MODELLE ZUM SCHLÜSSEL- SCHLOSS-PRINZIP

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1 MODELLE ZUM SCHLÜSSEL- SCHLOSS-PRINZIP AM BEISPIEL ANTIGEN- ANTIKÖRPER-KOMPLEX Lena Kipfer, Hanna Lehmann, Martina Meyer, Janina Pfemeter Kurs 30 Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung Reutlingen

2 Inhalt 1. Fachlicher Hintergrund Modellbeschreibung Vor- und Nachteile von Modellen im Unterricht Funktionsmodell Bildungsplanbezug Einsatz im Unterricht Infotext Infotext Literatur Bilder

3 1. Fachlicher Hintergrund Eine Infektionskrankheit ist eine Krankheit, die durch Erreger hervorgerufen wird. Zu beachten ist, dass nicht jede Infektion gleichzeitig eine Infektionskrankheit ist. Infektionskrankheiten unterteilt man in zeitliche Verläufe und Symptome. Diese sind für den Erreger meist spezifisch. Der Ablauf der Antigen-Antikörper-Reaktion läuft, nachdem das Antigen zum ersten Mal in den Körper eingedrungen ist, in mehreren Phasen (nach Bayrhuber et al 2004) ab. a) Erkennungsphase Das Antigen wird von einer B-Zelle oder einer Makrophage aufgenommen, wo es dann teilweise abgebaut und an Gewebsverträglichkeits-Proteinen (MHC-Proteinen) gebunden wird. Durch diese Bindungen werden T-Zellen zur Teilung angeregt. Es entstehen T-Killerzellen und T-Helferzellen, die bei den B-Lymphozyten Teilungen auslegen, die die Antigene präsentieren. Diese Vorgänge werden über Cytokine reguliert. b) Differenzierungsphase In dieser Phase vermehren sich die B-Lymphozyten weiter und differenzieren sich zu Plasmazellen. Einige der B- und T-Zellen entwickeln sich zu Gedächtniszellen. c) Wirkungsphase Hier erfolgt die Antigen-Antikörper-Reaktion. Es entsteht der Immunkomplex. Hierbei kann ein Antikörpermolekül zwei Antigenmoleküle binden. Sollte das Antigen mehrere Bindungsstellen besitzen, so können größere Komplexe entstehen. Werden die Komplexe dementsprechend groß, sind sie nicht mehr löslich und fallen nicht mehr aus. Hier spricht man von Präzipitation. Binden sich die Antikörper an Zellen und verkleben, spricht man von Agglutination. Proteine bewirken eine erhöhte Durchlässigkeit der Kapillarwände für Proteine, sodass vermehrt Antikörper aus dem Blut in das Gewebe gelangen. Es entsteht die typische Schwellung der Infektion. d) Abschaltphase In der vierten und letzten Phase bewirken die T-Unterdrückerzellen das allmähliche Beenden der Immunreaktion. Die Gedächtniszellen speichern Informationen über den Erreger, sodass bei erneutem Kontakt die Abwehrzellen sofort reagieren können. Der Mensch wird so gegen diesen spezifischen Erreger immun. 2

