Physikalische Chemie im Nebenfach (mit Aha-Effekt)

Ziele/Motive/Ausgangslage

Die Physikalische Chemie, welche für die meisten Bachelorstudien an der Montanuniversität Leoben zu den Grundlagenfächern der ersten vier Semester gehört, wird von den Studierenden oft als besonders „trockenes“ und teilweise schwieriges Fach empfunden. Als Gründe für diese Einschätzung werden häufig die vielen mathematischen Gleichungen (und Herleitungen), sowie die in der chemischen Thermodynamik verwendeten abstrakten Begriffe (Entropie, Enthalpie, Adiabate etc.) genannt.

 

Durch eine rein theoretische Frontalvorlesung erschließt sich den Studierenden im Bachelorstudium oft kaum, welche Bedeutung diese Grundlagen für ihr jeweiliges Fachgebiet besitzen. Das Problem bei dieser Art der Wissensvermittlung besteht darin, dass kurzfristig (für die Prüfung) Wissen zwar gelernt wird, aber die Studierenden dieses Wissen im späteren Verlauf des Studiums, in ihren wissenschaftlichen Arbeiten bzw. im Beruf nicht auf konkrete Fragestellungen anwenden können (fehlende Wissensnutzung).

 

Seit 2016 wird die Vorlesung „480.040 Physikalische Chemie für IU, IET und RT“ nach einem neuen Konzept umgesetzt, mit dem Ziel den Stoff zu „entstauben“ und nachhaltiges Wissen zu vermitteln, welches die Studierenden auch aktiv und eigenständig nutzen können.

Kurzzusammenfassung des Projekts in deutscher Sprache

Das neue Konzept arbeitet mit „Aha-Effekten“, sowohl theoretischer als auch experimenteller Natur, die als Lernanker mit grundlegenden Konzepten der Physikalischen Chemie verbunden werden und ein Einordnen und späteres Abrufen der Inhalte erleichtern sollen.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

Physical Chemistry is a compulsory fundamental subject for most bachelor programs at Montanuniversitaet Leoben. However, bachelor students often consider this course especially tedious and complicated.

 

When taught by the traditional approach of frontal instruction, students are frequently not aware of the importance of the subject for their respective fields of study. The problem with this approach is further that contents are memorized in the short term only (for the exam), while students are in the long term unable to utilize this knowledge to solve relevant problems (missing knowledge exploitation).

 

Since 2016, the lecture „480.040 Physikalische Chemie für IU, IET und RT“ is held by a new concept. The aim is to present the contents in a fascinating and entertaining way that allows for sustainable knowledge transfer, and results in an active and independent knowledge utilization by the students. The new concept is based on eureka effects (Aha! moments), in a theoretical- as well as an experimental context. During the lecture, instruction anchors are connected to fundamental concepts of Physical Chemistry, which facilitate categorization and utilization of the contents.

Nähere Beschreibung des Projekts

In der Vorlesung „480.040 Physikalische Chemie für IU, IET und RT“ sollen den Studierenden der Bachelorstudien Industrielle Energietechnik, Industrielle Umweltschutz- und Verfahrenstechnik, sowie Recyclingtechnik im 4. Semester die wichtigsten physikochemischen Grundlagen der (1) Elektrochemie, (2) chemischen Kinetik, (3) Phasengleichgewichte von reinen Phasen und Mischphasen und (4) Adsorption vermittelt werden.

