Bildung + Gesellschaft

Oft stecken Studierende im Praktikum viel Arbeit in die Protokolle und haben dann kaum noch Zeit, sich auf die nächsten Experimente vorzubereiten. Dabei ist gerade das wichtig für den Lernerfolg. Hochschulen können mit einem Flipped-Lab-Modell die Aktivität der Studierenden auf die Vorbereitungsphase lenken, sodass diese im Labor mehr Handlungskompetenzen aufbauen.
In den ersten Fachsemestern entwickeln Studierende laborpraktische Fertigkeiten. Damit verbunden ist die Erwartung, dass Studierende durch das selbstgesteuerte Erleben chemischer Experimente einen Zugang zu theoretischen Zusammenhängen finden, die sie gerade am Studienanfang als abstrakt <xref rid="nadc20224123792-fig-0001" ref-type="fig">wahrnehmen</xref>.<figure><img src="https://media.graphassets.com/oXB82SUSnOvhkHdw0b5w"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Nach dem Flipped-Lab-Konzept tragen Studierende im Praktikum die Ergebnisse ins bereits vorbereitete Protokoll ein. Mit einem elektronischen Laborjournal – beispielsweise auf einem Tablet – lässt sich auch dieser Schritt digitalisieren. Gorodenkoff / Adobe Stock</figcaption></figure>
Der Aufbau von Fachkompetenz ist somit eng mit der Entwicklung laborpraktischer Kompetenzen verwoben.1) Diese können Studierende allerdings nur dann ausbilden, wenn sie die praktischen Laborphasen ausreichend vorbereiten.2) Fordert die Hochschule die eigenständige Vorbereitung nicht konsequent ein, besteht die Gefahr, dass Studierende eine minimalistische Irgendwie-durch-Haltung entwickeln – das Gegenteil einer inhaltsgesteuerten Lernmotivation.3) Motivationsmangel und das Empfinden, den Anforderungen des Studiums nicht gerecht zu werden, gehören zu den wesentlichen Gründen für einen Studienabbruch.4)Welche Lernergebnisse (Learning Outcomes) die Hochschule erreichen möchte, müssen Lehrende den Studierenden auch im Praktikum klar mitteilen, denn stimmen die Erwartungen der Studierenden nicht mit denen der Lehrenden überein, sind Lernerfolge kaum erreichbar.5)<h2>Konzentration auf das Versuchsprotokoll</h2>In Praktika der ersten Fachsemester stehen grundlegende experimentelle Handlungskompetenzen im Vordergrund. Hierzu zählen die Fähigkeiten, Experimente zu planen, in Versuchsabläufe angemessen einzugreifen, zu beobachten sowie Beobachtungen und Ergebnisse zu interpretieren.6) Eine klassische Prüfungsform in Praktika ist der Laborbericht. Dieser ist allerdings nicht darauf ausgelegt, die ersten beiden Fähigkeiten sichtbar zu machen. Diese lassen sich anhand des Berichts also nicht bewerten.Die Studierenden erstellen die Berichte meist erst an den Tagen nach der Laborarbeit und reichen sie ein. Die Bewertung der Protokolle entscheidet dann maßgeblich über Erfolg oder Misserfolg im Praktikum. Dass Studierende oft den Großteil ihrer Bemühungen auf das Verfassen der Berichte legen, ist daher wenig überraschend. Gerade in Praktika, in denen Studierende nacheinander, zum Beispiel jede Woche, Versuche bearbeiten, kann diese Fokussierung auf die Nachbereitung dazu führen, dass sie die Vorbereitung nachfolgender Versuche auf ein Minimum reduzieren. Denn spätestens ab der zweiten Praktikumswoche konkurrieren Verfassen und gegebenenfalls Korrektur des Berichts zeitlich mit der Vorbereitung auf die nächste Laboraufgabe (<xref rid="nadc20224123792-fig-0002" ref-type="fig">Abbildung</xref> 1).<figure><img src="https://media.graphassets.com/GZlAMrRxTv6MRHd4sOrd"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Bearbeitung unterschiedlicher Praktikumsaufgaben im zeitlichen Verlauf. Klassisch bearbeiten Studierende bis zu drei unterschiedliche Praktikumsaufgaben in unterschiedlichen Phasen gleichzeitig (Vorbereitung, Labor (L), Nachbereitung, gegebenenfalls Protokollkorrektur). Im Flipped-Lab-Modell wird jede Aufgabe in der Praxisphase (P) abgeschlossen.7)</figcaption></figure>
