Im Schülerlabor "Unser Raumschiff Erde" möchten wir Schülerinnen und Schülern die faszinierende Welt der Chemie näherbringen und ihnen die Möglichkeit geben, praktische Erfahrungen zu sammeln. Ein spannendes Projekt, das wir dabei anbieten, ist die Synthese von Vanillin sowie die qualitative und quantitative Analyse von Vanille- und Vanillinzucker. Vanillin ist der Hauptbestandteil des natürlichen Vanillearomas und verleiht vielen Lebensmitteln und Getränken ihren charakteristischen Geschmack. Durch die Synthese von Vanillin erhalten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer einen Einblick in die organische Chemie und erlernen wichtige Labortechniken. Die Vanillinsynthese erfolgt in einem Lehrlabor der Universität zu Köln anhand einer industrieüblichen Syntheseroute. Das entstandene Vanillin wird anschließend isoliert und durch die Schülerinnen und Schüler anhand seines Aromas identifiziert. Die Schülerinnen und Schüler können dabei den gesamten Syntheseprozess eigenständig durchführen und das Ergebnis ihrer Arbeit bestaunen. Während der Vanillinsynthese erhalten die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, industriellen Vanillin- und Vanillezucker zu untersuchen. Durch eine Säure-Base-Titration des Vanillinzuckers können sie den Vanillingehalt bestimmen und somit zugleich die Weltproduktion an Vanillin beurteilen. Durch eine Dünnschichtchromatografie der beiden Zucker identifizieren die Teilnehmerinnen und Teilnehmer Unterschiede und Gemeinsamkeiten. Die Schülerinnen und Schüler erfahren somit insbesondere, wie wichtig es ist, die richtigen Nachweismethoden anzuwenden, um Substanzen zu bestimmen und zu unterscheiden. Das Projekt "Vanillin-Synthese und Analyse" bietet eine einzigartige Gelegenheit, Chemie aktiv zu erleben und zu erforschen. Die Schülerinnen und Schüler werden nicht nur theoretisches Wissen erwerben, sondern auch die praktische Seite der Chemie kennenlernen. Wir hoffen, dass die Teilnehmerinnen und Teilnehmer durch diese Erfahrung ihr Interesse an der Wissenschaft vertiefen und vielleicht sogar ihre Begeisterung für das Fach Chemie entdecken.

Der Lösungsweg wird (nach der Methode des Forschenden bzw. Entdeckenden Lernens) vollkommen offen gehalten. An einer Materialtheke stellen wir verschiedene Labormaterialien zur Verfügung, aus denen die Schüler_innen frei wählen können. Eigene Lösungsstrategien zu entwickeln, aus Fehlwegen zu lernen und natürlich der Spaß am selbständigen, freien Experimentieren, stehen dabei im Mittelpunkt des ersten Projektteils.

Im zweiten Teil werden die "unsichtbaren" Inhaltsstoffe des Schmutzwassers wie zum Beispiel Nitrat analysiert. Dann geht es an die Reinigung: Glukose kann mit biologischen Verfahren entfernt werden, chemische Rückstände von Düngemitteln mit Hilfe von sog. Ionenaustauscher-Harzen. Im selbständigen Experiment erlernen die Schülerinnen und Schüler hier aktuelle Arbeitsmethoden und Techniken der Wasseraufbereitung, wie sie in der Industrie und im Klärwerk tatsächlich angewendet werden. Den Abschluss des Projekttages bildet ein Quiz.

Beim Experiementieren im Wasserprojekt werden folgende übergeordnete Kompetenzen bei den Schülerinnen und Schülern gefördert:

• "Untersuchungen und Experimente durchführen" (E5)
• "Untersuchungen dokumentieren" (K3); "Recherchieren" (K5), "Kooperieren und im Team arbeiten" (K9)

Im Wasserprojekt können folgende Inhaltsfelder kontextbezogen bearbeitet werden:

• "Ökosystem und Ressourcen" (Wasseraufbereitung, Schadstoffe und Grenzwerte, Nachhaltigkeit)
• "Stoffe und Stoffeigenschaften" (Trennverfahren von Stoffgemischen)

entnommen aus dem Kernlehrplan NRW Sek I Naturwissenschaften, Biologie, Chemie, Physik (2013)

• Sonne und Strahlung: Mit Handspektroskopen werden unterschiedliche Lichtquellen untersucht und die Zusammensetzung des Lichts diskutiert.
• Jahreszeiten & Konvektion: Anhand des Einstrahlwinkels der Sonne untersuchen wir die Entstehung von Jahreszeiten. Die Konvektion von Wasser und damit die Entstehung von Meeresströmungen wird bei unterschiedlichen Temperaturen mit Farbstoff sichtbar gemacht.
• Treibhauseffekt: Bei diesem Versuch wird die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser untersucht und in Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt gestellt.
• Fotosynthese: Bei 2 Experimenten geht es um die Sauerstoff- und Stärkeproduktion von Pflanzen und deren Bedeutung für das Klima.
• Pollen als Klimaboten: Beim Mikroskopieren von Pflanzenpollen wird ihre Bedeutung für die Klimaforschung deutlich.
• Gewitter: Wie entsteht Gewitter und wie entstehen Blitze?

