Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (RS) Reutlingen NWA-Tag am 8. Juli 2009

Transkript

1 Die Handreichung umfasst Bastelanleitungen für verschiedene Bakterienmodelle, deren Einsatzmöglichkeiten im Unterricht sowie eine kurze Beschreibung der Vor- und Nachteile des jeweiligen Modells. Bei der Auswahl der verschiedenen Modelle wurde darauf geachtet verschiedene Aspekte zu betrachten, die bei der Behandlung des Themas Bakterien eine Rolle spielen (z.b.: Formen, Aufbau, Größe, Vermehrung). Ausgearbeitet von: Nava Dill Janina Kotapski Isabelle Löffler

2 Inhalt: 1. Bezug zum Bildungsplan D-Bakterienmodell für Tageslichtprojektor Modell zur Bakterien-Vermehrung Bakterienmodelle aus Styropor und Modelliermasse Denkmodell: Größenverhältnis von Bakterien Das Glaswannen-Modell Literatur:

3 1. Bezug zum Bildungsplan Die Realschule hat unter anderem die Aufgabe den Schülerinnen und Schülern 1 ein ausdifferenziertes Verständnis von naturwissenschaftlichen Begriffen, Prinzipien und Prozessen zu ermöglichen. Dabei geht es darum, die vorhandenen Fähigkeiten und Fertigkeiten der SuS aufzunehmen und das Vorstellungsvermögen und Wissen der SuS zu erweitern. Diese Ziele können durch die Verwendung von Modellen in besonderem Maße gefördert und erreicht werden. Dabei stellt sich die Frage, was allgemein unter einem Modell verstanden wird. Klaus Dieter Wüsteneck (Stachowiak, 1983) definiert ein Modell folgendermaßen: Ein Modell ist ein System, das als Repräsentant eines komplizierten Originals auf Grund mit diesem gemeinsamer, für eine bestimmte Aufgabe wesentlicher Eigenschaften von einem dritten System benutzt, ausgewählt oder geschaffen wird, um letzterem die Erfassung oder Beherrschung des Originals zu ermöglichen oder zu erleichtern [ ]. (ebd., S. 22) Modelle dienen folglich dem Erklären und Verstehen von Sachverhalten und Zusammenhängen und sind sowohl bei der Erkenntnisgewinnung als auch bei der Erkenntnisvermittlung unverzichtbar. Sie helfen die komplexe Wirklichkeit in vereinfachter Weise zu erklären und zu vermitteln. Dabei ist jedoch zu beachten, dass Modelle nicht der originalen Wirklichkeit entsprechen und die Grenzen der einzelnen Modelle (Modellkritik) besonders im schulischen Kontext aufgezeigt werden müssen. Allgemein wird bei dem Begriff Modell zwischen Denkmodellen und Sachmodellen unterschieden, welche beide für den schulischen Erkenntnisprozess von zentraler Bedeutung sind (Graf, 2004). Im Bildungsplan findet sowohl die Herleitung von Hypothesen (Denkmodelle) als auch die Verwendung verschiedener Struktur- und Funktionsmodelle (Sachmodelle) seine Anwendung. Im Bildungsplan ist die Arbeit mit und an Modellen folgendermaßen zu erörtern: Die SuS können Hypothesen bilden (Denkmodell), Prognosen wagen (Denkmodell) und an Struktur- und Funktionsmodellen Besonderheiten finden. Die SuS können Sachverhalte erschließen, Modelle planen, entwickeln, erstellen, auswerten und diese letztlich kritisch beleuchten. Die SuS können auf Modellebene denken und bei der Reflexion, Verknüpfung und Anwendung Modelle zur Erklärung heranziehen oder Denkmodelle bilden, um Zusammenhänge zu formulieren. Die SuS können mit Modellen sich selbst und andere Phänomene beschreiben, dem Verstehen zugänglich machen und in einen Kontext einordnen. 1 Zur besseren Lesbarkeit wird im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit bei der Benennung der Schülerinnen und Schüler die gängige Abkürzung SuS verwendet. 3

