Zyklus 2, Zyklus 3
Kompetenzen:
NMG 2: Tiere, Pflanzen und Lebensräume erkunden und erhalten
NMG 3: Stoffe, Energie und Bewegungen beschreiben, untersuchen und nutzen
3.4. Die Schülerinnen und Schüler können Stoffe bearbeiten, verändern und nutzen.
NT 2: Stoffe untersuchen und gewinnen
2.2. Die Schülerinnen und Schüler können Stoffe aufgrund ihrer Eigenschaften gezielt trennen.
2.2.b. können einfache Gemische mit ausgewählten Methoden nach Anleitung trennen und das Vorgehen fachlich korrekt beschreiben. Extraktion, Chromatografie, Destillation.
2.2.c. können Anwendungen der Trennverfahren im Alltag und bei Alltagsprodukten erkennen (z.B. Tee-, Kaffeezubereitung, Wäschereinigung, Kläranlage, Ölabscheider, Magnetscheide).
NT 9: Energie und Bewegungen beschreiben, untersuchen und nutzen
Die Schülerinnen und Schüler entdecken die verschiedenen Stationen des Wasserkreislaufs. Mit einem Forschungsauftrag bauen sie mit einer leeren PET-Flasche einen einfachen Wasserfilter. Diesen Wasserfilter verwenden sie um Tintenwasser zu entfärben und erleben so, wie Bodenschichten in der Lage sind, Wasser zu filtern. Die Resultate aus dem Experiment werden in einem wissenschaftlichen Bericht aufbereitet.
In unserem Alltag fliesst Wasser aus dem Hahn, wir benutzen es zum Trinken oder um etwas zu waschen, danach verschwindet das "verbrauchte" Wasser wieder im Ablauf. Dies ist nur die halbe Wahrheit: Wasser bewegt sich in einem Kreislauf und beeinflusst das Klima.
Übersichtsbilder, Filmclips und Animationen zum Wasserkreislauf existieren viele. Auf der Website des Bayrischen Landesamts für Umwelt findet sich eine gute animierte Übersicht. Der Link zur Animation ist unten verfügbar. (Adobe Flash-Player wird benötigt für die Darstellung der Animation, Gratisdownload hier).
Die Menge an Wasser nimmt weltweit weder ab, noch nimmt sie zu. Wer also reinigt das Wasser? In unserer technisierten Gesellschaft ist die Meinung wohl eindeutig: Die Kläranlagen! Dass Abwasserreinigungsanlagen (ARAs) bzw. die "Kläranlagen" in vielen Ländern gar nicht existieren, ist nicht so klar. ARAs reinigen unser Abwasser nur so gut, damit dieses wieder in die Gewässer geleitet werden kann. Um Trinkwasser zu erhalten ist die Mithilfe der Natur nötig: Bodenschichten filtrieren versickertes Wasser bevor es in den Grundwasserstrom gelangt. Das meiste Trinkwasser gewinnen wir aus Grundwasser, einige Orte (z.B. Meisterschwanden oder die Stadt Zürich) verwenden Seewasser als Trinkwasser.
Auf der Website des Schweizerischen Vereins des Gas- und Wasserfaches finden sich viele Informationen zur Trinkwasseraufbereitung. Ein Filmclip auf der Plattform zeigt eine gute Übersicht über die technischen Methoden. Der Link zur Website und zum Filmclip finden sich weiter unten.
Bei der Überwachung der Trinkwasserqualität hilft die Natur ebenfalls mit: Fische überwachen die Trinkwasserqualität bei der Aufbereitung. Ein Artikel aus dem "Tages-Anzeiger" gibt Einblick in die Trinkwasserversorung aus Seewasser in der Stadt Zürich.
Ein Fachartikel aus der Zeitschrift "Umwelt" beleuchtet die Wichtigkeit des Waldbodens für eine gute Grundwasserqualität. Der Artikel steht bereit zum Download.
