzstäbe, Glasstäbe zum
Rühren, Wischtücher aus Papier, Küchenmesser, Schere, Klebeband, Pipetten aus
Plastik, Partykerzen, Streichhölzer, Taschenmesser, Zahnstocher, Wattestäbchen, kleine
Becher, Marmeladengläser, Untersetzer (alles im Haushaltswarengeschäft).
Heizplatten und Blechnäpfe: für Wasserbäder zum schonenden Erhitzen.
Bunsenbrenner auf Gaskartusche: (Campingbedarf), evtl zusätzlich: Ein Bunsenbrenner
mit Schweißaufsatz (Brenner für Crème brulèe, Haushaltswarengeschäft).
Reagenzgläser: normale Größe, aber die bruchsichere Version wählen (auf die Dauer
wesentlich billiger als die aus dünnem Glas gefertigten). Stative, Muffen und Klemmen:
im halben Klassensatz.
3.2 Chemikalien
gebrannter Kalk: (CaO) (Baumarkt) löst sich in Wasser zur Ca(OH)2. Die abfiltrierte
Lösung hält sich verschlossen bis zu einem halben Jahr. - Wenn man CO2 einleitet, fällt
weißes Pulver (CaCO3) aus, erkennbar an einer deutlichen Trübung. Nachweis für
Kohlenstoffdioxid.
Dichlorphenolindophenol: (ca. 1 g, hält sich jahrelang) löst sich blau in Wasser, entfärbt
sich bei Zugabe von Vitamin C – zum Nachweis von Vitamin C.
Stäbchen aus Buchenholz („Glimmspäne“): zum Sauerstoffnachweis.
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Einführung
Stärke: Mehl, besonders leicht löslich nach Aufkochen ist Mondamin aus Maismehl. Nur
stark verdünnte Lösungen nutzen!).
Stärkenachweis: Blaufärbung mit hellgelber Lugolscher Lösung (Lehrmittelbedarf).
Glucosenachweis: Nachweisstäbchen für Glucose im Urin (Apotheke); Kontrolle: Frischer
Weintraubensaft, Dextrogenergen aus dem Kaufhaus (Haushaltszucker ist ein Disaccharid
(= Doppelzucker) und für die Nachweise nicht zu verwenden!)
Eiweiß: Stäbchen für Eiweißnachweis im Urin (Apotheke) oder Biuretreagenz
(Lehrmittelbedarf).
3.3 Pflanzen:
Wasserpest (Elodea spec): im 2 Literglas mit etwas Schlamm jahrelang am Nordfenster
sehr gutes Wachstum (aus Aquarienhandlung). Für die Sauerstoffentwicklung bei
Sonnenlicht oder Schreibtischlampe, und für Zelluntersuchungen an Blättern.
Fleißiges Lieschen, Balsaminaceae, Zuchtpflanzen mit durchscheinenden Stengeln;
Stangensellerie (Apium dulce, Zuchtform): für Leitbündeluntersuchungen.
Geranien (Geranium spec, Zuchtform): Topfpflanzen mit möglichst wenig
eingeschnittenen Blättern für Stärkenachweis im Blatt bei Fotosynthese.
Duftgeranie (Geranium molle, Zuchtpflanze): am Südfenster in der Klasse auch im Winter
wachsend, für Stärkenachweis und Verdungstungsversuche, in den Blättern Duftstoffe.
Dreimasterblume, Tradeskantia spec, Zuchtformen: wegen ihrer biegsamen Stengel und
fester Blätter für Fotosyntheseversuche und Wassertransport geeignet.
Frische Zweige: von Bäumen mit hohem Wasserbedarf: Ulme, Pappel, Birke.
Gemüse: Spinat (das ganze Jahr über erhältlich).
Samen: Kresse für die Beobachtung des Keimungsablaufs,
Weizen für die Beobachtung von Wurzelhärchen auf Filtrierpapier,
Mais oder Erbsen für Atmungsversuche, Feuerbohnen zur Beobachtung des Wachstums
in Gartenerde oder in Holzspänen
Weiterführende Informationen
AOK (2008): Science kids – Kinder entdecken die Gesundheit, [email protected];
Knobel, Eve (1998): Experimente im Sachunterricht, Volk und Wissen, Berlin;
Klett (2006): Prisma Naturwissenschaften, Klettverlag Stuttgart;
Seilnacht, Thomas (2004): Naturwissenschaftliches Arbeiten, Verlag Seilnacht, Bern
Schrödel (2006): Netzwerk Naturwissenschaften, www.schrödel.de;
Schrödel (2006): Netzwerk Biologie, Arbeitshefte, www.schrodel.de;
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Übersicht
Wasser ist ein besonderer Saft!!
Bei wie viel Grad siedet das Wasser?
In Wasser lösen sich viele Stoffe.
Wie kann man einen gelösten Stoff wieder
gewinnen?
Wir entdecken Säuren und Laugen!
Ein Gas entsteht und verschwindet.
Warum gibt man im Winter Salz auf das Eis?
Wasser ballt sich zu Tropfen!
Luft ist nicht ohne!
Luft ist manchmal im Weg.
Der Ballon in der Flasche!
Der Schuss nach hinten!
Die Luftrakete.
Die Luftmenge kann sich ändern!
Feuer, Feuer!!
Wann geht die Kerze aus?
Ein ganz besonderer Feuerlöscher!
Was Pflanzen können.
Wie Pflanzen wachsen.
Wann können Samen keimen?
Bohnensamen sprengen harten Gips
In den Blättern entsteht ein neuer Stoff!
Wie man Stärke in grünen Blättern
nachweisen kann
Rund um den Körper
Atmung
Wie kommt die Luft in die Lunge?
Menschen atmen Sprudelgas aus!
Wir entdecken Schadstoffe in der Luft!!
Wirbelsäule
Die Wirbelsäule-beweglich, stabil, belastbar
Wir untersuchen Nahrungsmittel
Stärke in der Nahrung
Versteckte Fette
Wo sind die Eiweiße?
Versteckte Zucker?
Wie die Verdauung funktioniert
Wo ist Vitamin C?
Hören:
Wie empfindlich sind unsere Ohren?
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Wie wirken Spülmittel?
Wasser kann auch kleben.
Wasser fließt nicht immer nur nach unten!
Warum Wasser manchmal von Himmel fällt.
Warum platzt die Flasche?
Wasser macht Druck!
Kann Wasser den Strom leiten?
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Hat Luft ein Gewicht?
Nur ein Teil der Luft ist Sauerstoff!
Warum flackert die Kerzenflamme?
Das hüpfende Filmdöschen
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Kann Eisen brennen??
Weißer Rauch, schwarzer Rauch
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Pflanzen leiten Wasser
Wo Pflanzen das Wasser leiten
Wozu dienen Wurzeln?
Pflanzen schützen den Boden!
Erbsen „atmen“ auch.
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Wie kommt der Schall ins Ohr?
Wie kann man die Schallrichtung erkennen?
Schmecken und Riechen
Was schmeckt?
Riechen und Schmecken
Sehen
Sehen und sich täuschen
Unsere Augen sind an einer Stelle blind
Beobachtungen am Auge
Tasten
Teste den Tastsinn
Temperatursinn
Wie genau ist unser Kälte- und Wärmesinn?
Warum wärmt warme Kleidung?
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Auf der einen Seite finden Sie eine sachliche Erklärung und eine didaktische Begründung
zu den Versuchen, auf der anderen Seite den Versuchsaufbau und den Versuchsablauf
in der Form eines möglichen Arbeitsblattes zum Kopieren oder zum Abändern je nach
Klassensituation.