4 Ferner steht im Bildungsplan, dass die SuS Bakterien und Viren anhand von Abbildungen vergleichen und ihre Leistungen beschreiben können müssen. Zudem sollen sie SuS eine räumliche Zellvorstellung entwickeln. Dies ist insbesondere durch Modelle möglich. In der Schule haben Modelle zudem die Aufgabe, das Interesse der SuS zu wecken und zu motivieren. Dies gelingt insbesondere dann, wenn SuS selbst Modelle entwickeln und herstellen. Somit dienen die Bakterienmodelle als Mittel der Erkundung, des Entdeckens, der Erklärung und Bestätigung sowie der Veranschaulichung und Demonstration (Eschenhagen, Kattmann, Rodi, 2008). 4

5 1. 3D-Bakterienmodell für Tageslichtprojektor Das Modell veranschaulicht die Dreidimensionalität von Bakterienzellen. Material: 1 runder, durchsichtiger Plastikbehälter mit Deckel ( Folie für Tageslichtprojektor Folienstifte Bastelanleitung: Ober- und Unterseite des Plastikbehälters mit zwei verschiedenfarbigen Kreisen umranden. Aus der Folie einen Kreis ausschneiden, dessen Durchmesser dem des Plastikbehälters entspricht. Mit dem Folienstift die Erbsubstanz (Knäuel) und Reservestoffe (Punkte) in verschiedenen Farben einzeichnen. Die Folie parallel zu Ober- und Unterseite in der Mitte des Plastikbehälters anbringen. Einsatzmöglichkeit im Unterricht: Das Modell wird auf den Tageslichtprojektor gelegt, sodass zunächst die Oberseite scharf gestellt ist. Die SuS sollen die Veränderungen beobachten, wenn die Lehrkraft die Schärfe auf die verschiedenen Ebenen einstellt. Wichtig ist hierbei, dass die Lehrkraft die Beobachtungen der SuS im Plenum aufgreift und die Bedeutung der Schärferegulierung thematisiert (Bakterium als dreidimensionales Gebilde). Modellkritik: Das Modell zeigt, dass eine Bakterienzelle kein flächiges Gebilde, wie es oft auf Bildern dargestellt wird, sondern dreidimensional ist. Das Modell veranschaulicht grob einige Strukturen (Ober- und Unterseite: Zellwand, Zellmembran; Zwischenebene: Zellinnenraum mit DNA und Reservestoffen. Das Modell ist schnell und effektiv mit dem Tageslichtprojektor einsetzbar. Das Modell ist nicht selbsterklärend und relativ abstrakt. Das Modell kann und soll die Strukturen nicht im Detail veranschaulichen. 5

6 2. Modell zur Bakterien-Vermehrung Das Modell veranschaulicht die rasante Vermehrung von Bakterien (Verdopplung innerhalb von 20 Minuten). Material: 1kg Reis 6 Bechergläser (6 x 500 ml; oder 3x250 ml und 3x500 ml) elektronische Waage Taschenrechner Modellvorbereitung: Die Bechergläser werden mit der entsprechenden Menge an Reiskörnern gefüllt und mit der abgelaufenen Zeit beschriftet. (siehe Abbildung) 0 Minuten 1 Bakterium 40 Minuten 1 Stunde 2 Stunden 3 Stunden 4 Stunden 4 Bakterien 8 B. 64 B. 512 B B. Ab der 4. Stunde macht es wenig Sinn die einzelnen Reiskörner abzuzählen, deswegen an dieser Stelle eine Übersicht, die angibt wie viel die jeweilige Menge an Reiskörnern wiegt: Bakterienvermehrung: 20 Min = 2 40 Min = 4 1 h = 8 5 g 2 h = g 3 h = g 4 h = g 5 h = g 6 h = g 24 h = 4,7 * Einsatzmöglichkeit im Unterricht: Problemorientierung: Warum wird man nicht sofort krank, wenn man sich mit Bakterien infiziert hat? ( Die Bakterien müssen sich zuerst vermehren.) Das Modell wird gezeigt, um den SuS klarzumachen wie schnell sich Bakterien vermehren. 6

