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Softwareeinsatz im Chemie-
Unterricht
1. Molecular Design
- Es
ist ein Zeichen der Zeit, dass John A. Pople und
Walter Kohn 1988 für die Entwicklung
einer Software den Chemie- Nobelpreis erhielten. Es sollte also heute zu den Lehrzielen gehören, die Schüler
mit diesen modernen Methoden bekannt zu machen.
Die
Ladungsdichteverteilung und das Docking von Molekülen lassen sich heute mit geeigneter Software auf einem
Standard- PC berechnen und grafisch darstellen. Der herkömmliche Molekülbaukasten kann an wirklich sehr
vielen Stellen im Unterricht eingesetzt werden. Der virtuelle Molekülbaukasten soll nicht den Steckbaukasten
ersetzen. Am PC lassen sich Moleküle jedoch wesentlich schneller aufbauen. Man kann in kürzerer Zeit
mehr und größere Strukturen untersuchen. Moderne Software wie das UltraMol Office ermöglichen zusätzlich das schnelle Umschalten zwischen Kalotten- oder Stab-
oder Potentialmodellen in Echtzeitdarstellung von Moleküldrehungen.
Da UltraMol auch Moleküle mit ihren Orbitalen darstellen
kann, geht diese Anwendung über die Möglichkeiten herkömmlicher Molekülbaukästen hinaus.
Mit einem Mausklick wird die Ladungsdichteverteilung im Molekül berechnet und farbig abgebildet. Mit dieser,
der Schulpraxis entstammenden, Software kann man den Schüler schon in die Grundlagen der Computational Chemistry
einführen. Der Nachteil aller elektronischen Baukästen, nämlich dass die Schüler zunächst
die Programmbedienung lernen müssen, wird bei UntraMol durch die frei kopierbare Zusatzdiskette MolView ausgeglichen.
Da der Lehrer hierauf alle für ein Thema erforderlichen Molekülstrukturen speichern kann und er die Diskette
den Schülern auch mit nach Hause geben darf, wird ein praxisgerechter Einsatz wesentlich erleichtert.
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Abbildung 1:
Die Orbitaldarstellung des Butadiens in UltraMol Office,
wahlweise mit isolierten oder konjugierten Doppelbindungen, ist ein Beispiel dafür, dass mit moderner Schulsoftware
die Möglichkeiten des herkömmlichen Molekülbaukastens wesentlich erweitert werden. Moleküle
lassen sich auch in Kalotten- oder Stabform mit der Ladungsverteilung darstellen.
Die Software ermöglicht desweiteren das Zeichnen von Strukturformeln und deren direkte Umwandlung in 3D- Strukturen. |
2. Simulation chemischer Sachverhalte
Die praktische chemische Tätigkeit der Schüler
sollte die Basis eines modernen Chemieunterrichts sein. Die Simulationssoftware Elektrochemische Zellen Pro soll also nicht das Experiment ersetzen, sondern die
experimentell gewonnenen Erfahrungen durch die Vielzahl der Kombinationsmöglichkeiten erweitern. Hierbei helfen
hierbei neben einer Datenbank zu Teilreaktionen mit ihren Normalpotentialen ein integrierter Rechner sowie die
automatische Kalkulation von Potentialen und Potentialdifferenzen mit oder ohne der Nernst' schen Gleichung. Die
Bedienung der Software ist denkbar einfach. Ähnlich wie im Realexperiment werden Elektroden mit ihren Elektrolyten
mit der Maus in eine bereitstehende Versuchsanordnung gezogen. Auf weitere Mausklicks hin werden Anode, Kathode,
Elektronenstromrichtung oder die Teilgleichungen für den Oxidations- bzw. Reduktionsvorgang und für die
Gesamtgleichung eingeblendet. Da alle Ergebnisse über die Windows- Zwischenablage in Textverarbeitungen kopierbar
sind, lassen sich mit dieser Software auch schnell Arbeitsanweisungen erstellen.
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Abbildung 2:
Simulationssoftware, wie hier die Elektrochemischen Zellen Pro, bildet Realexperimente nach. In die Bechergläser werden die Elektroden mit der Maus hineingezogen.
Auf einen Mausklick hin werden die Normalpotentiale und die Potentialdifferenzen berechnet. Da die Nernst'sche
Gleichung integriert ist, lässt sich beispielsweise der theoretische Hintergrund des Realexperiments ableiten.
Ähnlich aufgebaut ist die Gibbs- Energetik, eine Software zu Enthalpie- und Entropieberechnungen. |
Ähnlich aufgebaut ist die Gibbs- Energetik, eine Software zur Berechnung der freien Enthalpie. Aus einer Datenbank mit einigen
hundert thermodynamischen Daten wird eine Reaktionsgleichung mit der Maus am Bildschirm aufgestellt. Die berechneten
Ergebnisse lassen sich numerisch oder grafisch darstellen und dienen als Diskussionsgrundlage zu energetischen
Betrachtungen. Der Einsatz solcher Simulationssoftware spart, da auf mitgelieferte Datenbanken zurückgegriffen
wird, viel Zeit gegenüber herkömmlichem Methoden.
