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

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

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

Icon Branching Szenario

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​.che​mie​-inter​ak​tiv​.net/​h​t​m​l​_​f​l​a​s​h​/​f​f​_​g​a​l​v​a​n​i​s​c​h​e​s​_​e​l​e​m​e​n​t​.​swf
[3] https://​www​.blip​par​.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.

Lernstart

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

ausgefüllte eteaching Matrix_Schrammer

Der eTeaching-Burger in der geplanten Sequenz

Icon Hinweis

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.

Aufbau der kompletten Unterrichtseinheit

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. 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​.you​tube​.com/​w​a​t​c​h​?​v​=​N​C​J​A​u​W​W​C​Acg
https://​www​.insta​gram​.com/​t​a​g​e​s​s​c​h​a​u​/​?​h​l​=de
https://​www​.insta​gram​.com/​q​u​a​r​k​s​.​d​e​/​?​h​l​=de
https://​kress​.de/​n​e​w​s​/​d​e​t​a​i​l​/​b​e​i​t​r​a​g​/​1​4​2​4​1​6​-​w​i​e​-​d​i​e​-​t​a​g​e​s​s​c​h​a​u​-​a​u​f​-​i​n​s​t​a​g​r​am- erfolgreich-ist.html
z.B. https://​sup​port​.apple​.com/​d​e​-​d​e​/​H​T​2​0​9​558

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. Unter­richts­stun­de
Projektabschluss


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

Inhal­te

• Prä­sen­ta­ti­on der Ergeb­nis­se und Eva­lua­ti­on des Projekts

Konkretes Material

Icon Download

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

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