Dabei ist in den Praktika das gegenteilige Verhalten erwünscht, denn die Komplexität der Handlungsanforderung in der Laborsituation erfordert, dass Studierende schnell auf Vorkenntnisse zurückgreifen können. Diese sind weniger im Kurzzeitgedächtnis, sondern eher im Langzeitgedächtnis verankert und für den Lernprozess nutzbar.8) Nur wenn die Studierenden die Laborversuche strukturiert vorbereiten, sinkt ihre kognitive Belastung in der Laborsituation, können sie dabei wissensbasiert entscheiden und erleben das Lernen im Labor als motivierend.9)<h2>Kompetenzen stufenweise aufbauen</h2>Eine Verschiebung der Workloads der Studierenden von der Nach- in die Vorbereitungsphase stärkt ihre laborpraktischen Handlungskompetenzen (<xref rid="nadc20224123792-fig-0003" ref-type="fig">Abbildung</xref> 2). Diese Reorganisation studentischer Lernaktivität ist charakteristisch für Flipped-Classroom-Lehrmodelle.10) Entsprechend gestaltete Laborpraktika werden daher auch als Flipped Lab beschrieben.11,12)<figure><img src="https://media.graphassets.com/xlblvruSSCtSs5DlC6Dw"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Arbeitsphasen je Praktikumsversuch: Die Nachbereitung (N) umfasst das Auswerten, Protokollieren und Korrigieren. Sie wird klassisch nach der Laborarbeit (L) im Selbststudium, im Flipped-Lab dagegen in der Praxisphase (P) im Laborbereich (begleitetes Selbststudium) durchgeführt und abgeschlossen.7)</figcaption></figure>
Ein Beispiel für ein Flipped Lab ist das Grundlagenpraktikum der anorganischen Chemie am Campus Leverkusen der TH Köln. Die Hochschule hat das Praktikum in den Jahren 2011 bis 2014 entsprechend gestaltet, seitdem jährlich mit 40 bis 220 Studierenden durchgeführt und weiterentwickelt.Studierende können nach Abschluss des Moduls einfache anorganische Verbindungen mit etablierten Herstellungsverfahren synthetisieren sowie die Komponenten anorganischer Substanzproben mit nasschemischen, gravimetrischen und titrimetrischen Verfahren qualitativ und quantitativ bestimmen (modulspezifische Learning Outcomes).13)An insgesamt neun Labortagen bearbeiten die Studierenden im Wochenrhythmus neun Versuche, die in drei Phasen aufeinander aufbauen. Ein vorgelagerter Einführungstag umfasst eine praktische Laboreinführung mit Sicherheitsbegehung und interaktiver Methodendiskussion grundlegender Arbeitstechniken (Phase I). In der Phase II bearbeiten die Studierenden eine analytische und eine synthetische Laboraufgabe, und zwar Aluminiumbestimmung beziehungsweise zinkkatalysierte Synthese von Fluorescein. Diese Aufgaben erfordern nur einfache Handlungsschritte, die auch laborunerfahrene Studierende bewältigen und so Selbstvertrauen aufbauen können. Sie festigen gleichzeitig Arbeitstechniken, die die Studierenden im weiteren Praktikumsverlauf benötigen. Studentische Mentor:innen und Mitarbeiter:innen begleiten diese Phase und unterstützen die Studierenden zunächst noch aktiv. Im Praktikumsverlauf ermutigen sie die Studierenden zu einer zunehmend selbstständigen Arbeitsweise.14)In Phase III bearbeiten die Studierenden dann selbstständiger sieben anspruchsvollere Laboraufgaben. Die versuchsspezifischen Learning Outcomes bauen auf denen der Versuche aus Phase II auf. Mit dem erfolgreichen Abschluss der Phase III weisen die Studierenden nach, dass sie die modulspezifischen Learning Outcomes erreicht haben.<h2>Fokus auf die Vorbereitung</h2>Anders als in klassischen Praktikumsformaten, in denen die Vor- und Nachbereitungsphase außerhalb des Labors die Labortage einrahmen, liegt der Fokus im Flipped Lab auf der intensiven Vorbereitung der Laborphase (Abbildung 2, S. 15). In der Laborphase wird der jeweilige Versuch abgeschlossen.Alle für die strukturierte Vorbereitung benötigten Materialien erhalten die Studierenden über das Learning Management-System der Hochschule (Ilias). Dabei sind weitere Plattformen eingebunden, darunter die Kommunikationsplattform THspaces und Youtube. Die Studierenden bearbeiten die Materialien vor der Zulassung zu den einzelnen Laboraufgaben und reichen sie zur Überprüfung ein. Die Vorbereitungsmaterialien umfassen für jeden Versuch<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>eine Versuchsanleitung mit versuchsspezifischen Learning Outcomes, differenzierter Aufgabenstellung und Methodenbeschreibungen,<list-item>Laborvideos mit detaillierter Versuchsdokumentation und Hinweisen auf typische Fehlerquellen und Gefahren – alle sind frei verfügbar,15)</list-item><list-item>eine Arbeitsvorlage Betriebsanweisung,</list-item><list-item>einen versuchsspezifischen elektronischen Test und</list-item><list-item>ein persönliches Laborjournal.