 

Seit 2016 wird die Vorlesung nach einem neuen Konzept abgehalten, welches durch das Setzen von Lernankern nachhaltiges und nutzbares Wissen vermitteln soll:

 

1. Am Beginn jeder Vorlesungseinheit werden den Studierenden zwei bis drei Fragen gestellt, welche unter der Rubrik „Über den Rand des Skriptums hinaus“ stehen. Die Fragen behandeln wissenschaftlich/technische, aber auch historische oder (vordergründig) kuriose Themen. Das Ziel hierbei ist es, das Interesse der Studierenden zu wecken und sie zu aktivieren: „Wie könnten diese Fragen mit dem jeweils vermittelten Lehrinhalt zusammenhängen?“

 

1.1. Beispiele für die Fragen zu den einzelnen Kapiteln:

i. Elektrochemie: Wie entsteht die Spannung im Zitteraal? Wer baute die erste Batterie? Schiffbruch auf einer einsamen Insel – Wie stellen Sie eine Spannungsquelle her?

ii. Kinetik: Was bewirkte den Absturz der „Hindenburg“? Wie funktioniert die Radiokarbonmethode? Wodurch entsteht Bierschaum? Wie funktioniert unsere innere Uhr?

iii. Phasengleichgewichte: Wie bewegt sich ein Gletscher? Woher kommt der Ausdruck „aus der Retorte“? Kann ein Teelöffel aus Metall in heißem Tee schmelzen? Wie kühlt man eine Bierdose in drei Minuten von 22°C auf 6°C ab? Ist das Trinken von destilliertem Wasser tödlich? Wie wird DNA aus Speichelproben extrahiert?

iv. Adsorption: Wie funktioniert ein selbstkühlendes Bierfass (bzw. eine Adsorptionskältemaschine)? Wie funktioniert ein Drei-Wege Katalysator?

 

 

2. Anschließend folgt - unterteilt in zwei bis drei Blöcke - die Präsentation der physikochemischen Lehrinhalte durch die Vortragende. Neben den theoretischen Lehrinhalten erfolgt die Wissensvermittlung durch Rechenbeispiele mit Erläuterungen (unmittelbare Anwendung der Theorie auf Problemlösung im jeweiligen Fachgebiet).

 

2.1. Themen der Rechenbeispiele zu den einzelnen Kapiteln:

i. Elektrochemie: Berechnungen zu Batterien und Akkumulatoren bzw. zu Elektrolyse- und Korrosionsprozessen, Berechnungen zur Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen

ii. Kinetik: Berechnungen zur chemischen Reaktionskinetik (Reaktionsordnung, Geschwindigkeitskonstante, Aktivierungsenergie), Berechnungen zur Kinetik heterogener Reaktionen

iii. Phasengleichgewichte: Berechnungen zu Phasengleichgewichten von reinen Phasen und Mischphasen, Berechnungen zu kolligativen Eigenschaften (Gefrierpunktserniedrigung, Siedepunktserhöhung, Dampfdruckerniedrigung, osmotischer Druck), Interpretation von binären und ternären Phasendiagrammen

iv. Adsorption: Berechnungen zu Adsorptionsprozessen, Bestimmung spezifischer Oberflächen

 

 

3. In beinahe jeder Vorlesungseinheit wird den Studierenden auch ein Experiment live im Hörsaal (bzw. im Fall einer online Vorlesung - als Video) vorgeführt. Je nach Thema des Experiments werden die Studierenden aktiv miteinbezogen („Was glauben Sie passiert, wenn ich …? „Begreifen“ von physikochemischen Effekten, die Wärme oder Kälte erzeugen, durch die eigenen Hände; etc.). Besonders wichtig ist dabei, den Bezug des experimentell vorgeführten Effekts zum jeweils im Theorieblock präsentierten Lehrinhalt gemeinsam mit den Studierenden zu erarbeiten.

 

3.1. Beispiele für die Experimente zu den einzelnen Kapiteln:

i. Elektrochemie: Batterien aus verschiedenen Metallstücken und einer Zitrone bzw. einem Glas Cola als Elektrolyt

ii. Kinetik: Die „Iod-Uhr“ als Beispiel für eine oszillierende Reaktion; Zersetzung von Wasserstoffperoxid durch verschiedene Katalysatoren (homogene Katalyse durch Fe3+ Lösung, heterogene Katalyse durch Braunstein, enzymatische Katalyse durch Hühnerleber)

iii. Phasengleichgewichte: Abkühlen einer Bierdose mit einer Kältemischung aus Kochsalz und Eis; Osmotischer Druck am Beispiel wachsender und schrumpfender chemisch geschälter Hühnereier; Extraktion der eigenen DNA aus Speichelproben; Wärmeentwicklung in einem Taschenwärmer (Latentwäremespeicher)

iv. Adsorption: Entfärbung von Cola durch Adsorption an Aktivkohle; Farbspiele an einer glühenden Kupferspirale durch heterogene Katalyse

