Starre Modelle oder erlebte Qualität?

Wir sind gewohnt, dass uns komplexe Sachverhalte vereinfachend in Bildern erklärt werden. Diese sollten möglichst wahrheitsgetreu die Wirklichkeit abbilden. Fragt man nach dem Aufbau der Materie, werden die meisten von uns von sehr kleinen Kugeln erzählen, die von weiteren Kugeln umflogen werden –, dem klassischen Atommodell (siehe Abb. unten). Und vielleicht noch, dass diese Kügelchen in noch kleinere Kügelchen zerteilt werden können, die wieder zerteilt werden können, bis schließlich nichts mehr zurückbleibt.

Schon Nils Bohr, der vor etwa hundert Jahren das weithin bekannte Atommodell mitentwickelte, war klar, dass dieses Modell die Wirklichkeit nur begrenzt abbildet. Die Ladungen stellen ein Problem dar, der positiv geladene Kern müsste die ihn umkreisenden, negativ geladenen Elektronen anziehen.

Die Elektronen sollten, den gültigen Theorien entsprechend, elektromagnetische Strahlung und damit Energie abgeben, abgebremst werden und schließlich in den Kern stürzen.

Didaktisch stellt sich aber ein wichtigeres Problem: Dieses faszinierende Bild kann nicht »wachsen«. Insbesondere wenn es früh, oft in der 8. und 9. Klasse an den Anfang des Chemie-Unterrichts gestellt wird, setzt sich ein Bild fest und überdauert nahezu unverändert bis ins Alter, auch wenn im weiteren Unterricht versucht wird, es zu modifizieren. Unser Bild der Feinstruktur der Materie wird geprägt durch diese kleinen Kügelchen, die unserer Erfahrung des Ganzen, Festen, Beständigen widersprechen und eine sehr vereinfachte Version des heute gültigen Modells darstellen.

Unterrichtsinhalte müssen mitwachsen können

Der Lernprozess des Schülers ist bestimmt von seiner eigenen Entwicklung. Diese legt die jeweiligen Erkenntnisgrenzen fest. Ein Unterrichtsinhalt muss dem Bewusstseins- stand des Schülers angemessen sein und entsprechend den sich entwickelnden Fähigkeiten im Lauf der Jahre »mitwachsen« können, ohne »unverdauliche« Reste zu hinterlassen. Die Welt der Materie ist für den Schüler zunächst die sinnlich erfahrbare Welt. Vor der Theorienbildung gilt es, diese kennenzulernen.

Erst in der Chemie-Epoche der 7. Klasse gerät die Substanz selbst in den Blick, aber als Prozess – denn Chemie ist Wandlung. Die Verbrennung, die Produkte der Asche, der Verbrennungsgase und ihre Eigenschaften werden behandelt. Zugleich können die ersten vom Menschen aus den Erzen herausgelösten Substanzen der Metalle wie Gold, Silber, Kupfer, Eisen behandelt werden. Die Substanz wird in der kulturschaffenden Tätigkeit des Menschen erlebt. In der 8. Klasse wird die Übersicht über die dem Schüler bekannte Welt des Festen in den Alltagssubstanzen der organischen Chemie wie Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette vervollständigt.

Erfahrungsbilder führen zur erlebten Qualität

In der Unter- und Mittelstufe führte der Lehrer den Schüler aus seiner vertrauten und beziehungsreichen Welt zu konkreten, aus der Umgebung herausgelösten Substanzen. Die erlebte Umwelt ist Mittelpunkt und Korrektiv. Die Substanz wird im Unterricht an das persönliche Erleben des Schülers angeschlossen. Diese methodische Verknüpfung der Inhalte mit dem Schüler kann sich mit dem seelischen Umschwung in der Pubertät lösen. Der Schüler lernt, die Unterrichtsinhalte frei urteilend anzuschauen, und kann schließlich in der 11. und 12. Klasse – von der eigenen Betroffenheit absehend – die ihnen innewohnenden Gesetze erkennen. Dies ist von Wilhelm Rauthe für die Jahre der Oberstufe als Entwicklung des Urteilsvermögens bezeichnet worden, beginnend mit der praktischen, theoretischen, beseelten und schließlich der individualisierten Urteilskraft. Methodisch erfolgt in der 9. Klasse der Umbruch. Nicht mehr der Lehrer erklärt die Welt, der Schüler ist zunehmend selbst gefordert, zu beobachten, zu beschreiben und zu urteilen.

