Didaktik der Chemie, Bergische Universität, Wuppertal

NEIK (Nachhaltige Experimente, Innovative Konzepte): Lichtlabor Pflanze
Photoprozesse, d. h. Vorgänge mit Beteiligung von Licht, haben bei vielen Vorgängen in Natur, Technik und Alltag Schlüsselfunktionen. Die Beispiele reichen von der Farbigkeit der Alltagsgegenstände bis zur Photosynthese in grünen Pflanzen, von den Vorgängen in der Atmosphäre und in unserem Auge bis zum Flachbildschirm des Fernsehers und der Solarzelle auf dem Dach. Die Energiewende, der Klimawandel und die Nachhaltigkeit sind globale Probleme des 21. Jahrhunderts, die nur gelöst werden können, wenn auch unsere Schuljugend für die Möglichkeiten sensibilisiert wird, die in der Nutzung des Solarlichts liegen. Photoprozesse sind interdisziplinär und können an verschiedenen Stellen des Chemieunterrichts und anderer MINT-Fächer eingesetzt werden. Sie bieten eine Fülle von motivierenden Kontexten, an denen die Basiskonzepte, Kompetenzen und lehrplankonforme Inhalte der Chemie und benachbarter Fächer, insbesondere Physik, Biologie, Informatik und Geographie, vermittelt und gefördert werden können.
Im Workshop stehen Modellexperimente zum „Lichtlabor Pflanze“ im Vordergrund. Dabei geht es um das Zusammenwirken von Chlorophyllen und Carotinoiden bei der Photosynthese sowie um die stofflichen und energetischen Grundlagen beim natürlichen Kreislauf Photosynthese und Atmung. Die didaktische Verwertung und curriculare Einbindung der Experimente in der Sekundarstufen I und II wird mithilfe von Unterrichtskonzeptionen, Arbeitsblättern, Modellanimationen und Lehrfilmen unterstützt.

Zur Person
Michael W. Tausch, langjähriger Chemielehrer (1976 bis 1995) an der Kooperativen Gesamtschule Kirchweyhe und Professor für Chemie und ihre Didaktik an den Universitäten Duisburg (1995 bis 2005) und Wuppertal (seit 2005), entwickelt Lehr- und Lernmaterialien als Print- und Elektronikmedien sowie als Interaktionsboxen mit experimentellem Equipment. Sein Forschungsinteresse gilt insbesondere der curricularen Innovation des Chemieunterrichts und des Chemie-Lehramtsstudiums. Einen Schwerpunkt bilden dabei die Prozesse mit Licht. Auf diesem Gebiet leistet er Pionierarbeit für den Chemieunterricht und die benachbarten MINT-Fächer. Tausch erhielt im Jahr 2015 als erster Chemiedidaktiker den neu eingerichteten Heinz-Schmidkunz-Preis der Gesellschaft Deutscher Chemiker.

Wilhelm und Else Heraeus-Seniorprofessor für neue Lehrkonzepte in der Physik am Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin

Experimente mit Wolken, Nebel und Licht
Wolken-Bildung und -Bedeckung spielen hinsichtlich der Entwicklung unseres Klimas eine entscheidende Rolle. Dahinter verborgene Abläufe lassen sich in einem verblüffend einfachen Nebelkammerversuchsaufbau sehr anschaulich demonstrieren und erschließen. Dieses Experiment wollen wir gemeinsam durchführen und dabei erleben, wie die Druck- und Temperatur-Erniedrigung bei leicht feuchter Luft zu merklicher Nebelbildung in der Kammer führt. Die Ergiebigkeit des Prozesses wird drastisch erhöht, wenn minimale Mengen Rußpartikel oder Silber-Iodid in der Kammer verstreut werden. Letzteres wird bereits angewendet – beispielsweise bei Hagel-Fliegern oder bei Versuchen lokaler Niederschlagsbeeinflussung (beispielweise während der Olympischen Spiele in Peking). Der methodische Ansatz lässt jedoch wichtige Fragen – wie beispielswese nach der Umweltverträglichkeit der Methode – offen.
Es gibt jedoch vielversprechende Alternativen. So kann verblüffend starke Nebelbildung beispielsweise beobachtet werden, wenn in der Atmosphäre – wie beim Gewitter – elektrische Ladungsträger generiert werden. Die interessanteste Perspektive liefert jedoch das Licht: So ist es bereits möglich, Kondensationsprozesse in der Atmosphäre mittels intensiver Laserpulse signifikant zu beeinflussen und so die Entstehung von (Hagel)-Wolken zu verhindern. Auch können so kontrollierte Entladungen von Gewitterwolken erreicht werden. Die Funktionsweise des verwendeten Lasertyps wird zum Schluss in einem Demonstrationsexperiment vorgeführt werden.

Zur Person
Nach seinem Studium der Physik in Aachen, Bonn und Köln, Promotion in Bern und verschiedenen Auslandsaufenthalten in Stanford, Paris und Lausanne war Ludger Wöste von 1989 bis 2014 als C4-Professor für Experimentalphysik am Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin tätig. Seitdem ist er Inhaber einer Wilhelm und Else Heraeus-Seniorprofessur für neue Lehrkonzepte in der Physik. Seine Lehr- und Forschungsgebiete sind die Ultrakurzzeitspektroskopie, die optische Fernerkundung der Atmosphäre und die Vermittlung der Inhalte moderner Forschung an die Öffentlichkeit und Schulen.
Über die Ergebnisse dieser Arbeiten hat er über 300 wissenschaftliche Veröffentlichungen, 3 Bücher und 13 Patente verfasst. Seine Arbeiten wurden mit dem Innovationspreis der Länder Berlin und Brandenburg, dem Smoluchowski-Warburg-Preis der Deutschen und Polnischen Physikalischen Gesellschaft, dem Gay-Lussac-Humboldt-Preis des Französischen Wissenschaftsministeriums, dem Preis des Wissenschaftsmagazins „La Recherche“ und dem Französischen Nationalpreis gewürdigt. Außerdem ist er Honorarprofessor der Universität Nanjing (China), Doctor honoris causa der Universität Claude Bernard, Lyon (Frankreich), und Doctor honoris causa der West Universität, Timisoara (Rumänien).

¹ Fachbereich Physik, AG Didaktik der Physik, Freie Universität Berlin
² Fachbereich Erziehungswissenschaften, AB Schulpädagogik/Schulentwicklungsforschung, Freie Universität Berlin

Interaktive Bildschirmexperimente: Realdatenbasierte digitale Repräsentation naturwissenschaftlicher Experimente
Kann ich mit ionisierender Strahlung oder Hochspannung gefahrlos experimentieren? Wie verhalten sich Elektronen, wenn man sie auf eine Kristalloberfläche schießt? Welche Masse hat die Erde? Natürlich gibt es Formeln dafür, aber die Zusammenhänge versteht man besser, wenn sie in Experimenten anschaulich und im eigenen Tempo nachvollziehbar werden. Weil Zeit und Raum für echte Experimente im Unterricht oft begrenzt sind, hat die Arbeitsgruppe für Didaktik der Physik der Freien Universität Berlin das Interaktive Bildschirmexperiment (IBE) entwickelt: Fotografisch repräsentierte Experimente lassen sich durch realitätsnahe Handlungen mit der Maus oder per Touchscreen am Bildschirm (Tablet) durchführen und liefern ein unmittelbares Feedback – generiert aus Bild-, Ton- und Messdaten. Dadurch entfallen sowohl der in vielen Fällen hohe Aufwand für computergenerierte Modelle, ihre dreidimensionale Visualisierung als auch die Bereitstellung von fernsteuerbaren Experimenten im Internet.
IBE werden im Unterricht der Schule und in der Lehre bereits seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt. Mit dem Projekt „Technology Enhanced Textbook (TET)“ wurde das didaktisch-technologische Konzept des IBE auf das digitale „Lehrbuch der Zukunft“ übertragen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte das Projekt im Rahmen des von 2010 bis 2013 als Teil der sogenannten Hightech-Strategie für Deutschland. Die aus diesem Projekt weiterentwickelte Online-Plattform „tet.folio“ unterstützt Lernende durch eine digitale Erweiterung der Realität sowie durch Werkzeuge für die aktive Wissenskonstruktion und zum kooperativen Lernen. Ziel ist es, durch (angeleitetes) Selbermachen in digital erweiterten Lernumgebungen Kompetenzen im naturwissenschaftlichen Unterricht auf anschauliche Weise zu erwerben.
IBE lassen sich mit der in tet.folio integrierten Autorenumgebung herstellen, in digitales Lehr-Lernmaterial vielfältig einbetten und online bereitstellen. Durch die mögliche Entkopplung von Ort und Zeit des (mobilen) Experimentierens liefern IBE einen Beitrag zur Flexibilisierung des Lernens und können lebensbegleitende Lernprozesse wirksam unterstützen. In empirischen Studien wurde die Lerneffizienz der Kombination realer und virtueller Medien zum gleichen Inhalt untersucht. Ergebnis: Mit interaktiven Bildschirmexperimenten lernt man unter bestimmten Bedingungen nicht nur gleich gut, sondern sogar schneller.