 

 

4. Zwischen den einzelnen Theorieblöcken werden die Fragen vom Beginn der Vorlesung („Über den Rand des Skriptums hinaus“) aus der jeweils präsentierten Theorie bzw. dem Experiment heraus von der Vortragenden in Interaktion mit den Studierenden beantwortet.

 

 

5. Ziel ist es, in jeder Vorlesungseinheit Lernanker zu schaffen, mit denen die Studierenden die jeweils präsentierten Inhalte verknüpfen. Dies soll es den Studierenden ermöglichen, das vermittelte Wissen nachhaltig aktiv zu nutzen.

Mehrwert

Das 2016 eingeführte neue Konzept der Vorlesung „480.040 Physikalische Chemie für IU, IET und RT“ bedeutet insbesondere eine Lernerleichterung für Studierende. Durch das Setzen von Lernankern, welche mit grundlegenden Konzepten der Physikalischen Chemie verbunden werden, wird langfristig die Fähigkeit zum Abrufen des vermittelten Wissens gewährleistet.

Übertragbarkeit/Nachhaltigkeit

Das Konzept der Vorlesung „480.040 Physikalische Chemie für IU, IET und RT“ ist auf andere Vorlesungen im Fachgebiet Physikalische Chemie sehr gut übertragbar. Es ist geplant, das neue Konzept zukünftig auch auf weitere Vorlesungen des Lehrstuhls (Physikalische Chemie I, Physikalische Chemie II etc.) zu übertragen. Das Konzept wird somit am Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Montanuniversität längerfristig genutzt. Eine Weiterentwicklung findet durch die laufende Aktualisierung der Inhalte, Rechenbeispiele und Vorlesungsexperimente statt.

Aufwand

Der zusätzliche Aufwand für die Entwicklung des neuen Vorlesungskonzeptes entstand durch die Neugestaltung der Lehrinhalte (Neugestaltung der Foliensätze, Implementierung von Lernankern) und die Vorbereitung der Vorlesungsexperimente (Zeitaufwand ca. 60 h).

Im Sommersemester 2020 wurde die Vorlesung durch COVID-19 bedingte Einschränkungen außerdem von Präsenzlehre auf virtuelle Lehre umgestellt, wodurch zusätzlicher Aufwand (Bereitstellung von Lernmaterial, Aufnahme von Videos der Vorlesungsversuche) entstand (Zeitaufwand ca. 30 h).

Ab dem Sommersemester 2021 wurde ein zusätzlicher Moodle-Kurs zur Vorlesung eingerichtet (Zeitaufwand ca. 5 h).

Positionierung des Lehrangebots

Bachelorstudium Industrielle Energietechnik, Pflichtfach, 4. Semester;

Bachelorstudium Industrielle Umweltschutz- und Verfahrenstechnik, Pflichtfach, 4. Semester;

Bachelorstudium Recyclingtechnik, Pflichtfach, 4. Semester;

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2021 nominiert.
Ars Docendi
2021
Kategorie: Lernergebnisorientierte Lehr- und Prüfungskultur
Ansprechperson
Edith Bucher, Assoz.Prof. DI Dr.
Lehrstuhl für Physikalische Chemie
03842 402 4813
Nominierte Person(en)
Edith Bucher, Assoz.Prof. DI Dr.
Lehrstuhl für Physikalische Chemie
Themenfelder
  • Didaktische Methode
  • Erfahrungslernen
Fachbereiche
  • Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik/Ingenieurwissenschaften