Bildverständnis im Biologieunterricht diagnostizieren und fördern

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1 Bildverständnis im Biologieunterricht diagnostizieren und fördern Christina Beck & Claudia Nerdel Aus Fehlern wird man klug: Schülerfehler aufdecken und Verständnis stärken Das hier zur Verfügung stehende Aufgabenmaterial behandelt das Thema Erythropoetin (EPO). EPO, ein körpereigenes, hauptsächlich in der Leber und den Nieren produziertes Hormon, regt die Bildung von roten Blutkörperchen an. Sinkt der Sauerstoffgehalt im Blut oder sind zu wenige rote Blutkörperchen vorhanden, wird dieses Hormon vermehrt vom Körper gebildet. Vielen bekannt wurde EPO durch die Doping-Skandale im Leistungssport. Materialien: Typische Bearbeitungsfehler und Lösungsbeispiele mit gestuften Hilfen

2 Aufgabe 1 EPO als Dopingmittel Das Dopingmittel Erythropoetin (EPO) wirkt durch Anregung von roten Blutkörperchen leistungssteigernd. Gedopte Sportler versuchen deshalb, den EPO-Nachweis im Urin zu verhindern. Die Zugabe von proteinspaltenden Enzymen zum Urin führt zum Abbau von EPO. Diese Enzyme werden wiederum nach kurzer Zeit selbst abgebaut. Aus dem Biologieunterricht weiß Lisa, dass die Geschwindigkeit des enzymatischen EPO- Abbaus mit der Zeit abnimmt. In ihrem Schulbuch findet sie die nebenstehende Tabelle, die den EPO-Abbau in relativen Einheiten aufzeigt. Die Werte wurden alle 24 Stunden gemessen, der erste Wert zeigt den EPO-Abbau nach 0 Stunden an. Konstruiere mithilfe der Tabellenwerte ein vollständig beschriftetes Diagramm, das den EPO-Abbau in Abhängigkeit von der Zeit zeigt. Markiere anschließend im Diagramm, zu welchem Zeitpunkt das gesamt EPO abgebaut ist.

3 Aufgabe 1 Fehler und Schwierigkeiten in der Bearbeitung und deren Diagnose Schülerantwort Diagnose Die Wahl des Diagrammtyps ist falsch. Die relative Einheit für den EPO-Abbau wurde mit der Einheit % gleichgesetzt, d.h. die Information aus dem Text Geschwindigkeit wurde nicht beachtet. Die Beschriftung der y-achse ist unvollständig (ohne Einheit) und falsch. Die Skalierung ist im Verhältnis zum möglichen Diagrammrahmen sehr dicht. Die Angabe aus dem Text zur Messung des EPO-Abbaus alle 24 Stunden wurde falsch in das Diagramm übertragen, d.h. der erste Wert wurde als Wert nach 24 Stunden verstanden und doppelt eingetragen. Die Markierung, zu welchem Zeitpunkt das gesamt EPO abgebaut ist, fehlt. Die Beschriftung der y-achse ist unvollständig. Die Werte aus der Tabelle wurden von unten nach oben in das Diagramm eingetragen, d.h. es liegt ein Verständnisproblem hinsichtlich des Startpunkts für den Abbau von EPO vor. Die Markierung, zu welchem Zeitpunkt das gesamt EPO abgebaut ist, fehlt.

4 Die Skalierung der Werte für die Zeit auf der x-achse wurde mit den Werten aus der Tabelle gleichgesetzt, d.h. beginnend bei 0 Stunden für 0 relative Einheiten, 24 Stunden für 50 relative Einheiten. Dies konnte hingegen nur für diese Werte umgesetzt werden, weshalb anschließend ein umgekehrtes Vorgehen folgt, wie folgende Mitschrift zeigt: Die Werte wurden in einen falschen Zusammenhang zwischen abhängiger und unabhängiger Variable gestellt und anschließend falsch eingetragen. Die Markierung, zu welchem Zeitpunkt das gesamt EPO abgebaut ist, fehlt.