Um die Filterwirkung von Boden zu verstehen, ist ein Verständnis für Trennvorgänge nötig. Das Kapitel ist darum vor allem für die Oberstufe geeignet, zum Beispiel für den Chemieunterricht zum Thema Fraktionierverfahren (Filtration, Adsorption). Mit einer Gruppe von Primarschülerinnen und -schülern wurde das Experiment erfolgreich getestet in einem Begabungsförderungsprojekt sowie mit einer Gruppe von Lehrpersonen der Berufsschule im Rahmen einer Weiterbildung im Kollegium.
Die Bearbeitung der PET-Flasche muss bei jüngeren Schülerinnen und Schülern durch eine Lehrperson begleitet werden, denn der Schnitt durch das PET-Material setzt handwerkliches Geschick voraus.
Wissenschaftliches Arbeiten und Dokumentieren kann mit diesem Experiment an der Oberstufe geübt werden.
Dieses Experiment lässt sich überall durchführen. Ein Kanister gefüllt mit Wasser lässt sich vor das Schulhaus oder auch an den Waldrand transportieren. Alles Material kann von einer Schulklasse gemeinsam getragen werden. Die PET-Flasche dient erst als Wasser-Transportbehälter, nachdem das Wasser in den Kanister geleert wurde entsteht daraus der Wasserfilter.
Nach dem Versuch darf das leicht verschmutzte Tintenwasser in der Kanalisation (bei einem Schachtdeckel) entsorgt werden.
Der Unterricht im Freien ist ein wichtiges Element der Umweltbildung. Die Sicherheit geht beim Lernen in der Natur vor. Eine angemessene Risikoeinschätzung gehört zur verantwortungsvollen Planung und trägt zur sicheren Umsetzung des Lernens in der Natur bei.
Die Inhalte des Kapitels lassen sich unabhängig einer bestimmten Jahreszeit durchführen.
Die Schülerinnen und Schüler entdecken mit einem Überfahrbild Stationen des Wasserkreislaufs. Sie erfahren, dass nicht nur technische Bauten wie z.B. Abwasserreinigungsanlagen unser Trinkwasser aufbereiten, sondern auch der Boden einen wichtigen Einfluss auf die Trinkwasseraufbereitung hat.
Die Video-Anleitung zum Bau des Wasserfilters zeigt, wie mit einer PET-Flasche ein einfaches Modell für die Bodenschichtung gebaut werden kann, welches später als Wasserfilter dient. Die Analogie zu den Bodenschichten im Kapitel "Was ist unter meinen Füssen" wird gezeigt mit einer kombinierten Darstellung aus der Illustration der Bodenschichtung und der Illustration des Wasserfilters.
Der Filmclip soll zur Eigenaktivität ermuntern. Bewusst wurden als Schauspieler zwei Schüler von der Alterszielgruppe des Kapitels ausgewählt.
Beim Bauen des Wasserfilters gibt es verschiedene Dinge zu beachten. Mündliche oder schriftliche Hinweise können vor dem Experimentieren gegeben oder (bei fortgeschrittenen Schülerinnen und Schülern) auch bewusst weggelassen werden. Als Lehrperson kann mit folgenden Hinweisen das Resultat des Versuches stark beeinflusst werden:
Obwohl das Experiment auf den ersten Blick einfach erscheint, gibt es immer wieder Überraschungen bei der Durchführung.
Ein erste Überraschung bietet die Herstellung des Tintenwassers. 5 Tropfen Tinte auf 5dl Wasser ergeben eine blau gefärbte "Schmutzwasser-Lösung". Erstaunt stellt man aber meist fest, dass die blaue Farbe langsam verblasst. Dies hat mit der pH-Abhängigkeit der Tintenfarbe zu tun: In saurer Umgebung erscheint die Tinte blau, bei neutralem pH verblasst die Farbe. Da frisches, kaltes Leitungswasser etwas Kohlensäure enthält, bietet das Wasser der Tinte eine leicht saure Umgebung und die Tinte färbt das Wasser am Anfang klar dunkelblau. Je länger das Leitungswasser jedoch steht und sich erwärmt, umso mehr verliert es an Kohlensäure, die blaue Tintenfarbe verblasst. Ein Artikel vom Technorama Winterthur zu diesem Thema steht zum Download bereit. Abhilfe schafft ein Spritzer Zitronensaft im Wasser (Nachteil: das Wasser trübt sich leicht), ein optimales Blau ergibt sich aus destilliertem Wasser mit wenigen Tropfen verdünnter Salzsäure. Sehr gute Reinigungseffekte mit dem Wasserfilter erzielt man mit einer Lösung aus Kaliumpermanganat als Schmutzwasser. Kaliumpermanganat-Pulver findet sich in vielen Schul-Chemiesammlung. Einige kleine Körner Kaliumpermanganat färben das Wasser bereits intensiv violett.