3. Lehrsoftware
Lehrsoftware besteht aus fertigen Sequenzen, die entweder zur Schülerarbeit oder zur Präsentation
vor der Klasse eingesetzt werden können. Zur Projektion reicht ein Video- Encoder, der das digitale Monitor- Signal in die analogen Signale eines normalen Fernsehers
überträgt. Da Lehrsoftware multimedial aufgebaut ist, ist der Datenträger der normalerweise die
CD. Ein Beispiel für eine solche multimediale Software für den Chemie- Unterricht ist die DynaChem CD, eine Software, die Reaktionsmechanismen in der Organischen
Chemie simuliert. Diese CD kann man wie die bisherigen Folien auf dem Overhead- Projektor verwenden. Eine voluminöse
Foliensammlung wird durch eine schlichte CD ersetzt. Anstatt von Standbildern werden die Animationen wie ein herkömmlicher
Kurzfilm z.B. zum Einstieg, zur Veranschaulichung oder zur Erweiterung des Unterrichts eingesetzt.
Die andere, wirklich neue Einsatzmöglichkeit der CD
liegt darin, dass der didaktische Aufbau des jeweils zweiten Teiles der Sequenzen die selbständige Arbeit
der Schüler im Computerraum ermöglicht. Mit erläuternden Texten, weiteren Grafiken, Videos und einblendbaren
Hilfestellungen wird der Schüler durch die Reaktionsmechanismen in Molekülanimationen und animierten
Formeldarstellungen geführt. In Testseiten kann er sein Wissen überprüfen. Schüler arbeiten
gerne mit Multimedia- Anwendungen. Sie können selbst aktiv werden und ihre Lerngeschwindigkeit individuell
bestimmen. Ein dauerhafter Lernerfolg stellt sich jedoch nur ein, wenn der Lehrer als Moderator einen solchen Kurs
begleitet.
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Abbildung 3:
DynaChem unterstützt als Lehr- und Präsentations-
Software den Unterricht in der Organischen Chemie. Die neue Multimedia-Technik mit animierten Darstellungen von
Reaktionsabläufen in Molekül- und Formeldarstellung ermöglicht durch den stufenweisen Aufbau einen
unserem Wahrnehmungsvermögen entsprechenden, visuellen Lernvorgang.
Auf der CD sind über 80 Sequenzen mit den grundlegenden Mechanismen der Alkane, Alkene, Aldehyde, Carbonsäuren,
Ester und den Substitutionen in der Aromatischen Chemie.
Die zum Verständnis erforderlichen Grundlagen der Organischen Chemie finden sich in der OrgaChem CD. |
4. Arbeitshilfen für den
Lehrer
Trotz der vielfältigen Möglichkeiten, die der Softwareeinsatz
für den modernen Chemie- Unterricht bietet, so solte das eigene Experiment des Schülers die Basis eines
modernen Unterrichts bilden. Mit den neuen GlassyPraktika steht
dem Lehrer eine Auswahl an Praktikumsanleitungen zur Verfügung, die er erstmals seinen Lehrzielen individuell
selbst anpassen kann. Die Software ist ein Zusatz zu GlassyChemistry, einem speziell für die Schule entwickelten Formel- und Laborgeräte- Editor,
abgestimmt auf die Textverarbeitung Microsoft Word97. Der Textteil eines Arbeitsblattes wird in Word geschrieben,
der Grafikteil, sei es eine Destillationsvorrichtung, eine Strukturformel oder ein Fließdiagramm zur Ammoniaksynthese,
wird in GlassyChemistry erstellt und über die Windows- Zwischenablage direkt in den Text eingefügt. Die
Grafiken können auch im hochauflösenden WMF- Format gespeichert und damit in alle anderen gängigen
Windows- Textverarbeitungen importiert werden. Die fertigen Arbeitsblätter in den GlassyPraktika sind so gestaltet,
dass der Schüler nicht nur eine Anweisung erhält, sondern in das Blatt auch seine Beobachtungen und Auswertungen
eintragen kann. GlassyPraktika ist eine Sammlung von vollständig mit GlassyChemistry erstellten Arbeitsblättern.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Laborblättern lassen sich die Anleitungen der GlassyPraktika vor dem Ausdruck
in GlassyChemistry vom Lehrer bearbeiten, so dass er diese seinem Lehrgang anpassen kann. Zu der Software gehört
der CompuChem MultiViewer, mit dem die Arbeitsblätter zusammen mit kurzen Laboranweisungen betrachtet und
ausgewählt werden.
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Abbildung 4:
Die neuen GlassyPraktika sind eine Sammlung von mit GlassyChemistry erstellten
Experimentier- und Praktikumsanleitungen mit Laborskizzen, Beschriftungen und Strukturformeln.
Alle Arbeitsblätter können vom Lehrer gemäß den eigenen Vorstellungen in GlassyChemistry verändert
und ausgedruckt werden. Zu der Software gehört der vielseitige MultiViewer mit dem sich außer den Experimentieranleitungen
alle HTML, GIF, JPG, BMP, TXT- Files wesentlich schneller als mit der entsprechenden Originalsoftware betrachten
lassen. |
5. Fazit
Moderne Software kann direkt oder indirekt helfen, einen
zeitgemäßen Unterricht aufzubauen. Schüler lernen nicht nur Chemie, sie werden nebenher auch mit
den Möglichkeiten der Datenverarbeitung in der heutigen Forschung bekannt gemacht. Digitale Medien können
aufgrund ihrer Interaktivität und der hohen Speicherkapazität moderner Datenträger eine praxisgerechte
Unterrichtshilfe sein, sofern diese pädagogisch und didaktisch geschickt eingesetzt wird.
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