5 Aufgabe 1 Lösungsbeispiel: Rückmeldung und gestufte Hilfen Die in der Aufgabenstellung geforderte Übersetzungsleistung ist eine Konstruktion eines Liniendiagramms. Die Werte zur Konstruktion sind aus dem Text und der angegebenen Tabelle zu entnehmen. Erwartungshorizont: Antwort: Nach 6 Tagen bzw. nach 144 Stunden ist das gesamte EPO abgebaut. Rückmeldung 1: Wiederhole die Aufgabenstellung noch einmal in deinen eigenen Worten. Rückmeldung 2: Überlege dir zunächst wie der Diagrammrahmen auszusehen hat. Beginne mit der Wahl des passenden Diagrammtyps, indem du folgende Frage beantwortest: Soll in dem Diagramm ein qualitativer oder quantitativer Zusammenhang dargestellt werden? Rückmeldung 3: Bestimme die Achsenbelegung, indem du die unabhängige und abhängige Variable identifizierst. Anschließend kannst du die zwei Achsen beschriften. Rückmeldung 4: Lege die Skalierung fest. Betrachte hierzu die angegebenen Werte im Text und in der Tabelle. Achte darauf, dass die Skala gleichmäßig und ausreichend lange dargestellt ist. Die Datenpunkte sollten möglichst das gesamte Diagramm ausfüllen. Antwort 1: Das zu konstruierende Diagramm soll den EPO-Abbau in Abhängigkeit von der Zeit zeigen. Anschließend soll der Wert markiert werden, zu welchem Zeitpunkt das gesamte EPO abgebaut ist. Antwort 2: Die Werte im Text und der Tabelle weisen auf eine statistische Abhängigkeit zwischen zwei Variablen hin. Eine lineare Abhängigkeit der Variablen kann über einen quantitativen Zusammenhang in Form eines Liniendiagramms dargestellt werden. Antwort 3: Die unabhängige Variable wird auf die x- Achse, die abhängige Variable auf die y- Achse dargestellt. D.h. die Zeit ist die Stellgröße, während die Geschwindigkeit des EPO-Abbaus die Messgröße ist. Antwort 4: Die Werte wurden alle 24 Stunden, beginnend bei 0 Stunden gemessen, d.h. nach 24 Stunden beträgt die Konzentration immer noch 100 relative Einheiten. Insgesamt müssen 6 Tage bzw. 144 Stunden aufgetragen werden. Die relativen Einheiten für den EPO-Abbau liegen zwischen 0 und 100.

6 Rückmeldung 5: Nun musst du die im Text und in der Tabelle angegebenen Werte in das Diagramm eintragen. Achte dabei auf eine exakte Markierung der Datenpunkte. Rückmeldung 6: Jetzt ist dein Diagramm fast fertig. Überlege dir, wie ein vollständiges Liniendiagramm aussieht. Rückmeldung 7: Nun musst du noch den Wert markieren, zu welchem Zeitpunkt das gesamt EPO abgebaut ist. Antwort 5: Zur Kontrolle kannst du deine Werte noch einmal überprüfen: 0 h h h h h h h 0 Antwort 6: Zeichne eine Verbindungslinie zwischen den vorgegebenen Punkten. Antwort 7: Nach 6 Tagen bzw. 144 Stunden ist das gesamt EPO abgebaut (0 relative Einheiten).

7 Aufgabe 2 EPO in der medizinischen Forschung Seit 1969 kann Erythropoetin (EPO) im Labor hergestellt werden. So wird es z.b. gegen Blutarmut bei Nierenkranken eingesetzt. Ziel bei dieser Therapie mit EPO ist es, den Mangel an dem Hormon Erythropoetin auszugleichen und so die Blutarmut zu beheben. Lisa entdeckt in ihrem Schulbuch das untenstehende Diagramm. Es zeigt den Anstieg der Konzentration der roten Blutkörperchen nach Verabreichung unterschiedlicher EPO- Dosierungen über mehrere Wochen. Der Hämatokrit-Wert dient als Maß für den Anteil der roten Blutkörperchen. Quelle: ABITUR Biologie Leistungskurs (2010). Prüfungsaufgaben mit Lösungen Gymnasium Bayern , 31. ergänzte Auflage. Freising: STARK Verlagsgesellschaft. Konstruiere ein vollständiges Diagramm, das den Hämatokrit-Wert in Abhängigkeit von der EPO-Dosierung nach einer Behandlungszeigt von sechs Wochen zeigt.

8 Aufgabe 2 Fehler und Schwierigkeiten in der Bearbeitung und deren Diagnose Schülerantwort Diagnose Die Wahl des Diagrammtyps ist falsch. Die Wahl des Diagrammtyps ist falsch. Die Werte wurden falsch abgelesen. Die Werte wurden falsch eingetragen. Die Werte wurden nicht exakt eingetragen. Die Punktwerte wurden nicht korrekt zu einer Trendlinie verbunden.

