Chemie und Licht - Ein Imperativ für Unterricht und Lehre

A. F. Kekulé, der Altmeister der organischen Chemie, umschrieb im Jahr 1865 die Chemie als „die Lehre von den stofflichen Metamorphosen der Materie". Analog lässt sich Chemiedidaktik als die „Lehre von den curricularen Metamorphosen der Chemievermittlung" beschreiben. Curriculare Innovationsforschung in der Chemiedidaktik hat als Hauptziel die Qualitätssteigerung der Lehre im Fach Chemie durch die inhaltliche und methodische Erneuerung und Anpassung der Lehre an den jeweils aktuellen Stand wissenschaftlicher Erkenntnisse, zukunftsrelevanter Fragestellungen und gesellschaftlicher Lebensformen in der technischen Zivilisation.

In diesem Sinne sind Photoprozesse, bei denen Licht als input oder als output beteiligt ist, für alle MINT-Fächer, insbesondere aber für Chemie von herausragender Bedeutung. Sie haben Schlüsselfunktionen bei zentralen Forschungsthemen und innovativen Techniken im 21. Jahrhundert. Unter Stichworten wie Energiewende, Energieeffizienz, Photovoltaik, Ressourcenschonung, Klimaproblematik, Nachhaltigkeit und „grüne" Chemie gewinnen Photoprozesse auch in der Wirtschaft, Politik und in der öffentlichen Diskussion zunehmend an Bedeutung. Der Wissenschafts- und Technologiestandort Deutschland ist auf eine Spitzenposition in diesen Bereichen angewiesen, um sowohl nationalen als auch globalen Herausforderungen zu begegnen. Unter diesen Bedingungen wird die stärkere Einbindung von Photoprozessen in den Chemieunterricht und in die universitäre Lehre zu einem aktuellen Gebot. Um das zu verwirklichen, sind folgende drei Voraussetzungen von wesentlicher Bedeutung:

  • „Ein hübsches Experiment ist an sich oft wertvoller als zwanzig in der Gedankenretorte erbrütete Formeln" – dieser oft zitierte Aphorismus von A. Einstein sollte stets ein Leitmotiv in der Lehre naturwissenschaftlicher Fächer sein, auch dann, wenn es um Photoprozesse geht. Der Chemieunterricht ist in ganz besonderer Weise auf „hübsche Experimente" angewiesen, die in sinnlich wahrnehmbaren Phänomenen genau die Beobachtungen liefern, die treffsicher Deutungen und Erklärungen auf der gedanklichen Ebene der Modelle und Konzepte einleiten. Didaktisch prägnante Experimente dieser Art stehen im Fokus curricularer Innovationsforschung in der Wuppertaler Chemiedidaktik. In Abb. 1 sind zehn Kategorien von Phänomenen angegeben, zu denen Experimente mit Photoprozessen entwickelt wurden und zur Verfügung stehen. In unterschiedlichen Versionen sind sie für den Chemieunterricht in den Sekundarstufen I und II sowie für das Lehramtsstudium geeignet. Die ausführliche Liste dieser Experimente mit Literaturangaben und Equipments für ihre Durchführung sind online unter Experimente einzusehen. 

Abb.1: Experimente mit Licht
  • Fachdidaktiker wie Fachwissenschaftler sehen in der heuristischen Erschließung und Vermittlung allgemeingültiger Basiskonzepte bzw. Schlüsselkonzepte (key concepts) mit denen jeweils große Klassen von Phänomenen, Reaktionstypen und –mechanismen „unter einen Hut" gebracht werden können, eine effiziente Methode für das Lehren und Lernen von Chemie. Ein einfaches Schlüsselkonzept ist auch das Paradigma vom Grundzustand und dem elektronisch angeregten Zustand in Molekülen und anderen atomaren Systemen, den N. J. Turro als „the heart of all photoprocesses" bezeichnet. Dieses Schlüsselkonzept reicht aus, um Photoprozesse ohne und mit „stofflichen Metamorphosen" auf einer ersten, wissenschaftlich konsistenten Abstraktionsstufe zu erklären. Es muss in innovativen Chemielehrgängen für Schule und Studium den gleichen Stellenwert einnehmen, wie beispielsweise die Konzepte Stoff-Teilchen, Struktur-Eigenschaft, Donator-Akzeptor, Energie und Katalyse. Entsprechend wird das Konzept vom Grundzustand und elektronisch angeregten Zuständen in didaktischen Materialien für Unterricht und Lehre angewandt und für die jeweils den zu erklärenden Photoprozesse unterschiedliche ausgestaltet. In den meisten Fällen wurden neben Printmedien (Schulbücher, Arbeitsblätter etc.) auch interaktive Flash-Animationen entwickelt, die für Lernende insbesondere bei der Erschließung der Elementarprozesse auf der Teilchenebene anschaulich und hilfreich sind.
  • Phänomene mit Lichtbeteiligung sollten möglichst früh in Chemielehrgänge eingefädelt und im Sinne eines kumulativen Lernfortschritts in einem Spiralcurriculum auf höheren Stufen des Lehrgangs immer wieder aufgegriffen, vertieft und erweitert werden. Es ist ein Irrtum zu meinen, dass Photoprozesse – wenn überhaupt – erst in die Oberstufe oder ins Fortgeschrittenenstudium gehören. Bereits im Anfangsunterricht der Sekundarstufe I können bei den Stoffeigenschaften die Fluoreszenz bei Leuchtfarben und Energieform Licht chemischen Reaktionen thematisiert werden, allerdings nur auf phänomenologischer Ebene. Diese Phänomene gehören zu den Alltagserfahrungen der Schülerinnen und Schüler und können durchaus in Übereinstimmung mit aktuell gültigen Lehrplänen unterrichtet werden. Was aber die Kombination „Licht und Chemie" in den 16 landesspezifischen Lehrplänen für die Sekundarstufe II und in den zahlreichen universitätsspezifischen Studienordnungen anbetrifft, besteht vielerorts Nachholbedarf, denn Photoprozesse führen dort ein Schattendasein. Innovative Curricula für Schulen und Universitäten müssen dahingehend nachjustiert werden, dass die Vermittlung der phänomenologischen, konzeptionellen und anwendungstechnischen Grundlagen der Wechselwirkung Licht(Quanten)-Materie(Teilchen) an die junge Generation gewährleistet wird. Die damit verknüpften Lehr-/Lerninhalte sind motivierend und zugleich effizient für das Verständnis der Chemie und anderer naturwissenschaftlicher Disziplinen.

Das International Year of Light 2015 ist ein guter Anlass, Photochemie bei Lehrenden und Forschenden in Schulen und Universitäten ins Zentrum der Aufmerksamkeit zu rücken. In diesem Sinne haben die GDCh-Fachgruppen Photochemie und Chemieunterricht verschiedene Aktivitäten initiiert, die über eine eigens dafür eingerichtete Webseite koordiniert werden.Zu den geplanten Aktivitäten gehören beispielsweise Vorträge, die von Fachwissenschaftlern und Fachdidaktikern für ein breiteres Publikum zum Themengebiet „Licht und Chemie" angeboten werden. Die GDCh-Ortsverbände können unter Angebote Kontakt mit den Referenten aufnehmen und Termine vereinbaren. Für Vertreter aus den GDCh-Lehrerfortbildungszentren ist am Standort Frankfurt ein Kurs für Multiplikatoren geplant, bei dem die Teilnehmer professionelles know-how experimentelles Equipment und didaktische Materialien für die Lehrerfortbildung an ihren Zentren erhalten. Über weitere Aktivitäten im IYL 2015 informiert die oben genannte Website.