Zu den Personen
Jürgen Kirstein forscht seit 1996 über multimediale Repräsentationen von realen Experimenten für das Lehren und Lernen in der Physik. Zuvor war er mehr als zehn Jahre als Studienrat für die Fächer Physik, Mathematik und Informatik im Schuldienst tätig. Er hat das IBE-Format im Rahmen seines Promotionsvorhabens entwickelt und zahlreiche Entwicklungs- und Evaluierungsprojekte zu Anwendungen von IBE in Schule und Hochschule konzipiert und verantwortlich geleitet. Seine Arbeiten wurden unter anderem mit dem European Academic Software Award (2000) ausgezeichnet. Als Kollegiat der Alcatel-Lucent Stiftung für Kommunikationsforschung war er 2002 am interdisziplinären Austausch zu Grundfragen multimedialer Lehre und Lernens beteiligt. Im Rahmen der Forschung und Entwicklung zu IBE hat er die vom BMBF geförderten Projekte „Technology Enhanced Textbook (TET)“ und „Erfahrungsbasiertes Lernen durch interaktives Experimentieren in erweiterten Realumgebungen (ELIXIER)“ (2016 bis 2018) maßgeblich konzipiert und beratend begleitet.

Sebastian Haase hat als verantwortlicher Entwickler die Web-Applikation „tet.folio“ implementiert und maßgeblich an der Konzeption mitgewirkt. Er konnte hier umfangreiche Erfahrungen aus seiner Promotion in der Biophysik einbringen, bei der er auch international gearbeitet hat. Seine Kompetenzen reichen von der Softwareentwicklung und Bildverarbeitung bis zur Hardwareentwicklung und Programmierung der jeweiligen Schnittstellen. Dabei sammelte er Erfahrungen in der Mikro-Controller-Programmierung und kann Skriptsprachen wie Python per Customized Runtime-Library-Interfaces an Hardwareschnittstellen anbinden. Er verfügt weiter über die nötige System-Administrator-Erfahrung, um die Hardwareschnittstellen per XML- oder JSON-Protokollen an HTTP-Webserver zu binden und diese damit über eine Online-Webseite entweder weltweit oder lokal hinter einer Firewall erreichbar zu machen. Im Rahmen von ELIXIER war er unter anderem für die Integration der tet.folio/IBE-Technologie in ein Lernanalyse-Modul und die tet.folio Infrastruktur zuständig. Seit 2019 ist er im Arbeitsbereich Schulpädagogik/Schulentwicklungsforschung für den Betrieb und die Weiterentwicklung der tet.folio-basierten Video-Plattform „FOCUS“ zuständig.