9 Die Werte wurden nicht exakt eingetragen. Neben einer Trendlinie wurde eine Gerade eingetragen.

10 Aufgabe 2 Lösungsbeispiel: Rückmeldung und gestufte Hilfen Die in der Aufgabenstellung geforderte Übersetzungsleistung ist eine Informationsentnahme aus dem gegebenen Diagramm mit anschließender Konstruktion eines Liniendiagramms. Erwartungshorizont: Rückmeldung 1: Wiederhole die Aufgabenstellung noch einmal in deinen eigenen Worten. Rückmeldung 2: Sieh dir das obere Diagramm noch einmal genauer an. Überlege dir, wie du die Werte aus dem Diagramm exakt ablesen kannst. Rückmeldung 3: Überlege dir, welchen Diagrammtyp du für die Transformation der Werte in das neue Diagramm wählst. Rückmeldung 4: Nun musst du die abgelesenen Werte aus dem oberen Diagramm in das untere Diagramm eintragen. Beachte dabei, dass die EPO-Dosierungen jetzt auf der x-achse aufgetragen sind. Rückmeldung 5: Jetzt ist dein Diagramm fast fertig. Überlege dir, wie ein vollständiges Liniendiagramm aussieht. Antwort 1: Zur Konstruktion des Liniendiagramms müssen die EPO-Dosierungen bei einer Behandlungsdauer von sechs Wochen aus dem oberen Diagramm abgelesen werden. Antwort 2: Zeichne bei einer Behandlungsdauer von sechs Wochen einen senkrechten Strich. Gehe anschließend mithilfe deines Lineals waagrecht zur y-achse. Nun kannst du den Hämatokrit-Wert für jede EPO-Dosierung direkt ablesen. Antwort 3: Um die Abhängigkeit des Hämatokrit-Wertes von der EPO-Dosierung darzustellen, ist das Liniendiagramm am besten geeignet. Antwort 4: Zur Kontrolle kannst du deine Werte noch einmal überprüfen: 15 U/kg 19 % 50 U/kg 24,5 % 150 U/kg 33 % 500 U/kg 41 % 750 U/kg 44 % Antwort 5: Zeichne eine Verbindungslinie zwischen den vorgegebenen Punkten.

11 Aufgabe 3 EPO in Sport und Gesundheit Erythropoetin (EPO) ist ein typisches Dopingmittel zur Steigerung der körperlichen Leistungsfähigkeit. Es regt die Produktion der roten Blutkörperchen an. Als Maß für den Anteil der roten Blutkörperchen dient der Hämatokrit-Wert. Nicht jeder erhöhte Hämatokrit- Wert ist jedoch auf Doping zurückzuführen. Untersuchungen ergaben, dass auch eine Erbkrankheit vorliegen kann. In der Zeitung hat Lisa von einem mehrfachen Olympiasieger gelesen, bei dem die autosomal-dominante Erbkrankheit Erythrozytose nachgewiesen wurde. Der untenstehende Stammbaum zeigt das Auftreten der Krankheit innerhalb der Familie. Kranke Personen besitzen den Genotyp Aa oder AA, Gesunde zeigen den Genotyp aa. Lisa interessiert sich zunächst für die Kinder der Eltern 3 (Genotyp aa) und 4 (Genotyp Aa). Sie fragt sich, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Kind dieser Eltern krank ist. Quelle: nach ABITUR Biologie Leistungskurs (2010). Prüfungsaufgaben mit Lösungen Gymnasium Bayern , 31. ergänzte Auflage. Freising: STARK Verlagsgesellschaft Ermittle die prozentuale Wahrscheinlichkeit für die Erkrankung. Fülle hierzu das Kreuzungsschema mit den Genotypen aus. Die Wahrscheinlichkeit beträgt %.

12 Aufgabe 3 Fehler und Schwierigkeiten in der Bearbeitung und deren Diagnose Schülerantwort Diagnose Das Identifizieren der Bildelemente erfolgt ausschließlich auf der Phänomenebene. Die Merkmalsausprägung (Phänotyp) wird über Diskriminanten festgelegt und über alle 13 Personen im Stammbaum gelegt. Dabei werden die Phänotypen je nach Merkmalskombination gezählt und so die Wahrscheinlichkeit ermittelt. Der Übergang von der Phänomenebene der Merkmalsausprägung (Phänotyp) zur Ebene des Genotyps gelingt nicht. Das Symbol für die Merkmalsausprägung wird mit den Parametern des Erbgangs (autosomaldominant) gleichgesetzt, d.h. es existieren drei mögliche Kombinationen jeweils zu 33%: aa, Aa, AA. Das Auftreten dieser Kombinationen wird im Stammbaum gesucht und mit der Wahrscheinlichkeit für die Kombination der beiden Genotypen berechnet: Bei einer Erkrankung werden dementsprechend die Genotypen Aa und AA zu jeweils 33 % in die Berechnung miteinbezogen. Der Übergang von der Phänomenebene der Merkmalsausprägung (Phänotyp) zur Ebene des Genotyps gelingt nicht. Das Symbol für die Merkmalsausprägung wird mit dem Allel gleichgesetzt und für den Genotyp dupliziert. Dadurch gelingt eine korrekte Berechnung für die Wahrscheinlichkeit der Erkrankung. Der Zusammenhang zu den Allelen wird am Ende der Antwort angedeutet, passt jedoch nicht mit den Symbolen im Kreuzungsschema überein.