</list-item>Die Laborvideos machen die anzuwendenden Arbeitstechniken und Handlungsmuster in ihrer Komplexität begreifbarer, indem sie unterschiedliche sensorische Kanäle ansprechen. Eine gesprochene Kurzbeschreibung (Audio-Kanal) und die detaillierte Darstellung aller Handlungsschritte auf Video ergänzen die textliche Vermittlung durch die Versuchsanleitung (<xref rid="nadc20224123792-fig-0004" ref-type="fig">Abbildung</xref> 3). So werden die Studierenden in die Lage versetzt, ihre Labortätigkeit nicht nur inhaltlich, sondern auch zeitlich detailliert zu planen. Dies reduziert Unsicherheiten.<figure><img src="https://media.graphassets.com/ijUilNiFQoazI7BsS3VL"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Szenen aus Laborvideos zum Praktikum Anorganische Chemie.15)</figcaption></figure>
Hierauf basierend spezifizieren und abstrahieren die Studierenden ihre Versuchsplanung, indem sie in einer versuchsbezogenen Betriebsanweisung ein prozessorientiertes Operationsschema erstellen. In einem elektronischen Test weisen sie Kenntnisse der Laboraufgabe, der relevanten Stoffeigenschaften und Gefahren sowie der Versuchsplanung nach. Dieses Wissen nutzen sie dann, um das Laborjournal umfassend vorzubereiten.Erst danach werden Studierende zum Versuch zugelassen. Wenn sie die Arbeitsmaterialien nicht ausreichend vorbereitet oder den E-Test nicht bestanden haben, dürfen sie den Versuch entweder nicht durchführen, oder sie werden in einem Kolloquium nochmal geprüft.<h2>Am gleichen Tag</h2>Die zugelassenen Studierenden protokollieren Verlauf und Ergebnisse des Versuchs während der Durchführung handschriftlich in ihrem vorbereiteten Laborjournal. Hierbei müssen sie nur noch tagesaktuelle Einträge (Durchführung, Beobachtungen, Ergebnisse, Auswertung und Zusammenfassung) ergänzen. Da die Studierenden vieles bereits während der Vorbereitung eingetragen haben, bleibt im Labor Zeit für individuelle Diskussionen. Die Studierenden erhalten bei der Durchführung fortwährend Rückmeldungen zu ihrem Protokoll. Fehler können sie so unmittelbar korrigieren und nachfolgend vermeiden.Messdaten, Beobachtungen und präparative Ergebnisse werten die Studierenden ebenfalls im Praktikumsbereich aus, wo sie Ansprechpartner:innen für Fragen haben. In der Regel dauert es 30 bis 60 Minuten nach Versuchsende, bis die Protokolle fertig sind. Die Studierenden legen das fertige Laborprotokoll am Ende des Versuchstags zur Abnahme vor und diskutieren daran im Gespräch mit den Praktikumsbetreuer:innen ihre Planungen, Beobachtungen, Schlussfolgerungen und Ergebnisse. Sie erhalten Rückmeldungen, können ihr Protokoll sofort überarbeiten und noch am gleichen Tag nochmal vorlegen. So ist auch gewährleistet, dass die Studierenden das Protokoll eigenständig erstellt haben. Die jeweilige Aufgabe gilt mit dem akzeptierten Protokoll als erfüllt. Gleichzeitig haben die Studierenden spätestens mit Abschluss der Phase II gelernt, wie sie Versuche nur nach intensiver Vorbereitung erfolgreich abschließen können.<h2>Fazit und Ausblick</h2>Das Flipped-Lab-Modell hat die Qualität der laborpraktischen Ausbildung im Grundpraktikum anorganische Chemie verbessert. Schlüssel zum Erfolg ist eine strukturiertere und intensivere studentische Vorbereitung.16) Die Fähigkeiten, Experimente zu planen, beim Experimentieren zu handeln, zu beobachten und Beobachtungen und Ergebnisse zu interpretieren, sind durch die Kombination von Vorbereitungsunterlagen und zeitnaher, persönlicher Diskussionen im Labor besser überprüfbar.Die Studierenden haben in mehrjährigen Befragungen insbesondere die Laborvideos als wichtig für ihren Kompetenzaufbau bewertet.17) Die erweiterte und digital unterstützte Vorbereitungsphase verringert die kognitive Belastung in der Laborsituation, dadurch bleibt Zeit für intensiveren Austausch zwischen Studierenden und Lehrenden11) im Sinne eines „Shift from Teaching to Learning“.18)In der Covid-19-Pandemie erlaubte es der hohe Digitalisierungsgrad, schnell und effektiv auf ein teilvirtuelles Praktikum umzusteigen.13) Betriebsanweisung und Laborjournal werden unter anderem im Rahmen des Projekts SmartLabOER19) digitalisiert.Das Flipped-Lab-Modell ist nicht fachspezifisch; daher setzen es auch andere Disziplinen ein, darunter Informatik,20) Lebensmittelwissenschaften21) oder Biologie.22) Zukünftig sollen interaktive Laborvideos sowie Laborsimulationen mit Augmented und Virtual Reality die studentische Vorbereitung intensivieren.23)<h2>Der Autor</h2>Der Autor dieses Beitrags, Dirk Burdinski, ist seit dem Jahr 2010 Professor für Materials Science an der Technischen Hochschule Köln und dort seit 2012 Studiendekan. Für sein Flipped-Lab-Konzept erhielt er im Jahr 2020 den Ars-Legendi-Fakultätenpreis in der Kategorie Chemie.<div><img src="https://media.graphassets.com/9UcEqAvVSAuznyMRkO9H">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Um einen Laborversuch vorzubereiten, befassen sich nach dem Flipped-Lab-Modell Studierende nicht nur inhaltlich mit dem Experiment, sondern auch mit dem zeitlichen Ablauf, zum Beispiel durch Videos.Zudem bereiten sie das Laborjournal detailliert vor, sodass sie im Labor nur noch Beobachtungen, Ergebnisse und Auswertungen eintragen müssen und das Protokoll etwa eine Stunde nach dem Versuch vorlegen und erläutern können.So bleibt während des Experimentierens selbst mehr Raum für inhaltliche Fragen und Diskussionen, was die Studierenden motiviert und zum Lernerfolg beiträgt.Video zum Flipped Lab: <a href="https://www.youtube.com/watch?v=Gimr12obBGw" target="_blank">www.youtube.com/watch?v=Gimr12obBGw</a>
<ul class="references">Der Autor dankt den Kollegen Sherif El Sheikh, Stéphan Barbe und Matthias Eisenacher für zahlreiche Diskussionen im Zuge der Konzeptentwicklung und die Zusammenarbeit im Praktikum.<li>
1 A. Hofstein, R. Mamlok-Naaman, Chem. Educ. Res. Pract. 2007, 8, 105</li><li>
2 G. D. Chittleborough, D. F. Treagust, M. Mocerino, J. Chem. Educ. 2007, 84, 884</li><li>
3 C. Hart, P. Mulhall, A. Berry, J. Loughran, R. Gunstone, J. Res. Sci. Teach. 2000, 37, 655</li><li>
4 U. Heublein, C. Hutzsch, J. Schreiber, D. Sommer, G. Besuch, Forum Hochschule (HIS) 2010, 1</li><li>
5 A. Hofstein, V. N. Lunetta, Rev. Educ. Res. 1982, 52, 201</li><li>
6 A. H. Johnstone, A. Al-Shuaili, Univ. Chem. Educ. 2001, 5, 42</li><li>
7 D. Burdinski, S. Glaeser in Neues Handbuch Hochschullehre (Hrsg.: B. Berendt, A. Fleischmann, N. Schaper, B. Szczyrba, J. Wildt), Raabe-Verlag, Berlin, 2016, E5.4 1–28</li><li>
8 J. R. Hartman, E. A. Nelson, Found. Chem. 2015, 17, 263</li><li>
9 M. Pickering, J. Chem. Educ. 1987, 64, 521</li><li>
10 a) J. Weidlich, C. Spannagel in: Lernräume gestalten – Bildungskontexte vielfältig denken (Hrsg.: K. Rummler), Waxmann, Münster, 2014, 363–376; b) D. Burdinski in Diversität und Bildung im digitalen Zeitalter (Hrsg.: U. Fahr, A. Kenner, H. Angenent, A. Eßer-Lüghausen, K. Alessandra), Springer VS; Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden, 2022, 83–109</li><li>
11 T. W. Teo, K. C. D. Tan, Y. K. Yan, Y. C. Teo, L. W. Yeo, Chem. Educ. Res. Pract. 2014, 15, 550</li><li>
12 H. Y. Agustian, M. K. Seery, Chem. Educ. Res. Pract. 2017, 18, 518</li><li>
13 D. Burdinski, E. Rausch in Forschung und Innovation in der Hochschulbildung, Vol. 10 (Hrsg.: M. Barnat, E. Bosse, B. Szczyrba), Cologne Open Science, Köln, 2021, 193–212</li><li>
14 A. Collins, J. S. Brown, S. E. Newman in Knowing, Learning And Instruction. Essays In Honour Of Robert Glaser (Hrsg.: L. B. Resnick), Lawrence Erlbaum Associates, New York, 1989, 453–494</li><li>
15 <a href="https://t1p.de/fyc1" target="_blank">t1p.de/fyc1</a>, <a href="https://www.youtube.com/channel/UCq9ACNa46lJ8lanmdOGyK2w" target="_blank">www.youtube.com/channel/UCq9ACNa46lJ8lanmdOGyK2w</a>, 2017.</li><li>
16 D. Burdinski in Inverted Classroom – Past, Present &amp; Future. Kompetenzorientiertes Lehren und Lernen im 21. Jahrhundert (Hrsg.: S. Zeaiter, J. Handke), Tectum Wissenschaftsverlag, Baden-Baden, 2020, 107–122</li><li>
17 D. Burdinski in Medien in der Wissenschaft, Band 74 (Hrsg.: B. Getto, P. Hintze, M. Kerres), Waxmann, Münster, 2018, 164–172</li><li>
18 R. B. Barr, J. Tagg, Change 1995, 27, 12</li><li>
19 <a href="https://www.dh.nrw/kooperationen/OERContent.nrw%202021–95" target="_blank">www.dh.nrw/kooperationen/OERContent.nrw%202021–95</a></li><li>
20 R. Raman in Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol. 320 (Hrsg.: E.-S. M. El-Alfy, S. M. Thampi, H. Takagi, S. Piramuthu, T. Hanne), Springer Cham, 2015, 621–631</li><li>
21 V. V. Mshayisa, M. Basitere, J. Food Sci. Educ. 2021, 20, 208</li><li>
22 M. Beckman, FASEB J. 2014, 28, 618.30</li><li>
23 a) J. Ortmann, N. Graulich, A. Vorholzer, Nachr. Chem. 2022, 70 (4), 14; b) N. Jones, Nature 2018, 562, S5-S7</li></ul>

Hochschule

Besser vorbereitet ins Labor

Oft stecken Studierende im Praktikum viel Arbeit in die Protokolle und haben dann kaum noch Zeit, sich auf die nächsten Experimente vorzubereiten. Dabei ist gerade das wichtig für den Lernerfolg. Hochschulen können mit einem Flipped-Lab-Modell die Aktivität der Studierenden auf die Vorbereitungsp...

Mikrobielle Brennstoffzellen funktionieren auch mit Hefe als Biokatalysator. Für Versuche im Unterricht lassen sie sich einfach und aus preisgünstigen Materialien aufbauen und sind ungefährlich. Die Schüler:innen können so deren Funktionsweise selbst erschließen.
Mikrobielle Brennstoffzellen (microbial fuel cells, MFC) sind bioelektronische Zellsysteme, in denen Mikroben die Zersetzung organischer Substrate katalysieren und dabei Elektronen freisetzen. Chemische Energie wird somit durch Stoffwechselprozesse in elektrische Energie umgewandelt.1) Meist ist der Aufbau an einem Zweikammersystem orientiert, dem kontinuierlich Edukte zugeführt und Produkte entzogen werden (<xref rid="nadc20224127878-fig-0001" ref-type="fig">Abbildung</xref> 1).<figure><img src="https://media.graphassets.com/xAhkyLcDSaKZ9AbtQ649"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Aufbau einer mikrobiellen Brennstoffzelle im Zweikammersystem.</figcaption></figure>
Anode und Kathode sind durch eine Protonenaustauschmembran voneinander getrennt, aber leitend miteinander verbunden. An der Anodenreaktion sind elektroaktive Mikroben beteiligt, die immobilisiert an der Elektrode oder diffus im Elektrodenraum vorliegen. Die Kathode, an der der Sauerstoff reduziert wird, ist meist abiotisch. An der Anode wird das organische Substrat oxidiert. Während die freigesetzten Elektronen im externen Stromkreis nutzbar sind, gelangen Protonen durch die Membran in den Kathodenraum.Grundsätzlich eignen sich elektroaktive Mikroben und daraus bestehende Biofilme für MFC. Gebräuchlich sind Biofilme aus (gentechnisch veränderten) Escherichia-coli-, Shewanella- oder Geobacter-Stämmen.2) Die Art des extrazellulären Elektronentransfers (EET) auf die Anode entscheidet über die Leistung einer MFC. Bislang sind verschiedene EET-Mechanismen beschrieben (<xref rid="nadc20224127878-fig-0002" ref-type="fig">Abbildung</xref> 2): der direkte Elektronentransfer (DET) über transmembrale Redoxproteine, über bakterielle Protein-Nanowires ablaufender Elektronentransport und Elektronentransport über zelleigene oder künstlich zugesetzte (exogene) Mediatoren (mediierter Elektronentransport, MET).3)<figure><img src="https://media.graphassets.com/LwSLmcbkS1GSj8ffGpIA"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Mögliche Elektronentransferprozesse auf die Anode; links: direkter Elektronentransfer (DET) über transmembrale Redoxproteine; Mitte: über bakterielle Protein-Nanowires; rechts: über zelleigene oder künstlich zugesetzte (exogene) Mediatoren (mediierter Elektronentransport, MET).3)</figcaption></figure>
Bislang wurden in MFC außer Abwässern aus der Brauerei, der Stärkeverarbeitung, aus Synthese- und Färbeprozessen sowohl lignocellulosehaltige Biomasse als auch Deponiesickerwässer eingesetzt. Das Haupteinsatzgebiet von MFC ist demnach die Reinigung industrieller und kommunaler Abwässer, gleichzeitig liefern MFC elektrische Energie.Herausfordernd bei der Optimierung von MFC ist die Skalierbarkeit bei möglichst geringen Preisen. Die Elektrodenmaterialien müssen biokompatibel und leitfähig sein sowie eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen. Als Elektroden werden bislang graphitbasierte Materialien und solche aus reinen Metallen oder Eisen-, Mangan- oder Platinlegierungen erprobt.2)MFC werden bei milden Bedingungen betrieben, meist bei Temperaturen zwischen 25 und 30 °C und neutralem pH-Wert.2) Dadurch eignen sie sich grundsätzlich für Experimente im Chemieunterricht.<h2>Anknüpfungspunkte und bisherige Einsatzszenarien</h2>Für das Thema mikrobielle Brennstoffzellen gibt es Anknüpfungspunkte in bundesweit allen Chemie-Lehrplänen der Sekundarstufe II.4,5) Bislang werden in der Schule hauptsächlich die medial präsenten Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen aufgegriffen, wie eine Befragung von 53 Mint-Lehrkräften in Nordrhein-Westfalen im Jahr 2018 ergab. Die Lehrkräfte sprachen dem Thema Brennstoffzelle eine hohe Relevanz zu und brauchen Lowcost-Experimente und didaktische Materialien zu verschiedenen Brennstoffzelltypen. Von den häufig teuren Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzell-Bausätzen waren zumeist zu wenige vorhanden, um Schüler:innen damit experimentieren zu lassen.6)In einer Promotionsarbeit7) wurden daher Materialien und Versuche (weiter-)entwickelt sowie Versuchsanweisungen zu Niedertemperaturbrennstoffzellsystemen erstellt und zum kostenfreien Download auf der Homepage der Didaktik der Chemie an der Universität Wuppertal bereitgestellt.8)Die hier vorgestellten Versuche wurden sowohl in der Junior-Uni Wuppertal als auch im regulären Chemieunterricht einer zwölften Jahrgangsstufe eines G8-Gymnasiums erprobt.<h2>In der Schule: Hefe statt Bakterien</h2>Die in der MFC-Forschung bewährten Mikroorganismen sind nicht für den Einsatz an Schulen zugelassen. Als Ersatz eignet sich die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae. Diese ist ungefährlich, preiswert erhältlich, lagerfähig und einfach zu entsorgen. Weiterhin spricht für den Einsatz von Bäckerhefe in Schulversuchen, dass sowohl die Bäckerhefe als Biokatalysator als auch Saccharide als Substrate den Lernenden aus dem Alltag bekannt seien können.Ein Brückenexperiment zeigt die Redoxaktivität von Bäckerhefe. Dafür wurde der Nachweis der Redoxaktivität von Escherichia coli9) an die Bäckerhefe angepasst. Ein Zweitopfaufbau einer mikrobiellen Brennstoffzelle mit Bäckerhefe10) wurde vereinfacht, und auf Grundlage eines Aufbaus mit E. coli9) wurde ein Eintopfaufbau mit Bäckerhefe entwickelt.Das Ziel war, die Versuche an die Schulrealität anzupassen: Sie sollten reproduzierbar und innerhalb von 45 Minuten durchführ- und auswertbar sein, niemanden gefährden und nur aus den für die Funktion notwendigen Komponenten bestehen; diese sollten möglichst kostengünstig sein. Zudem sollten die Beobachtungen möglichst unmittelbare Rückschlüsse auf die Prozesse erlauben.Die Versuche zur mikrobiellen Brennstoffzelle mit Bäckerhefe sind Modellversuche, da Edukte Produkte nicht kontinuierlich zu- beziehungsweise abfließen.Statt Glucose eignet sich auch Saccharose als Substrat. In diesem Fall spaltet die Hefe die Saccharose in einem weiteren Stoffwechselschritt in Glucose und Fructose, sodass sich die Zellspannung um einige Sekunden verzögert aufbaut. (Abbildung 5 unten, S. 20).<h2>Redoxaktivität von Bäckerhefe</h2>Ein einfacher nasschemischer Versuch zeigt die elektrochemischen Prozesse in lebenden Hefezellen. Dazu wird eine Suspension aus 1 g Bäckerhefe in einer Glucoselösung (2 g Glucose in 15 mL Wasser) mit zwei bis drei Tropfen Methylenblaulösung (0,1 mol·L–1) versetzt. Gasblasen steigen auf, es entsteht Schaum, und nach wenigen Minuten ist die blaue Farbe nicht mehr sichtbar (<xref rid="nadc20224127878-fig-0003" ref-type="fig">Abbildung</xref> 3, S. 19).<figure><img src="https://media.graphassets.com/mEzyPP8oR5AqfzHbHtas"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Mit Methylenblau versetzte Hefe-Glucosesuspension, links unmittelbar nach dem Mischen, rechts nach einigen Minuten.</figcaption></figure>
Elektronen aus dem Stoffwechsel der Hefe reduzieren das Methylenblau zur Leukoform (<xref rid="nadc20224127878-fig-0004" ref-type="fig">Abbildung</xref> 4), sodass die blaue Suspension wieder die hefetypische bräunliche Farbe annimmt. Die Oberfläche des Schaums über der Suspension bleibt bläulich, da an der Grenzfläche Luftsauerstoff eine Reoxidation bewirkt (Abbildung 3 rechts).<figure><img src="https://media.graphassets.com/p74qXBD2Rj0iOkrHQfQg"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Struktur der oxidierten und reduzierten Form des Methylenblaumoleküls.</figcaption></figure>
Die Stoffwechselaktivität der Bäckerhefe ist temperaturabhängig, was ebenfalls anhand dieses einfachen Versuchs zu beobachten ist: Versetzt man eine raumtemperierte sowie eine auf 30 °C erwärmte Suspension mit jeweils gleicher Menge Methylenblaulösung, so ändert sich die Farbe der erwärmten Suspension schneller.<h2>Zweitopfaufbau</h2>Eine mikrobielle Brennstoffzelle als Zweitopfaufbau10) entspricht dem Aufbau der galvanischen Zelle, wie sie die Schüler:innen aus dem Chemieunterricht kennen. Sie können daher die Funktion der Halbzellen zuordnen und an bekannte Inhalte anknüpfen.Als Halbzellfassung dienen zwei 25-mL-Bechergläser mit Glucoselösung, in die jeweils ein Eisennagel als Elektrode hineinragt. In die Lösung im als Anodenraum fungierenden Becherglas werden 1,5 g Trockenhefe gerührt. Beide Bechergläser werden über ein verdrilltes Blatt Toilettenpapier miteinander verbunden, ein Multimeter zeigt die Zellspannung an (<xref rid="nadc20224127878-fig-0005" ref-type="fig">Abbildung 5</xref>).<figure><img src="https://media.graphassets.com/fIF1HmH0Sv2epEwC2gMk"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Mikrobielle Brennstoffzelle mit Bäckerhefe im Zweitopfaufbau; unten: Spannungsverlauf bei Betrieb.</figcaption></figure>
In der Hefehalbzelle steigt die Intensität der Gas- und Schaumbildung. Mit Glucose als Substrat im Anodenraum beträgt die Zellspannung etwa 400 mV, im Verlauf von 30 Minuten fällt sie ab. Die Stromstärke beträgt nach zehn Minuten 30 μA.Die Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden entsteht aufgrund der Stoffwechselaktivität der Hefe. In der Anodenhalbzelle wird Glucose oxidiert. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid.Werden die Elektronen aus dem Hefestoffwechsel auf die Anode übertragen, können sie in einen externen Stromkreis überführt werden. Schließlich gelangen sie zur Kathode, wo sie mit Sauerstoffmolekülen aus der Lösung und über die Elektrolytbrücke gewanderte Protonen zu Wassermolekülen reagieren. Da in diesem einfachen Aufbau die Substratkonzentration sinkt und die Produktkonzentration steigt, fällt die Zellspannung allmählich ab.<h2>Eintopfaufbau</h2>Eine mikrobielle Brennstoffzelle mit Bäckerhefe lässt sich auch als Eintopfaufbau realisieren (<xref rid="nadc20224127878-fig-0006" ref-type="fig">Abbildung 6</xref>):5) Ein 100-mL-Becherglas dient als Fassung der Brennstoffzelle. Hinein ragen zwei Eisenbleche oder Eisennägel als Elektroden. Als Begrenzung der Anodenhalbzelle dient eine Eierkarton-Hülse, die mit einer großen Büroklammer am inneren Rand des Becherglases befestigt wird. In einem 25-mL-Becherglas werden 1,5 g Trockenhefe in 25 mL destilliertem Wasser suspendiert und 2,5 g Glucose eingerührt. Die Suspension wird in die Eierkartonhülse gegossen und gleichzeitig Glucoselösung ins Becherglas außerhalb des Eierkartons gegeben.<figure><img src="https://media.graphassets.com/e9DiHULcTiJGFsQelAxh"><figcaption><label>Abb. 6: </label>Mikrobielle Brennstoffzelle mit Bäckerhefe im Eintopfaufbau.</figcaption></figure>
Während des Betriebs entwickelt sich mit zunehmender Intensität eine Schaum auf der Oberfläche der Hefesuspension. Die Zellspannung beträgt bis zu 900 mV und erreicht nach 30 Minuten etwa 80 mV. Die Stromstärke liegt bei etwa 60 μA.Durch den Verzicht auf eine Elektrolytbrücke und die kompaktere Bauweise ist der Innenwiderstand geringer, sodass die Leistung höher als in der Zweitopfanordnung ist.<h2>Fazit</h2>Schüler:innen können die Versuche im Klassenverband durchführen, da diese ungefährlich und die benötigten Materialien preisgünstig sind. Durch die Reduktion auf die zur Funktionsweise des jeweiligen Versuchs notwendigen Komponenten und eindeutige Beobachtungen sind die Versuche didaktisch prägnant. Der Einbezug von mikrobiellen Brennstoffzellen in den Chemieunterricht schafft das Bewusstsein dafür, dass es für Brennstoffzellen mehr Einsatzgebiete als den Mobilitätssektor gibt.<h2>Die Autorinnen</h2>Diesen Beitrag haben Rebecca Grandrath (oben) und Claudia Bohrmann-Linde verfasst. Grandrath studierte Lebensmittelchemie sowie Biologie und Chemie für das Lehramt an Gymnasien und Gesamtschulen. Bis Juni 2021 promovierte sie im Arbeitskreis Bohrmann-Linde an der Universität Wuppertal. Derzeit entwickelt sie in der Didaktik der Technik eine App zur Unterrichtsplanung und arbeitet in der Chemiedidaktik im Projekt „Chemistry of and with Food Loss from Apples“. Bohrmann-Linde ist seit dem Jahr 2018 Professorin für Didaktik der Chemie in Wuppertal. Davor hatte sie die Professur für Didaktik der Chemie an der Universität Tübingen inne. <a href="mailto:bohrmann@uni-wuppertal.de">bohrmann@uni-wuppertal.de</a><div><img src="https://media.graphassets.com/W71j3hiITreYPKLHS5Ye">

</div><div><img src="https://media.graphassets.com/9BJokrnJRZyua8787Y02">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Die Redoxaktivität der Bäckerhefe lässt sich wenigen Tropfen Methylenblaulösung in einer Hefe-Glucosesuspension zeigen.Für Schulversuche mit mikrobiellen Brennstoffzellen lassen diese sich als Zweitopf- oder als Eintopfzellen aufbauen.Der Zweitopfaufbau entspricht dem einer galvanischen Zelle, wie Schüler:innen sie aus dem Chemieunterricht kennen. Der Eintopfaufbau liefert mehr Leistung.Wissenschaftler:innen aus der experimentell-konzeptionellen Chemiedidaktik berichten an dieser Stelle über ihre Forschung.
<ul class="references"><li>
1 C. Santoro, C. Arbizzani, B. Erable, I. Ieropoulos, J. Power Sources 2017, 356, 225–244</li><li>
2 K. Obileke, H. Onyeaka, E. L. Meyer, N. Nwokolo, Electrochem. Commun. 2021, 125, 107003</li><li>
3 M. Agler-Rosenbaum, U. Schröder, F. Harnisch, Biol. Unserer Zeit 2013, 43, 96–103</li><li>
4 <a href="https://www.schulentwicklung.nrw.de/lehrplaene/lehrplan/151/KLP_GOSt_Chemie.pdf" target="_blank">www.schulentwicklung.nrw.de/lehrplaene/lehrplan/151/KLP_GOSt_Chemie.pdf</a> (Stand 13.2.2020)</li><li>
5 <a href="https://www.bildungsplaene-bw.de/site/bildungsplan/get/documents/lsbw/export-pdf/depot-pdf/ALLG/BP2016BW_ALLG_GYM_CH.pdf" target="_blank">www.bildungsplaene-bw.de/site/bildungsplan/get/documents/lsbw/export-pdf/depot-pdf/ALLG/BP2016BW_ALLG_GYM_CH.pdf</a> (Stand 13.2.2020)</li><li>
6 R. Grandrath, C. Bohrmann-Linde, „Fuel cells in the chemistry classroom – a brief survey among German chemistry teachers“, ARiSE 2020, 1, 13–16</li><li>
7 R. Grandrath, Brennstoffzell-Systeme mit Fokus auf biologischen Brennstoffzellen: Entwicklung und Optimierung von schulgeeigneten Experimenten, Konzepten und Medien. Dissertation. Universität Wuppertal, Wuppertal 2021</li><li>
8 R. Grandrath, C. Bohrmann-Linde, MNU-Journal 2021, 74, 235–240</li><li>
9 H. P. Bennetto, Biotechnol. Educ. 1990, 1, 163–168</li><li>
10 G. Silveira, M. Ikegaki, J. M. Schneedorf, Green Chem. Lett. Rev. 2017, 10 , 32–41</li><li>
11 R. Grandrath, C. Bohrmann-Linde, CHEMKON 2019, 26, 196–202</li></ul>

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