Modellhafte Erschließung und Visualisierung der dynamischen Prozesse auf der Teilchenebene einer galvanischen Zelle und eines Akkumulators

Schulform
Gymnasium

Fach
Chemie

Jahrgangsstufe
12. Klasse

Standort
Baden-Württemberg

Verwendete Tools
App Keynote auf dem iPad
Canva
App Blippar bzw. Blippbuilder zur Erstellung von AR

Übersicht aller Planungen

Autor*in

Alexander Schrammer

Studienrat am Goethe-Gymnasium Ludwigsburg
a.schrammer@goethelb.de

Beschreibung

Die Unterrichtsreihe findet sowohl im Präsenz- als auch im digitalen Unterricht statt. Um den Schüler*innen dabei ein bestmögliches Erleben der thematisierten chemischen Prozesse zu ermöglichen, findet eine Kombination aus selbstständigem praktischen Arbeiten vor Ort sowie digitalem Produzieren von Grafiken statt.

Einsetzbares Material

Zum Arbeitsblatt

Anhand des Arbeitsblattes können die Schüler*innen ihr Gelerntes anwenden und sich so auf die Klausur vorbereiten. Das konkrete Material ist unter dem gleichnamigen Punkt 5 aufgeteilt nach Unterrichtsstunden einsehbar und zur Weiterverwendung downloadbar.

Voraussetzungen

Rahmenbedingungen

Die von mir konzipierte Unterrichtssequenz wird im Chemieunterricht eines dreistündigen Kurses der Kursstufe 2/12. Klasse durchgeführt. Der Kurs besteht aus 5 Schülerinnen und 5 Schülern, die teilweise großes Interesse und Fachwissen mitbringen. Ein paar wenige SuS haben erhebliche Wissenslücken aus der Mittelstufe, lassen sich aber gut für das aktuelle Unterrichtsgeschehen motivieren.
Für die Durchführung der im Folgenden beschriebenen Unterrichtssequenz steht im Präsenzunterricht ein Koffer mit 16 iPads und WLAN im Chemieraum zur Verfügung. Im Distanzunterricht läuft der Unterricht mit sämtlichen Aspekten über die Lernplattform Moodle.
In den ersten Stunden der Unterrichtseinheit „Elektrische Energie und Chemie“ werden Redoxreaktionen untersucht, „die der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dienen“ [1]. Ausgehend von den Überlegungen zum Bau einer Silber-Kupfer-Batterie wurde das Ziel gesetzt, eine Batterie zu entwickeln, die eine höhere Spannung hat. Auf Grundlage der Redoxreihe und der Begründung, dass dem Daniell-Element (die Zink-Kupfer-Batterie) chemiegeschichtlich eine besondere Bedeutung zukommt, wird dessen experimentelle Untersuchung in den Fokus gestellt.

^{[1] Bildungspläne BW}

Weitere Rahmenbedingungen können über die Aufklappliste aufgerufen werden.

Experiment

Das Experiment wird auf eine für die SuS neue Weise durchgeführt. Statt wie bei der Silber-Kupfer-Batterie die Elektrolytlösungen in Bechergläser zu füllen, wird diesmal das Experiment im Mikromaßstab flach auf einer Folie durchgeführt. Hierzu wird die Abbildung des Versuchsaufbaus in einer Klarsichthülle zusammen mit allen für das Experiment notwendigen Materialien bereitgestellt.

Versuchsaufbau

Die Darstellung des Versuchsaufbaus ist angelehnt an Abbildungen in Schulbüchern und erinnert an die klassische Variante mit den Bechergläsern, jedoch habe ich mich für die oben beschriebene experimentelle Vorgehensweise entschieden, da diese ein ressourcenschonendes und risikoarmes Arbeiten mit kleinen Mengen erlaubt und aus der genau vorgegebenen zeichnerischen Versuchsanordnung eine interaktive Versuchsanordnung wird.
Im Internet findet man diverse Animationen, die die Vorgänge auf Teilchenebene im Daniell-Element visualisieren [2]. Ein großer Nachteil solcher Animationen liegt meiner Meinung nach in dargestellten Versuchsanordnungen, die nicht derjenigen entsprechen, mit der das Experiment tatsächlich im Unterricht durchgeführt wurde. Dadurch entsteht eine zusätzliche Hürde im Lernprozess der Schüler, da sie zwischen unterschiedlichen Darstellungen bzw. Versuchsanordnungen hin- und herwechseln müssen. Die dynamische Visualisierung der Prozesse auf Teilchenebene liefert für deren Einsicht einen wichtigen Beitrag, deshalb habe ich eine 3D-Animation über Augmented Reality (AR) mithilfe der kostenlosen App Blippar [3] und dem Tool Blippbuilder erstellt.

