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Zusammenfassung (Deutsch)

Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, im Sinne der curricularen Innovationsforschung die aktuellen Entwicklungen und Anwendungen Titandioxids in Forschung und Alltag für den Chemieunterricht experimentell, didaktisch konzeptionell und medial zu erschließen. Der inhaltliche Schwerpunkt lag dabei auf der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Als Ergebnis dieser Erschließung wurde ein didaktisches Kofferset „Chemie in Experimente und Medien - ChEM-TiO₂“ für den Einsatz im Chemieunterricht der Sekundarstufe II entwickelt, in das die didaktische Konzeption mit Experimenten und Medien integriert wurde.

In der Arbeit gelang es, zwei didaktische Module umzusetzen, die mit unterschiedlichen Schwerpunkten den Stoff Titandioxid zum Inhalt haben. Das Modul „Alternative Solarzellen mit Titandioxid (ALSO-TiO₂)“ beinhaltet die alternativen Solarzellen auf Basis von Titandioxid, mit denen das Thema Solarzellen in den Chemieunterricht integriert werden kann. Der Anknüpfungspunkt für die Inhalte des Konzepts ist die galvanische Zelle als obligatorisches Thema der Elektrochemie in der Sekundarstufe II. Das Modul „Forschung und Anwendung von Titandioxid (FACTiO₂)“ konzentriert sich auf die Erschließung des Stoffs Titandioxid mit seinen drei wichtigsten Eigenschaften: die Absorption von UV-Licht, die photokatalytischen Eigenschaften sowie die Reflexion von sichtbarem Licht. Die drei Eigenschaften können in dem didaktischen Modul experimentell erschlossen und fachlich erarbeitet werden.

Ebenso wurden für die beiden didaktischen Module in umfangreichen Experimentierreihen Versuche entwickelt und optimiert, die mit schulüblichen Mitteln durchgeführt werden können und eine klare Beobachtung zulassen. Für die alternativen Solarzellen mit Titandioxid konnte beispielsweise das Herstellungsverfahren der Photoelektroden erheblich vereinfacht werden und es wurde die Graphitfolie als Gegenelektrode für leistungsstärkere Solarzellen ermittelt. In Hinblick auf das didaktische Modul FACTiO₂ ist es gelungen, Experimente zu entwickeln, die innerhalb weniger Minuten durchführbar sind und anschauliche Beobachtungen ermöglichen. Diese Versuche können von Lehrkräften auch mit Blick auf weitere innovative Ausblicke wie Nanomaterialien oder UV-Blocker in Sonnenschutzprodukten im Chemieunterricht eingesetzt werden. So wurde beispielsweise für den ersten Baustein „Absorption von UV-Licht“ ein neues Schülerexperiment entwickelt, das die Umwandlung von UV-Licht in Wärmeenergie durch den Einsatz der Wärmebildkamera sichtbar macht. Des Weiteren ist es gelungen, ein in kurzer Zeit durchführbares und in der Handhabung einfaches Schülerexperiment zur „Photokatalyse“ umzusetzen, das die Zersetzung von Farbstoffen durch den Photokatalysator Titandioxid verdeutlicht.

Es wurde ein umfangreiches Medienpaket mit Print- und digitalen Formaten entwickelt, das den Lernprozess unterstützt und eine Implementation der Experimente im regulären Chemieunterricht möglich macht. In den Materialien ist eine Differenzierung nach Leistungsvermögen vorgesehen, die von den Schüler*innen selbstständig genutzt werden kann. Des Weiteren wurden zu allen Materialien Versionen für Lehrkräfte entwickelt, die von diesen zur Vorbereitung auf die Durchführung der Unterrichtseinheit genutzt werden können. Als digitales Format wurde aufgrund von empirischen Befunden aus einer Eye-Tracking-Studie eine interaktive Animation programmiert, um die Vorgänge in der photogalvanischen Zelle zu erschließen.

Des Weiteren wurden im Rahmen der Arbeit ausgewählte Inhalte des Koffersets evaluiert. Das Ziel war es, durch die stetigen Rückmeldungen der Lehrkräfte und Schüler*innen in einem iterativen Prozess Optimierungen an den Experimenten und Medien des Koffers vorzunehmen. Insgesamt konnten für die vorliegende Arbeit vier Lehrerfortbildungen sowie zwei Schülerlabortage durchgeführt werden.

Zusätzlich ist ein elektronischer Anhang verfügbar, der mehrere PDF-Dokumente sowie eine Animation als ZIP-Datei enthält.

Zusammenfassung (Englisch)

The main objective of this thesis was to explore the current developments and applications of titanium dioxide in research and everyday life for chemistry lessons. In the sense of curricular innovation research this comprises the development of experiments, didactic concepts and media. The focus was on the conversion of light energy into electrical energy. As a result, an experimental kit "Chemistry in Experiments and Media - ChEM-TiO₂" was developed for chemistry lessons in high school classes. The didactic concept with experiments and media was integrated in the kit.

The work succeeded in developing two didactic modules for the experimental kit with different facets of titanium dioxide. The module "Alternative Solar Cells with Titanium Dioxide (ALSO-TiO₂)" includes the alternative solar cells based on titanium dioxide with which the topic of solar cells can be integrated into chemistry lessons. The didactic anchor for this concept is the galvanic cell as an obligatory topic of electrochemistry in high school classes. The module "Research and Application of Titanium Dioxide (FACTiO₂ in the German version)" focuses on the exploitation of the substance titanium dioxide with its three most important properties: absorption of UV light, photocatalytic properties and reflection of visible light. The three properties can be explored and experimentally and theoretically.

Furthermore, school experiments were developed and optimized for the two didactic modules in extensive series of measurements. The requirement of school experiments are that they can be carried out with standard school equipment and allow clear observations. For experiments with alternative solar cells the production process of the photoelectrodes could be significantly simplified and also graphite foil as a counter electrode was found to increase the power of the alternative solar cells. For the didactic module RATiO₂ it was possible to develop experiments that can be conducted within a few minutes and allow correct observations. These experiments can also be used by teachers in chemistry lessons with regard to other innovative topics such as nanomaterials or UV-blockers in sunscreen products. For example, a new student experiment was developed for the first module "Absorption of UV light", which visualizes the conversion of UV light into thermal energy by using a thermal imaging camera. In addition, it was possible to implement a student experiment on "photocatalysis" which can be carried out fast and which is easy to handle. This experiment illustrates the degradation of dyes by the photocatalyst titanium dioxide.

A comprehensive media package with print and digital formats was developed to support the learning process and to enable that the experiments can be implemented in regular chemistry lessons. The materials are differentiated according to learning performance, which can be used independently by the students. Furthermore, teacher versions of all materials have been developed. Based on empirical results from an eye-tracking study, an interactive animation was programmed as a digital format to make the processes in the photogalvanic cell accessible.

Furthermore, selected contents of the experimental kit were evaluated. The aim was to optimize the experiments and media of the suitcase in an iterative process based on the continuous feedback from teachers and students. In total, four teacher training courses and two student labs were carried out for this thesis.

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