Beim Betrieb des Wasserfilters ist Geduld gefragt: Optimale Filterwirkung erzielt man, wenn man das Tintenwasser schluckweise und genau in der Mitte des Filters einleert. Eine "Mehrfachbehandlung" (bräunliches Wasser nochmal oben in den Filter leeren) führt ebenfalls zu guten Ergebnissen. Ein Teil des Wassers, welcher anfangs schlecht gereinigt wird, kann auch weggegossen werden. Ein guter Auftrag an die Forschergruppen könnte lauten:
"Gebt zu 5 dl Wasser 5 Tropfen Tinte. Am Schluss möchte ich ein Glas (ca. 2 dl) möglichst gut gereinigtes Wasser daraus erhalten."
Ein ergänzender Versuch, durchgeführt von einer Lehrperson, zeigt, dass Boden nicht nur ein Filter ist, sondern auch Schadstoffe adsorbiert. Ein Versuch mit Aktivkohle zeigt den Vergleich: Giesst man Tintenwasser durch ein Filterpapier (z.B. durch einen Faltenfilter aus dem Chemielabor), so entfärbt sich dieses nicht. Mischt man vor dem Filtrieren Aktivkohle zum Tintenwasser, so bindet die Tintenfarbe an die grosse Oberfläche der Aktivkohle. Die Aktivkohle-Partikel bleiben schliesslich im Filterpapier hängen, nach dem Filtrieren sammelt sich farbloses Wasser! Die Anleitung zu diesem ergänzenden Versuch ist als Filmclip unten verfügbar.
Die Schülerinnen und Schüler verarbeiten die Resultate aus dem Experiment zu einem Bericht. Die Struktur gleicht derjenigen von wissenschaftlichen Publikationen und hilft, die gemachten Erfahrungen zu dokumentieren.
Mit jüngeren Gruppen kann die Struktur des Berichtes mit einer vereinfachten Forscherspirale, wie im Bild gezeigt, besprochen werden. An der Oberstufe kann die Forscherspirale ausgebaut und mit Fachbegriffen aus der Wissenschaft ergänzt werden (z.B. Gütekriterien für wissenschaftliche Arbeiten wie Objektivität, Reliabilität, Validität etc.). Die Struktur der Forscherspirale kann mit Kärtchen moderiert an der Wandtafel erarbeitet werden. Diese Version der Forscherspirale wurde verwendet bei einer Gruppe von Mittelstufenschülerinnen im Rahmen des Begabungsförderungsprojektes Atelier Natura.
Beispiele von fünf Forscherberichten aus dem Atelier Natura, welche nach dem Experimentieren mit dem Wasserfilter entstanden, sind als PDF-Datei bereitgestellt.
Mit den Naturama Aktionskisten, wie zum Beispiel der Bodenkiste, stehen zahlreiche Materialien für den Unterricht zur Verfügung. Sie erweitert die Ideen für den erlebnisreichen Unterricht im Freien und im Schulzimmer.
Funktionen und Ökologie des Bodens sind im Naturama vielfältig inszeniert. Das Team der Museumspädagogik berät Lehrpersonen bei Ausstellungsbesuchen rund um den Schwerpunkt Boden und Funktionen des Bodens. Der Besuch der Ausstellung wird durch Forschungsaufträge unterstützt.
Weitere Informationen zum Besuch der Ausstellung im Museum:
Das Team der Fachstelle Umweltbildung des Naturama Aargau berät Lehrpersonen und Schulen rund um das Thema Boden: Unterrichtsfragen, Medien, ausserschulische Lernorte oder Exkursionsdidaktik.
Weitere Informationen zum Thema Boden im Unterricht:
