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Didaktische Erschließung von Titandioxid für den Chemieunterricht - Entwicklung und Optimierung von Experimenten, didaktischen Konzepten und Medien

Hotspots mit besonders relevanten Inhalten für „Chemie mit Licht“ sind in dieser Dissertation auf folgenden Seiten mit den jeweils angegebenen Inhalten zu finden:

  • S. 20 bis S. 36:  Theorie: Halbleiter, Bändermodell, Solarzellentypen
  • S. 45 bis S. 56: Theorie: Photochemische Eigenschaften von Titandioxid
  • S. 64 bis S. 89: Didaktische Konzeption von ALSO-TiO2 und FACTiO2
  • S. 115 bis S. 136: Photosensibilisierung des Titandioxids und Auswirkung auf das Lichtabsorptionsvermögen der Zelle
  • S. 137 bis 167: Optimierung des Zellaufbaus der photogalvanischen Zellen
  • S. 179 bis S. 185: Experimente zur UV-Absorption von Titandioxid
  • S. 186 bis S. 206: Experimente zu photokatalytischen Eigenschaften von Titandioxid
  • S. 212 bis S. 228: Didaktische Materialien: Printmedien, HTML5-Animation
  • S. 266 bis S. 269: Das didaktische Kofferset ChEM-TiO2

Kurzfassung

Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, im Sinne der curricularen Innovationsforschung die aktuellen Entwicklungen und Anwendungen Titandioxids in Forschung und Alltag für den Chemieunterricht experimentell, didaktisch konzeptionell und medial zu erschließen. Der inhaltliche Schwerpunkt lag dabei auf der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Als Ergebnis dieser Erschließung wurde ein didaktisches Kofferset „Chemie in Experimente und Medien - ChEM-TiO2“ für den Einsatz im Chemieunterricht der Sekundarstufe II entwickelt, in das die didaktische Konzeption mit Experimenten und Medien integriert wurde.

In der Arbeit gelang es, zwei didaktische Module umzusetzen, die mit unterschiedlichen Schwerpunkten den Stoff Titandioxid zum Inhalt haben. Das Modul „Alternative Solarzellen mit Titandioxid (ALSO-TiO2)“ beinhaltet die alternativen Solarzellen auf Basis von Titandioxid, mit denen das Thema Solarzellen in den Chemieunterricht integriert werden kann. Der Anknüpfungspunkt für die Inhalte des Konzepts ist die galvanische Zelle als obligatorisches Thema der Elektrochemie in der Sekundarstufe II. Das Modul „Forschung und Anwendung von Titandioxid (FACTiO2)“ konzentriert sich auf die Erschließung des Stoffs Titandioxid mit seinen drei wichtigsten Eigenschaften: die Absorption von UV-Licht, die photokatalytischen Eigenschaften sowie die Reflexion von sichtbarem Licht. Die drei Eigenschaften können in dem didaktischen Modul experimentell erschlossen und fachlich erarbeitet werden.

Ebenso wurden für die beiden didaktischen Module in umfangreichen Experimentierreihen Versuche entwickelt und optimiert, die mit schulüblichen Mitteln durchgeführt werden können und eine klare Beobachtung zulassen. Für die alternativen Solarzellen mit Titandioxid konnte beispielsweise das Herstellungsverfahren der Photoelektroden erheblich vereinfacht werden und es wurde die Graphitfolie als Gegenelektrode für leistungsstärkere Solarzellen ermittelt. In Hinblick auf das didaktische Modul FACTiO2 ist es gelungen, Experimente zu entwickeln, die innerhalb weniger Minuten durchführbar sind und anschauliche Beobachtungen ermöglichen. Diese Versuche können von Lehrkräften auch mit Blick auf weitere innovative Ausblicke wie Nanomaterialien oder UV-Blocker in Sonnenschutzprodukten im Chemieunterricht eingesetzt werden. So wurde beispielsweise für den ersten Baustein „Absorption von UV-Licht“ ein neues Schülerexperiment entwickelt, das die Umwandlung von UV-Licht in Wärmeenergie durch den Einsatz der Wärmebildkamera sichtbar macht. Des Weiteren ist es gelungen, ein in kurzer Zeit durchführbares und in der Handhabung einfaches Schülerexperiment zur „Photokatalyse“ umzusetzen, das die Zersetzung von Farbstoffen durch den Photokatalysator Titandioxid verdeutlicht.

Es wurde ein umfangreiches Medienpaket mit Print- und digitalen Formaten entwickelt, das den Lernprozess unterstützt und eine Implementation der Experimente im regulären Chemieunterricht möglich macht. In den Materialien ist eine Differenzierung nach Leistungsvermögen vorgesehen, die von den Schüler*innen selbstständig genutzt werden kann. Des Weiteren wurden zu allen Materialien Versionen für Lehrkräfte entwickelt, die von diesen zur Vorbereitung auf die Durchführung der Unterrichtseinheit genutzt werden können. Als digitales Format wurde aufgrund von empirischen Befunden aus einer Eye-Tracking-Studie eine interaktive Animation programmiert, um die Vorgänge in der photogalvanischen Zelle zu erschließen.

Des Weiteren wurden im Rahmen der Arbeit ausgewählte Inhalte des Koffersets evaluiert. Das Ziel war es, durch die stetigen Rückmeldungen der Lehrkräfte und Schüler*innen in einem iterativen Prozess Optimierungen an den Experimenten und Medien des Koffers vorzunehmen. Insgesamt konnten für die vorliegende Arbeit vier Lehrerfortbildungen sowie zwei Schülerlabortage durchgeführt werden.