[2] http://www.chemie-interaktiv.net/html_flash/ff_galvanisches_element.swf
[3] https://www.blippar.com/

Augmented Reality mit Blippar und Blippbuilder

Nach Anlegen eines kostenlosen Accounts können mit diesem Tool eigene Animationen nach dem Baukastenprinzip erstellt werden. Der Umgang mit dem Blippbuilder ist dabei relativ selbsterklärend. Die von mir gewählten Darstellungen, wie Farbe und Größe der Teilchen, sind durch den Funktionsumfang des Tools bedingt und bedienen unter Umständen Präkonzepte der Schüler. Daher müssen auf jeden Fall die Grenzen der Modellanimation mit den Schülern besprochen werden. Die Abbildung der Versuchsanordnung dient als sogenannter Marker und wird als Grundlage für die Erstellung der Animation verwendet. Bei Fertigstellung wird ein Zahlencode erzeugt, der in den Einstellungen der App eingegeben wird, sodass die Schüler die Animation ohne vorherige Registrierung bei Blippar verwenden können. Dies ist aus datenschutzrechtlichen Gründen zu begrüßen und macht es einfach, AR im Unterricht einzusetzen. Die Schüler scannen die Abbildung mit der App und betrachten die ablaufende Animation. Dabei gelingt ein gleitender Wechsel von der Stoff- zur Teilchenebene. Der in der Fachdidaktik verwendete Begriff der „Teilchenlupe“ wird durch den Einsatz des Tablets und von AR zum haptisch und optisch erfahrbaren Erlebnis für die Schüler. Sie entdecken die Prozesse der Teilchenebene im Modell direkt oberhalb der realen Stoffebene, die über die Kamera des Tablets sichtbar bleibt.

Arbeitsblatt

Auch die Übertragung der dynamischen Vorgänge auf Teilchenebene in eine statische Darstellung zur Sicherung auf dem Arbeitsblatt sollte von den Schülern eigenständig leistbar sein. Zuhause können die Schüler sich die kostenlose App herunterladen und sich die Animation auf ihrem nun interaktiven Lernmaterial z.B. zur Vorbereitung auf die Klausur noch einmal anschauen.
Im Distanzunterricht muss den SuS ein Video des Experiments bereitgestellt werden, die Betrachtung der AR-Animation kann durch eigene Smartphones/Tablets oder Leihgeräte von der Schule gewährleistet werden.

Projekt

Die Unterrichtssequenz wird mit einem wissenschaftsjournalistisch angelegtem Projekt fortgesetzt. Fachlich setzen sich die SuS mit den Prozessen der Entladung und Aufladung eines Lithium-Luft-Akkumulators auseinander. Clare Grey, Körberpreisträgerin 2021, forscht an diesen Akkus. Zu ihren Ehren sollen die SuS, ähnlich wie Beiträge der Tagesschau auf Instagram, einen Fake-Instagram-Post erstellen und die Vorgänge auf Teilchenebene mit einer geeigneten Animation (ggf. sogar als AR) visualisieren. Gängige Präsentationstools können für die Erstellung der Animation herangezogen werden, Canva unterstützt das hochwertige Design des Fake-Instagram-Posts. Dieser Teil der Unterrichtssequenz kann sowohl im Präsenz- als auch Distanzunterricht ohne Einschränkungen durchgeführt werden. Ein Kanban- Board auf der verwendeten Lernplattform Moodle unterstützt die Projektarbeit. Durch Peer Feedback, welches digital über die Forumsfunktion in Moodle gegeben wird, wird die Arbeit der SuS überwacht und damit der Erfolg des Projekts gewährleistet.

Angestrebte Lernziele

Die Schülerinnen und Schüler können…
• den Aufbau einer galvanischen Zelle am Beispiel des Daniell-Elements
beschreiben.
• die wesentlichen Prozesse im Lithium-Luft-Akkumulator auf Teilchenebene mit
einer selbst entwickelten Animation darstellen und Forschungsergebnisse hierzu adressatengerecht z.B. in einem Fake-Instagram-Post aufarbeiten.

Planung

Der eTeaching-Matrix in der geplanten Sequenz

Der eTeaching-Burger in der geplanten Sequenz

Um zu sehen, wie sich die im eTeaching-Burger beschriebenen Prinzipien qualitativ hochwertigen Hybridunterrichts in der dargestellten Unterrichtssequenz wiederfinden, klicken Sie auf die Zutaten in der interaktiven Burgergrafik.