Insekten – sie besiedeln die ganze Welt und sind in nahezu allen Lebensräumen anzutreffen. Trotzdem ist die artenreichste Klasse der Tiere bis heute nicht allumfassend erforscht und birgt so manche Rätsel. Auch unseren SchülerInnen sind diese Lebewesen, die in so unterschiedlicher Erscheinung auftreten, eher fremd. Durch den drastischen Rückgang der Artenzahl von Insekten scheint es umso dringlicher, das Augenmerk auf sie zu richten und sich ihrer unverzichtbaren Stellung in der Natur bewusst zu werden. Neben der Arterhaltung von Pflanzen durch die Bestäubung dienen sie als Futterquelle für zahlreiche Tiere. Nicht zuletzt sind sie auch als Destruenten von großer Bedeutung für das ökologische Gesamtsystem unserer Welt und könnten in naher Zukunft vermehrt auch als Nahrungsquelle dienen.

Hier lernen die Schüler unter anderem den Umgang und das Arbeiten mit Lupe und Mikroskop, das Anfertigen wissenschaftlicher Zeichnungen, das Beobachten der lebenden Insekten und das Protokollieren anhand eines Ethogramms. Komplettiert wird der Workshop mit dem Terrarienbau für Grillen und Wüstenheuschrecken. Bei diesem Projekt steht somit neben den Lerninhalten auch der Umgang mit lebenden Tieren im Vordergrund.

Folgende Fragen stehen im Raum: Wie ist es möglich, solch "kleine" Planeten, die ihre Bahnen um einen Stern ziehen, zu entdecken? Wie kann man die Zusammensetzung der Atmosphäre solch extrasolarer Planeten untersuchen, um auf das Vorkommen von Sauerstoff schließen zu können? Welche Eigenschaften eines extrasolaren Planeten müssen bekannt sein, um die Oberflächentemperatur zu bestimmen?

Die Reihe zur Astronomie gliedert sich in eine Vorbereitung (in der Schule) und dem eigentlichen Tag im Schülerlabor. Bei der Vorbereitung handelt es sich um ein E-Learning, wobei hier die Inhalte "Finsternisse im Sonnensystem" und "diverse Lichtspektren" thematisiert werden. Insbesondere basteln die Schüler_innen ihr eigenes Spektroskop, welches auch beim eigentlichen Besuch im Schülerlabor genutzt wird.

Beim Besuch im Schülerlabor erarbeiten die Schüler_innen anhand von 5 Stationen (jeweils 30 Minuten) die spannende Theorie zur Suche nach extrasolaren Planeten. Eine Beschreibung der Stationen, aus denen die Lehrkraft wählen kann, finden Sie hier.

Dabei liegen die nicht codierenden Abschnitte einer DNA-Probe im Fokus. Im ersten Teil des Experimentiertages isolieren und reinigen die SchülerInnen zunächst die DNA. Anschließend können die SchülerInnen die DNA mittels Polymerasekettenreaktion (PCR) vervielfältigen.  

Die Unmengen der in der PCR hergestellten Kopien sind immer noch nicht mit bloßem Auge sichtbar. Um sie miteinander vergleichen zu können, müssen die DNA-Fragmente nach ihrer Länge sortiert werden. Dazu werden sie eingefärbt und auf ein Gel aus Agarose aufgetragen. Am Gel wird eine elektrische Spannung angelegt. Da jede isolierte DNA negativ geladen ist, wandert sie zum positiven Pol. Wird die Spannung abgestellt, bleiben die DNA-Stücke gleicher Länge an der Stelle im Gel liegen, zu der sie in dieser Zeit wandern konnten. Die DNA-Fragmente bilden so ein für jedes Individuum ganz bestimmtes Bandenmuster (genetischer Fingerabdruck), das die SchülerInnen unter UV-Licht erkennen können.

Die Ergebnisse werden anschließend im Forum dargestellt und diskutiert. 

Die SchülerInnen sollten bereits Kenntnisse zu folgenden Begriffen haben: DNA-Struktur, Replikation, Polymerase-Kettenreaktion, Vererbungslehre