13 Der Genotyp wird nicht als Zusammensetzung aus zwei Allelen verstanden und dadurch vollständig in das Kreuzungsschema übernommen. Die Allele werden nicht miteinander kombiniert, sondern eine Wahrscheinlichkeitsberechnung über den prozentualen Anteil bei der Kombination der jeweiligen Genotypen aufgestellt. Die Antwort deutet darauf hin, dass ein großes A für das dominante Merkmal steht (AA in Kombination Aa: 75 %). Die gefragte Wahrscheinlichkeit für die Erkrankung der Kinder von Elternpaar Aa und Elternpaar aa wird daraus abgelesen.

14 Aufgabe 3 Lösungsbeispiel: Rückmeldung und gestufte Hilfen Die in der Aufgabenstellung geforderte Übersetzungsleistung ist eine Informationsentnahme aus dem gegebenen Stammbaum mit nachfolgender Konstruktion über das Kreuzungsschema zur Ermittlung der möglichen Genotypen. Anschließend erfolgt das Mathematisieren zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit einer Erkrankung. Erwartungshorizont: Die Wahrscheinlichkeit beträgt 50 %. Rückmeldung 1: Wiederhole die Aufgabenstellung noch einmal in deinen eigenen Worten. Rückmeldung 2: Sieh dir den Stammbaum der Familie noch einmal genauer an. Identifiziere zunächst die Bildelemente. Rückmeldung 3: Überlege dir, wie du eine Zuordnung der Merkmalsausbildung (Phänotyp) erreichen kannst. Denke dabei daran, dass es sich um einen autosomal-dominanten Erbgang handelt. Folgende Fragen können dir helfen: Wird die Krankheit von phänotypisch erkrankten Eltern immer weitergegeben oder gibt es Ausnahmen? Stammen erkrankte Personen von zwei phänotypisch gesunden Eltern? Ist der Erbgang geschlechtsabhängig? Rückmeldung 4: Nachdem du dir die Merkmale für einen autosomal-dominanten Erbgang noch einmal klar gemacht hast, sieh dir die Verwandtschaftsbeziehung bei den Eltern 3 und 4 genauer an. Antwort 1: Zur Ermittlung der prozentualen Wahrscheinlichkeit einer Erkrankung für die Kinder der Eltern 3 (Genotyp aa) und 4 (Genotyp Aa) soll zunächst das Kreuzungsschema ausgefüllt werden. Antwort 2: Im Stammbaum der Familie können folgende Bildelemente identifiziert werden: runde Kreise (ausgefüllt, nicht ausgefüllt) und Vierecke (ausgefüllt, nicht ausgefüllt). Ein Symbol steht für eine Person und ist mit einer Ziffer versehen. Insgesamt sind drei Generationen über Verbindungslinien dargestellt. Antwort 3: Die Erkrankung wird autosomal-dominant vererbt, d.h. Die Krankheit wird immer weitergegeben und taucht in jeder Generation auf (dominant). Bei erkrankten Personen ist immer mindestens ein Elternteil ebenfalls erkrankt. Der Erbgang ist geschlechtsunabhängig (autosomal). Antwort 4: Das Elternpaar Nr. 3 ist weiblich, gesund und hat den Genotyp aa. Elternpaar Nr. 4 ist männlich, erkrankt und den Genotyp Aa.

15 Rückmeldung 5: Damit du den Zusammenhang zu den Allelen herstellen kannst, trage diese in das Kreuzungsschema für jeweils ein Elternpaar ein. Der Genotyp gibt dir den Hinweis. Rückmeldung 6: Jetzt hast du es fast geschafft. Fülle das Kreuzungsschema mit den möglichen Kombinationen aus. Folgende Reihenfolge kann dir helfen: Kombiniere das Allel in der zweiten Spalte mit dem Allel in der zweiten Reihe, usw. Rückmeldung 7: Betrachte die vier Felder im Kreuzungsschema mit den möglichen Kombinationen der Allele der Eltern. Alle vier Felder gemeinsam ergeben 100 %. Jetzt kannst du die Wahrscheinlichkeit für die Erkrankung berechnen. Antwort 5: Eintragen der beiden Allele für das jeweilige Elternpaar. Nr.3 mit aa und Nr. 4 mit Aa. Antwort 6: Alle möglichen Kombinationen sind im Kreuzungsschema ausgefüllt. Antwort 7: Die Wahrscheinlichkeit beträgt 50 %.