^{eTeaching-Burger I Schulnetzwerk des ZfL der Universität zu Köln (https://zfl.uni-koeln.de/schulnetzwerk) I}^{CC BY SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)}

Aufbau der kompletten Unterrichtseinheit

1.-2. US

1.-2. Unterrichtsstunde
Die Zink-Kupfer- Batterie (Das Daniell-Element)

geförderte Kompetenzen/Ziele
Die SuS können
• ein Experiment zur
Überprüfung ihrer Hypothese planen und durchführen
• den Aufbau einer galvanischen Zelle am Beispiel des Daniell- Elements unter Verwendung der Fachsprache beschreiben und die Elektrodenreaktionen formulieren
• eine Animation (über Augmented Reality) nutzen, um sich die wesentlichen Prozesse einer galvanischen Zelle zu erschließen
• die Grenzen von Modellen aufzeigen

Inhalte

Problematisierung
• Gesucht: Batterie, die eine höhere Spannung, als die Silber-Kupfer-Batterie hat
• Hypothesenbildung zur Problemlösung: die Zink- Kupfer-Batterie hat eine höhere Spannung als die Silber-Kupfer-Batterie
• Versuchsplanung

Erarbeitung
Anweisungen zum Experimentieren und Durchführung des Experiments

Ergebnissicherung und Verifizierung
• Dokumentation der
gemessenen Spannung
• Formulierung der
Reaktionsgleichungen und Überprüfung mithilfe der AR-Animation
• Übertragung der dynamischen Prozesse auf Teilchenebene in eine statische Darstellung sowie Verfassen eines Textes zur Erklärung dieser Prozesse mithilfe der AR-Animation
• Auswertung im Plenum, Modellkritik

3.-4. US

3.-4. Unterrichtsstunde
Batterieforschung, Projektvorstellung und Recherche

geförderte Kompetenzen/Ziele
Die SuS können
• Akkumulatoren als
Möglichkeit der elektrochemischen Speicherung von Energie erläutern
• anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung bei elektrochemischen Stromquellen aus aktueller und zukunftsorientierter Perspektive erläutern

Inhalte

Motivation
• Vorstellung von Clare Grey, Körberpreisträgerin 2021, für ihre Forschung an nachhaltigen Lithium-Luft- Akkus
• Tagesschau und Quarks auf Instagram
(Artikel: Wie die Tagesschau auf Instagram erfolgreich ist; „Quarks auf Instagram“ Grimme Online Award 2021 Nominierung)

Projektvorstellung
• Gestaltung eines Instagram-Posts mit Canva oder eines Posters
• Inhalt: Info zu Clare Grey und ihrer Forschung
• Animation der Vorgänge des Lithium-Luft-Akkus als zentraler Aspekt
• Animationen können mit Keynote erstellt werden oder im Falle des Posters als AR über den Blippbuilder
• Tools werden vorgestellt und Links sowie Videotutorials auf Moodle bereitgestellt
• Vorstellung des Kanban- Boards und seiner Funktion

Ggf. Einteilung in 2er-Teams
Start der Recherche

Medien

https://www.youtube.com/watch?v=NCJAuWWCAcg
https://www.instagram.com/tagesschau/?hl=de
https://www.instagram.com/quarks.de/?hl=de
https://kress.de/news/detail/beitrag/142416-wie-die-tagesschau-auf-instagram- erfolgreich-ist.html
z.B. https://support.apple.com/de-de/HT209558

5.-9. US

5.-9. Unterrichtsstunde
Erstellung der Animationen und des fertigen Produkts

Inhalte

• Lehrkraft gibt Tipps und Hilfestellung bei inhaltlichen und/oder technischen Fragen und überwacht Einhaltung der Arbeitsziele im Kanban-Board sowie des Peer Feedbacks über die Forumsfunktion in Moodle

10. US

10. Unterrichtsstunde
Projektabschluss

geförderte Kompetenzen/Ziele
Die SuS können
• die Ergebnisse ihrer Arbeit adressatenbezogen präsentieren

Inhalte

• Präsentation der Ergebnisse und Evaluation des Projekts

Konkretes Material

Konkrete Beispielmaterialien können über die Aufklappliste aufgerufen werden.

bereitgestelltes Material für das Experiment

Abb. 1: bereitgestelltes Material für das Experiment

AR-Animation mit Blippar

Abb. 2: AR-Animation mit Blippar

Spannungsmessung

Abb. 3: SuS messen die Spannung der Zink-Kupfer-Batterie

Download Arbeitsblatt

Arbeitsblatt: Die Zink-Kupfer-Batterie

Weiternutzung als OER ausdrücklich erlaubt: Dieses Werk und dessen Inhalte sind – sofern nicht anders angegeben – lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “Modellhafte Erschließung und Visualisierung der dynamischen Prozesse auf der Teilchenebene einer galvanischen Zelle und eines Akkumulators” von Alexander Schrammer, Lizenz: CC BY 4.0. Der Lizenzvertrag ist hier abrufbar: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de

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