Unterrrichtskonzepte / Lernen mit Videos

Diffusionsprozesse dynamisch darstellen

Das Thema Diffu­sion bereitet vielen Schüler:innen Schwie­rig­keiten. In der Vorstel­lung der Lernenden „wollen“ Teilchen vom Ort der hohen Konzen­tra­tion zum Ort der niedri­geren Konzen­tra­tion. Es fällt den Schüler:innen schwer zu verstehen, dass dieser Prozess auf einer zufäl­ligen Bewegung der Teilchen beruht. Häufig wird als Einfüh­rung in das Thema der Teever­such durch­ge­führt, in dem ein Teebeutel in ein Glas gehängt, die Ausbrei­tung der Farbstoff­teil­chen im Glas beobachtet und beschrieben wird. Durch die Darstel­lung kann den Lernenden das Phänomen nahege­bracht werden. Ein Zugang zu den Begriffen Konzen­tra­tion, Konzen­tra­ti­ons­gra­dient, Konzen­tra­ti­ons­aus­gleich, zufäl­lige Bewegung ist aber nicht trivial und erfor­dert ein Verständnis der Vorgänge auf der Teilchen­ebene. Zu einem besseren Verständnis beginnt an dieser Stelle die Vorbe­rei­tung des StopMotion-Videos.

⬤ Die Diffusion von Farbstoffteilchen im Teeglas

⬤ Die Umsetzung im Unterricht

Das Ziel der Simula­tion ist, den Schüler:innen deutlich zu machen, dass die Diffu­sion dynamisch, im kleinen ungerichtet und insge­samt vom Zufall geprägt ist. Die Vermi­schung der gelösten Teilchen vom Ort der höheren Konzen­tra­tion zu einem Ort gerin­gerer Konzen­tra­tion beruht auf Wahrschein­lich­keiten, die zu einer Vermi­schung und somit zu einem Konzen­tra­ti­ons­aus­gleich führen. Dieser Prozess auf Grund­lage von zufäl­ligen und ungerich­teten Bewegungen wird von den Lernenden durch­ge­führt und dokumentiert.

Die folgenden zwei Abbil­dungen zeigen die Spiel­fläche für die Simula­tion des Diffu­si­ons­pro­zesses. Die Spiel­fläche leitet sich aus dem Teever­such ab. Die blauen Teilchen stellen die Wasser­teil­chen dar, während die roten Teilchen die Farbstoff­teil­chen darstellen. Die benötigten Vorlagen stehen als Download zur Verfü­gung. Die Abbil­dung 1 zeigt den Anfangs­zu­stand der Diffu­sion, während Abbil­dung 2 den Endzu­stand, also einen Konzen­tra­ti­ons­aus­gleich anzeigt. Mit Hilfe eines Zufalls­ge­nera­tors werden die Teilchen bewegt. Der Zufalls­ge­nerator steht online zur Verfü­gung und beschreibt, wie sich ein Teilchen bewegen soll. Z.B. Spalte 3, Reihe 3, Bewegung nach unten. Mit Hilfe der Koordi­naten können die Lernenden die Teilchen auf dem Spiel­feld bewegen. Im Anschluss erstellen die Lernenden ein Foto mit Hilfe der StopMo­tion App. Im Anschluss wird erneut der Zufalls­ge­nerator aktiviert und die nächste Anwei­sung ausge­führt. Außerdem stehen im Material vier leere Textboxen zur Verfü­gung. Mit diesen Textboxen beschreiben die Lernenden die aktuelle Situa­tion auf dem Spiel­feld mit Hilfe von Fachbegriffen.

Die Textboxen sollen folgende Situa­tionen beschreiben:

  • Box 1: Ausgangs­punkte, Vertei­lung der Konzen­tra­tionen, Konzentrationsgefälle.
  • Box 2: Bewegung der Teilchen.
  • Box 3: Vertei­lung der Teilchen, Konzen­tra­ti­ons­aus­gleich, Diffusion.
  • Box 4: Bewegung der Teilchen nach dem Konzentrationsausgleich.

 

Abbil­dung 1: Ausgangs­si­tua­tion der Simula­tion. Darstel­lung des Konzen­tra­ti­ons­ge­fälles der Farbstoffteilchen.

Abbil­dung 2: Mögliche Endsi­tua­tion der Simula­tion. Darstel­lung des Konzen­tra­ti­ons­aus­gleichs der Farbstoffteilchen.

⬤ Ein Beispiel von Lernenden aus dem Unterricht

Den Zufalls­ge­nerator finden Sie auf einer extra für Schüler:innen ausge­legten Ansicht. Den QR-Code können Sie im Unter­richt zeigen, damit die Lernenden direkt dorthin gelangen können.

Zum Zufals­s­ge­ne­rator

Downloads und Links

  • Arbeitsmaterial

Vorlagen für das Simulationsspiel

  • Arbeitsmaterial

Arbeits­auf­trag zum Simulationsspiel

  • Link

Zufalls­ge­nerator

Literatur

  • Krause, M. & Eilks, I. (2017). Über den Prozess der Diffu­sion durch Erstel­lung eines StopMo­tion-Videos lernen. In: Natur­wis­sen­schaften im Unter­richt Chemie (2017), 28 (160) (2017), S. 16–18.