7 Der Arbeitsauftrag an die SuS lautet: o Ein Bakterium vermehrt sich durch Verdopplung. Es teilt sich alle 20 Minuten. o Die Reiskörner in den Bechergläsern stellen die Bakterien dar. Errechnet wie viele Bakterien nach einer Stunde vorhanden sind. o Errechnet nun wie viele Bakterien nach zwei, drei, vier, fünf, sechs, 24 Stunden vorhanden sind. Die Bechergläser werden gemeinsam mit der jeweiligen Anzahl an Bakterien beschriftet. Darüber hinaus bietet es sich an, das Gewicht der entsprechenden Anzahl an Reiskörner ausrechnen zu lassen, um Masse der Bakterien noch genauer darzustellen. Um einen Bogen in die Mathematik zu schlagen kann nun noch gemeinsam ein Diagramm erarbeitet werden, das die exponentielle Vermehrung der Bakterien darstellt. Bakterienvermehrung Anzahl der Bakterien R1 Zeit (Stunden) Modellkritik: Das Modell veranschaulicht mit leichten Mitteln die rasante Vermehrung der Bakterien und macht deutlich weswegen unser Körper manchmal mit der Abwehr von Krankheitserregern überfordert ist. Das Modell bietet sich an, um fächerübergreifend zu unterrichten (exponentielles Wachstum). Der Effekt ist nur gegeben, wenn die SuS auch die Vermehrung berechnen können (ab Klasse 7 oder 8). Kann SuS, die Mathe nicht mögen demotivieren. 7

8 3. Bakterienmodelle aus Styropor und Modelliermasse Diese Modelle veranschaulichen die verschiedenen Bakterienformen. Material: ca. 25 Styroporkugeln mit gleichem Durchmesser (erhältlich im Bastelgeschäft oder in der Gärtnerei) Draht Brett als Unterlage Dickeres Papier Modelliermasse Bastelanleitung: Streptokokken: 8 Styroporkugeln so auf ein Brett kleben, dass sie eine Schlange bilden. Diplokokken: 2 Styroporkugeln so auf ein Brett kleben, dass sie ein Paar bilden. Staphylokkokken: 8 Styroporkugeln so auf ein Brett kleben, dass sie einen Kugelhaufen bilden. Monokokken: Eine einzelne Styroporkugel auf ein Brett kleben. Stäbchenbakterium (unbegeißelt): Das Papier zu einer Röhre rollen, die ungefähr den dreifachen Durchmesser von einer Styroporkugel hat. Mit dieser Röhre zwei Styroporkugeln verbinden. Dies auf ein Brett kleben. 8

9 Stäbchenbakterium (begeißelt): s.o. Mehrere Drahtstücke in die beiden Kugeln stecken. Sie sollen etwa doppelt so lang sein, wie der Durchmesser einer Kugel. Schraubenbakterium: Aus Modelliermasse ein schlangenförmiges Gebilde formen und auf ein Brett kleben. Kommabakterium: s.o. Je ein Drahtstück in die Enden des Gebildes stecken. Einsatzmöglichkeit im Unterricht: Die Schüler können die Bezeichnungen der Bakterien auch den verschiedenen Modellen zuordnen. Modellkritik: Die Modelle zeigen die verschiedenen Formen von Bakterien räumlich. Größenverhältnisse stimmen. Diese Modelle eignen sich gut zum Weiterdenken (s.u.). Modell zeigt nur den äußeren Aufbau von den verschiedenen Bakterien. 9

10 4. Denkmodell: Größenverhältnis von Bakterien Dieses Modell veranschaulicht das Größenverhältnis von einer natürlichen Streptokokkenkugel im Vergleich des oben beschriebenen Styropormodells. Material: Plakat oder Folie Aufbau des Plakats, bzw. der Folie: Einsatzmöglichkeit im Unterricht: Die Schüler können anhand dieses Vergleichs erfahren, wie winzig eine Streptokokkenkugel ist (am besten im Zusammenhang mit dem vorherigen Modell). 10

11 Modellkritik: Die Größe einer Streptokokkenkugel wird bewusst. Dieses Denkmodell zeigt exemplarisch, dass Modelle Vergrößerungen sind. Durch die Gleichung besteht eine Verknüpfung zu Mathe. Die Gleichung kann auch von Schülern aufstellt werden. Das Modell ist in seiner Aussagekraft auf das Größenverhältnis beschränkt. Es kann also keine weitere Eigenschaft von Streptokokkenkugeln veranschaulichen. 11