9. Klasse: die Materie als Prozessqualität

Wiederum treten die Gesetzmäßigkeiten der Substanz in den Mittelpunkt. Diese sind nun chemisch reine Substanzen, die durch den Menschen aus ihrem Zusammenhang herausgelöst und in ihren chemischen Wirkungen erlebbar werden. Soweit möglich werden diese von den Schülern erzeugt, ihre Reaktionen sollen möglichst intensiv erfahren werden. Erfahrbare Prozesse bilden den Beginn der Chemie in der Oberstufe. Der Unterricht bleibt jedoch nicht bei den Phänomenen stehen, sondern sucht aus ihnen übergeordnete Gesetzmäßigkeiten zu entwickeln. Die Chemie der 9. (organische Chemie) und 10. Klasse (Salze, Säuren und Basen) erscheint zunächst wie eine Wiederholung oder Spiegelung der Inhalte der 7./8. Klasse. Noch immer tauchen die Kügelchen als Erklärungsmodell nicht auf, der Schüler muss den Weg der Urteilsfindung sicher beherrschen, um dann in der 11. Klasse selbst Modelle entwickeln und ihren Wirklichkeitsgehalt verstehen zu können. Man beginnt zum Beispiel mit Zuckern, die sich unter Wasserverlust zu Stärke und dann zu Zellulose verdichten. Formeln werden noch nicht verwendet, denn sie führen zu keinem Erkenntnisgewinn, sondern sind auf dieser Entwicklungsstufe auswendig zu lernender Ballast.

Der Prozess der Gärung unseres Haushaltszuckers führt zur Bildung eines schweren Gases (= Kohlendioxid; dieses Gas lässt sich in offenen Gläsern umgießen), das die Flamme erstickt und sich leicht in Kalklauge zum Kalk verfestigen lässt. Gleichzeitig bildet sich eine im Vergleich zum Zucker leichtere Flüssigkeit mit anregender Wirkung, die leicht brennbar ist (= Alkohol = Ethanol). Bei intensivem Genuss kann eine Vergiftung auftreten. Soweit möglich werden den Schülern bekannte Substanzen und Prozesse in Erinnerung gebracht, so der Kalkmörtel (gebrannter Kalk der Hausbau-Epoche, der Kalk der 8. Klasse) oder das Ethanol aus der Gesundheitsepoche zum Beispiel. Ausgehend vom schon bekannten Ethanol wird die Reihe der weiteren Alkohole mit ihren gesetzmäßigen Eigenschaften eingeführt. Der Schüler lernt im praktischen Umgang mit den Substanzen, aus den chemischen Eigenschaften die Prozessqualitäten zu erkennen. Diese Übung wird mit weiteren organischen Gruppen wie den Äthern und Alkenen/Alkanen, die aus dem Ethanol gebildet werden, vertieft.

Ist das Erfahrungsbild tief genug verankert, kann mit ihm spielerisch umgegangen werden. So beginnt die Erkenntnis der chemischen Prozesse aufzuleuchten, wenn nach mancherlei Übung gefragt wird, wie sich wohl die Eigenschaften des Ethanols verändern, wenn zu seinen Qualitäten solche des Sauerstoffs hinzutreten (anregend, chemische Prozesse / Oxidationen fördernd, selbst nicht brennbar, bei einem Zurücktreten der feurigen Eigenschaften). Die organischen Säuren entstehen mit gesteigerter chemischer Reaktivität, verminderter Brennbarkeit, stechendem Geruch bei verminderter Giftigkeit. Aus Ethanol wird durch Sauerstoffzufuhr Essigsäure gebildet. Nicht ein abstraktes Bild, nicht die Quantität der Kugeln, sondern erlebte Qualität ist das Ziel. Dieses ist bei der Fülle der zu behandelnden Substanzen auch ohne Formeln für die Schüler schwer genug zu erreichen. Ließe sich Vergleichbares als Erkenntnisprozess aus den Formeln ableiten?

Modelle müssen entwicklungsfähig bleiben

Doch wie kann ein nicht nur erlerntes, sondern aus den Phänomenen erwachsendes Modell der Feinstruktur der Substanz eingeführt werden? Dies ist in der 11. Klasse unter Nutzung der im Schüler gereiften Fähigkeiten in einer vierwöchigen Epoche zusammen mit den zahlenmäßigen Gesetzmäßigkeiten (Stöchiometrie), den Formeln, Übungs- phasen zur Vertiefung und bei Einführung des Periodensystems der Elemente mit beispielhaften Reaktionen herausgehobener Hauptgruppen möglich. In kurzer Zeit wandeln sich die angelegten Erfahrungsbilder zu erkenntnismäßig durchdrungenen Gesetzmäßigkeiten. Die bisher gewonnenen chemischen Erfahrungen und Kenntnisse, die gesättigten Seeleneindrücke werden aufgegriffen, erinnert und nun verknüpft mit einer neuen, höheren Ordnung. Bekannt sind grundsätzliche chemische Reaktionen wie zum Beispiel die Verbrennung  (Oxidation). In Versuchen kann gezeigt werden, dass chemische Reaktionen zahlenmäßigen Proportionen folgen, also zum Beispiel jeweils 7g Eisen (=Fe) mit 4 g Schwefel reagiert (=S). Abgekürzt:

Fe + S –› FeS

7g + 4g –› 11g

Hier ist zunächst kein Atommodell nötig. Im Vergleich und der Erarbeitung weiterer Zahlenverhältnisse der Reaktionspartner von chemischen Reaktionen ergibt sich eine Ordnung der Elemente mit ansteigender Masse und daraus schließlich das Atommodell von Dalton – wie zwangsläufig mit Atomen als kleine, gleichartige Kugeln von unterscheidbarer Masse.

Aber warum reagiert dann das Fe mit S oder mit O (= Sauerstoff)? Warum nicht mit Li (= Lithium)? Beim Einführen eines Modells, also der Vereinfachung der Wirklichkeit, zeigt sich die Stärke der Erklärung. Weitere Beobachtungen führen oft zur Erkenntnis der Grenzen ihrer Aussagekraft. Ein verbessertes Modell muss her, im obigen Beispiel verfeinert durch die negativen und positiven Ladungen (Atommodell nach Thomson). Dieses erklärt Bindungen, aber nicht den radioaktiven Zerfall! So wird anhand der historischen Versuche das Atommodell nach Rutherford mit Kern aus Protonen und Neutronen und Atomhülle aus Elektronen eingeführt. Die Erkenntnisfortschritte in der Chemie können so durch den Schüler selbst vollzogen und nacherlebt werden. Erfahrbar wird, wie aufgrund unerklärlicher Phänomene Ideen entwickelt werden und meist aus der Praxis Modelle entstehen, welche die Phänomene deuten. Neue Erkenntnisse zeigen die Grenzen der Modelle auf und führen zu weiteren Entwicklungen. Schrittweise nachvollzogen kann im Schüler die Erkenntnis aufleuchten, dass Modelle nicht die Wirklichkeit sind, sondern Aspekte davon erklären können. Der Hinweis auf das heute gültige quantenphysikalische Modell des Atoms zeigt, dass dieser Prozess weiter andauert, weitere Aufgaben warten, um von den Schülern aufgegriffen zu werden.

Erkenntnis – immer neu und immer wandelbar

Auch in der Oberstufe beginnen die Unterrichtsinhalte bei einer umfassenden und möglichst eindrücklichen Auseinandersetzung mit den erfahrbaren Phänomenen. Diese werden im Unterrichtsprozess aus ihren Beziehungen herausgelöst und möglichst rein und vom Schüler eigenständig erkenntnismäßig durchdrungen. Ist dies gelungen, können die den Phänomenen zugrundeliegenden Gesetze abgeleitet werden, die Abstraktion oder Theorie folgt den Phänomenen, nicht umgekehrt. Erst im folgenden Schritt werden die erkenntnismäßig durchdrungenen Beziehungen wieder hergestellt.

Die verinnerlichte Wirklichkeit wird zum Korrektiv der freien Ideen und Theorien. Da seine aus der Erfahrung abgeleitete Erkenntnis oft über Jahre schrittweise mit der Entwicklung des Schülers eine Wandlung erfährt, bleibt sie flüssig und kann mitwachsen. In den Unterricht fließt, was erfahrbar ist und gemäß der Entwicklungsstufe des Schülers durchdrungen werden kann, auch wenn natürlich nicht jeder Schüler zu einem vollen Verständnis gelangt. Erst ab der 11. Klasse kann ein freies Spiel der Ideen und Vorstellungen mit zurücktretendem Wirklichkeitsbezug erfolgen. Der Schüler ist nun in der Lage, selbst das ihm gemäße Bild der Welt zu wählen und in Freiheit das ihm gemäße, eigene Urteil zu fällen. Idealerweise erfolgt dies in Kenntnis und unter Berücksichtigung seiner Erfahrungen. Er individualisiert seinen Bezug zur Welt und ihre Erklärung, die im Idealfall wandlungsfähig seine weitere Entwicklung begleitet und dadurch neue Erkenntnisse aufgreifen und zu einer individuellen Weltanschauung gelangen kann.

Zum Autor: Dr. Manfred Schleyer war Lehrer für Biologie, Chemie und Informatik und leitet seit 2007 das Institut für Strömungswissenschaften in Herrischried. Arbeitsschwerpunkte sind die Wasserqualität und die Charakterisierung der Lebensbildekräfte (Tropfbildmethode, Algenuntersuchung, Bildekräfteforschung)