dissertation koenig

Download Dissertation Koenig

Post on 26-Jun-2015

1.400 views

Category:

Documents

8 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Computergesttzte Lehr- und Lernmaterialien zur chemischen Bindung Entwicklung - Erprobung - Erhebung

Inauguraldissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Erziehungswissenschaftlichen Fakultt der Universitt zu Kln vorgelegt von

Dr. Axel Knig aus Troisdorf Mai 2003

Das Projekt wurde vom Kompetenznetzwerk Universittsverbund Multimedia NRW UVM (Proj. Nr 1920207) gefrdert. Kooperationspartner waren: StD M. Stein, Studienseminar Bonn StD M. Weier, Studienseminar Rhein-Sieg

Referentin Koreferent 2. Koreferentin Tag der mndlichen Prfung Zum Druck genehmigt: Kln,

Prof. Dr. Christiane S. Reiners Prof. Dr. Dr. hc Fritz Vgtle Prof. Dr. Hilde Haider-Hasebrink 11.02.2004 25.08.2004

Frau Prorektorin Prof. Dr. Christiane S. Reiners gilt mein vornehmlicher Dank, da sie mir neben dem interessanten Thema meiner Arbeit auch alle Freiheit bei der Bearbeitung dieses Themas gelassen hat. Sie untersttzte mich stets innerhalb des Projektes und ermglichte mir so zu meiner praktischen Arbeit den Eintritt in die fachdidaktische Forschung. Meinem ersten Doktorvater Herrn Prof. Dr. Dr. hc. Fritz Vgtle danke ich fr die jahrelange gute Zusammenarbeit und die fachwissenschaftliche Begutachtung dieser Arbeit. Frau Prof. Dr. Hilde Haider-Hasebrink danke ich fr die Begutachtung des empirischen Teils dieser Dissertation.

meiner Familie

Inhalt

9

1 2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.2.8.1 2.2.8.2 2.2.8.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.2.1 2.3.2.2 2.3.2.3 2.3.2.4 2.4 2.4.1 2.4.2 3 3.1

EINLEITUNG ................................................................................................................ 15 MODELLVORSTELLUNGEN ZUM AUFBAU DER MATERIE........................... 18 CHRONOLOGISCHE BETRACHTUNGEN VOM AUFBAU DER MATERIE ......................... 18 NEUZEITLICHE BETRACHTUNGEN VOM AUFBAU DER MATERIE ................................ 19 DIE ATOMHYPOTHESE VON DALTON ............................................................................... 19 DIE AVOGADRO-HYPOTHESE ........................................................................................... 20 AUFSCHLUSSREICHE EXPERIMENTE UND VORSTELLUNGEN ........................................... 20 DAS RUTHERFORDSCHE ATOMMODELL ........................................................................... 22 DAS ATOMMODELL VON BOHR ........................................................................................ 24 DAS BOHR-SOMMERFELD-MODELL ................................................................................. 24 MODERNE QUANTENTHEORIE .......................................................................................... 25 DIE ORBITAL-VORSTELLUNG ........................................................................................... 26 Die SCHRDINGER-Gleichung........................................................................................ 26 Die HEISENBERGSCHE Unbestimmtheitsrelation ........................................................... 27 Das wellenmechanische Atommodell............................................................................ 28 MODELLVORSTELLUNGEN ZUR CHEMISCHEN BINDUNG AUF DER BASIS DER ATOMMODELLE .............................................................................................................. 31 DAS ORBITAL-MODELL .................................................................................................... 31 WEITERENTWICKLUNG DES ORBITALMODELLS ZUM BINDUNGSMODELL ....................... 33 Das Valence-Bond-Modell ............................................................................................ 33 Das Molekl-Orbital-Modell ......................................................................................... 34 Die LCAO-Theorie und die MOVB-Theorie ................................................................ 34 Die HMO-Theorie und die EH-Theorie......................................................................... 35 SACHANALYTISCHE BETRACHTUNG DER CHEMISCHEN BINDUNG .............................. 35 DEFINITION DER CHEMISCHEN BINDUNG......................................................................... 35 BESCHREIBUNG DER CHEMISCHEN BINDUNG: ................................................................. 36 MODELLE ZUR CHEMISCHEN BINDUNG ........................................................... 39