12 5. Das Glaswannen-Modell Material: Zellwand = Plastikwanne (Schachtel Rocher ) Erbanlagen = Kordel/ Wollreste Reservestoffe = Wattekugeln ( Durchmesser ca. 1,5 cm) Ribosomen = Wattekugeln (Durchmesser ca. 1,0 cm) Geißel = dicker Basteldraht Plasmidringe = dünner Basteldraht Zytoplasmamembran = Frischhaltefolie Wasserfarben, Pinsel, Tesa, Nähfaden (weiß/durchsichtig), Nadel, Schere Zytoplasma und Schleimhülleschicht können im Modell nicht dargestellt werden. Bastelanleitung: 1.) Große Wattekugeln (Reservestoffe) mit blauer Wasserfarbe einfärben (Trockenzeit beachten). 2.) Kleine Wattekugeln (Ribosomen) mit gelber Farbe einfärben (Trockenzeit beachten). 3.) An Glaswanne Geißel befestigen. 4.) Glaswanne mit Frischhaltefolie (Zytoplasmamembran) auskleiden. 5.) Reservestoffe, Ribosomen, Plasmidringe und Erbanlage auf den Nähfaden auffädeln und diesen kreuz und quer in der Plastikwanne spannen und kleben. Einsatzmöglichkeit im Unterricht: Das Modell zeigt den Aufbau eines Bakteriums und kann somit gut mit dem Original verglichen werden. Es bietet den SuS die Möglichkeit sich die Formen der einzelnen Strukturen einer Bakterienzelle besser vorzustellen. An ihm können ferner die Grenzen des Modells aufgezeigt werden (Modellkritik). In ähnlicher Form kann ein Modell eines Virus hergestellt werden, um so den SuS den Unterschied zwischen Virus und Bakterien deutlich zu machen. Modelle sollten als Anschauungsobjekt möglichst oft Anwendung finden, denn sie sind für den Erkenntnisprozess von großer Bedeutung. Sie helfen komplexe Sachverhalte zu vereinfachen, bzw. der Anschauung zugänglich zu machen. Das Modell zu planen und zu konstruieren eignet sich als freiwillige Hausaufgabe, als Zusatzaufgabe oder als Aufgabe in einer naturwissenschaftlichen AG. 12

13 Modellkritik: Zeigt im Gegensatz zu einer Abbildung die Dreidimensionalität des Bakteriums. Zeigt die einzelnen Bakterienbestandteile. Relativ einfache Struktur des Bakteriums kann gezeigt werden. Modell bleibt besser im Gedächtnis haften als ein Bild eines Bakteriums. Modell zeigt reduzierte Aspekte des Originals, wodurch ein Fokus gelegt wird. Die Herstellung der Modelle mit SuS im Unterricht ist nur bedingt geeignet, da viel Zeit und Geduld benötigt wird. Modell ist sehr empfindlich und geht schnell kaputt. Die Verwendung des Modells vor einer Lerngruppe ist ungeeignet, da es zu klein ist. Strukturmodell, welches lediglich Betrachtungsmöglichkeiten bietet (angeschaut werden kann). Es sind nicht alle Bestandteile eines Bakteriums (Zytoplasma, Schleimschicht) im Modell abgebildet (Reduktion). Glaswannen-Modell Zellwand Zytoplasmamembran Erbanlage Reservestoffe Ribosomen Plasmidring Geißel 13

14 6. Literatur: ESCHENHAGEN, D., KATTMANN, U., RODI, D. (2008). Fachdidaktik Biologie. Köln: Aulis Verlag. GRAF, E. (Hrsg.). (2004). Biologiedidaktik für Studium und Unterrichtspraxis. Donauwörth: Auer Verlag. STACHOWIAK, H. (Hrsg.). (1983). Modelle - Konstruktion der Wirklichkeit. München: Wilhelm Fink Verlag. MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT (2004). Bildungsplan für die Realschule. Fächerverbund Naturwissenschaftliches Arbeiten. Umwelt Biologie (1995), Ernst Klett Verlag, Stuttgart 14