AUFLISTUNG DER BINDUNGSTYPEN IN LEHRBCHERN, SCHULBCHERN UND CURRICULA ..................................................................................................................... 39 3.1.1 PRFUNG DER LEHRBCHER ............................................................................................ 39 3.1.2 UNTERSUCHUNG DES CURRICULUMS DER SEKUNDARSTUFE I DER GYMNASIEN IN NRW .......................................................................................................................................... 41 3.1.3 UNTERSUCHUNG DER SCHULBCHER .............................................................................. 43 3.1.3.1 Prfung der behandelten unterschiedlichen Bindungstypen.......................................... 43 3.1.3.2 Zu Grunde liegende Atom- und Bindungsmodelle ........................................................ 45 3.1.3.3 Untersuchung zur Reihenfolge und Anschaulichkeit der Modelle ................................ 47 3.2 3.3 BERGNGE DER BINDUNGSTYPEN INEINANDER ......................................................... 51 MODELLE UND BINDUNGSMODELLE IN DER FACHDIDAKTISCHEN LITERATUR ......... 57

10

Inhalt

3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.6 3.7 3.8 4 4.1 4.2 4.2.1

MODELLE UND HILFEN ZUR VISUALISIERUNG DER CHEMISCHEN BINDUNG ............. 62 BINDUNGSMODELLE - EINE KRITISCHE BETRACHTUNG............................................... 65 KOMBINATION DES ELEKTRONENSCHALENMODELLS MIT DER EDELGASREGEL ............. 65 DAS ELEKTRONENWOLKENMODELL ................................................................................ 66 DAS ORBITALMODELL ...................................................................................................... 66 WAHL DES BEVORZUGTEN MODELLS ZUR UMSETZUNG DER UNTERRICHTSKONZEPTION ........................................................................................... 67 UNTERSCHIEDLICHE MODELLVORSTELLUNGEN ZUR CHEMISCHEN BINDUNG?........ 70 MODELLWAHL FR DIE UMSETZUNG DES UVM-KONZEPTES ..................................... 70 VORSTELLUNGEN UND MISCONCEPTIONS DER LERNENDEN IN BEZUG AUF DIE CHEMISCHE BINDUNG ............................................................................ 75 LERNSCHWIERIGKEITEN ALLGEMEIN ........................................................................... 75

UERE FAKTOREN ........................................................................................................ 76 CURRICULUM - LERNSCHWIERIGKEITEN, DIE SICH AUS DER REIHENFOLGE DER BINDUNGSTYPEN UND DEM LEHRPLAN ERGEBEN ............................................................ 76 4.2.2 LERNUMGEBUNG - LERNSCHWIERIGKEITEN, DIE AUS DER LERNUMGEBUNG UND DEM LERNARRANGEMENT RESULTIEREN ................................................................................. 77 4.2.3 LEHRENDE - LERNSCHWIERIGKEITEN, DIE AUS DEN LEHRENDEN SELBST RESULTIEREN 77 4.2.4 LERNSCHWIERIGKEITEN DIE SICH AUS DEM LERNGEGENSTAND CHEMISCHE BINDUNG ERGEBEN ........................................................................................................................... 78 4.2.4.1 Primrbindungen............................................................................................................ 78 4.2.4.1.1 Die kovalente Bindung................................................................................................ 78 4.2.4.1.2 Die ionische Bindung.................................................................................................. 80 4.2.4.1.3 Die metallische Bindung............................................................................................. 82 4.2.4.2 Sekundrbindungen........................................................................................................ 84 4.2.4.2.1 Die Wasserstoffbrckenbindung................................................................................. 84 4.2.4.2.2 Die van-der-Waals Bindung........................................................................................ 85 4.3 4.3.1 4.3.2 INNERE FAKTOREN ......................................................................................................... 86 DER LERNENDE - LERNSCHWIERIGKEITEN DER LERNENDEN MIT UNTERSCHIEDLICHEN ERKLRUNGEN UND MODELLEN ...................................................................................... 86 LERNSCHWIERIGKEITEN BEI DER INTERPRETATION VON SACHMODELLEN UND ABBILDUNGEN SOWIE DER ANWENDUNG VON ANTHROPOMORPHISMEN UND ANALOGIEN IM UNTERRICHT ................................................................................................................ 87 LERNSCHWIERIGKEITEN BEI DER INTERPRETATION DES BINDUNGSTYPS OHNE DIE BERCKSICHTIGUNG DER BINDUNGSBILDUNG ................................................................ 90 LERNSCHWIERIGKEITEN BEI DER TRENNUNG DER STOFFLICHEN VON DER ATOMAREN EBENE ............................................................................................................................... 90 SCHLUSSFOLGERUNGEN ................................................................................................. 91 COMPUTERBASIERTE ERSTELLUNG VON LEHR- UND LERNHILFEN...... 93

4.3.3 4.3.4 4.4 5

Inhalt

11

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.7 6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.2.8 6.2.9 6.2.10 6.2.11 6.2.12 6.2.13 6.2.14 6.2.15 6.2.16 6.2.17 6.2.18 6.2.19

AKTUELLE PROJEKTE ZUR VISUALISIERUNG DER CHEMISCHEN BINDUNG .............. 93 UNTERRICHTSKONZEPT UND MULTIMEDIA ......................................