4 2. Modellbeschreibung 2.1. Vor- und Nachteile von Modellen im Unterricht Durch ihre Anschaulichkeit erleichtern und beschleunigen Modelle das Erklären/Verstehen und die Erkenntnisgewinnung/-vermittlung. Modelle vereinfachen komplexe Sachverhalte und erleichtern den SuS vor allem den Zugang zu abstrakten Themen. Allerdings spiegeln Modelle nicht die Realität wieder und dienen nur der Veranschaulichung. Darüber müssen die SuS aufgeklärt werden. Unverzichtbar bleiben trotz allem Realobjekte, welche fast immer dem Modell vorzuziehen sind (vgl. Graf 2010, S. 191) Funktionsmodell Ein Modell ist immer eine vereinfachte Abbildung des Originals (vgl. Eschenhagen/ Kattmann/ Rodi 2008, S. 330). Es soll dabei helfen, bestimmte Vorgänge oder Strukturen deutlich zu machen um sie besser verstehen zu können. Dabei sind die Eigenschaften des Modells nicht identisch mit denen des Realobjekts. Es enthält sowohl wesentliche, als auch unwesentliche Aspekte, die als Beiwerk bezeichnet werden. In unserem Modell wäre die Farbe Beiwerk. Sie spielt keine wesentliche Rolle für das Verständnis des Vorgangs. Modelle besitzen immer auch einen bestimmten Zweck, für den sie konstruiert werden. Auf dieser Grundlage werden verschiedene Modelle unterschieden. Modelle, die dynamische Eigenschaften des Originals wiederspiegeln, werden als Funktionsmodelle bezeichnet. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass man die Funktionen und Mechanismen auch manipulativ nachvollziehen kann (vgl. Berck, Graf 2010, S. 184). Das heißt, verschiedene Teile des Modells lassen sich bewegen. Dabei stehen das Aussehen und die anatomischen Verhältnisse eher im Hintergrund. Es ist also nicht so wichtig, welche Farbe das Modell hat, oder aus welchem Material es besteht. Wenn die Schüler Modelle selbst herstellen, sollte man allerdings beachten, dass sie ausreichend groß sind und die wesentlichen Merkmale hervorgehoben werden. In unserem Fall soll das Modell den Schülern helfen, die Prozesse bei der Antigen- Antikörper-Reaktion zu verstehen. Es hat also zum einen eine Anschauungsfunktion, zum anderen soll es zum besseren Verständnis eines Prozesses beitragen. Man kann es deshalb den Funktionsmodellen zuordnen. 3. Bildungsplanbezug Die Realschule hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein ausdifferenziertes Verständnis von Begriffen, Prinzipien und Prozessen der Naturwissenschaften aufzubauen (Bildungsplan Realschule 2004, S. 96). Zudem sollen die Fähigkeiten und Fertigkeiten von Schülern ausgebaut werden. Dazu werden die kindlichen Vorstellungen gerade im Bereich der Naturwissenschaften berücksichtigt (vgl. Bildungsplan Realschule 2004, S. 96). 3

5 Die Verwendung und Anfertigung von Modellen durch die Schüler im naturwissenschaftlichen Unterricht unterstützt diesen Kompetenzerwerb nachhaltig. Der Bildungsplan sieht dazu unteranderem vor, dass Schüler Gesetze, Modelle und Konzepte zur Erklärung heranziehen und Begriffe oder Modelle bilden und Zusammenhänge formulieren (Bildungsplan Realschule 2004, S. 97). Auch können sich die Schüler mit Modellen sich selbst und anderen Phänomene beschreiben, dem Verstehen zugänglich machen und in einen Kontext einordnen (Bildungsplan Realschule 2004, S. 97). Die Schüler sollen langfristig auf Modellebene denken und eigene Modelle entwickeln können (Bildungsplan Realschule 2004, S. 97). Dies soll Schülern auch dabei helfen den eigenen Körper verstehen zu können, der sich in deren kindlicher Vorstellung oft zu einem sehr komplexen Gefüge strukturiert. Im Bereich der Immunreaktion und der Immunisierung ist diese Komplexität für Schüler auch erkennbar. Die Verwendung von Modellen kann Schüler maßgeblich unterstützen Mikroben als Krankheitserreger (zu er)kennen und das Prinzip der Immunabwehr sowie der Immunisierung (zu) verstehen ((Bildungsplan Realschule 2004, S. 99). Die Legitimation von Modellen im Bereich der Immunbiologie ist damit deutlich zu erkennen. Da der Bildungsplan außerdem vorsieht, dass Schüler eigene Modelle entwickeln um sich Phänomene besser erschließen zu können (vgl. S. 4), wurde sich beim Modelleinsatz in der didaktischen Umsetzung zu eigens von Schülern entwickelten Modellen zum Verständnis des Schlüssel-Schloss- Prinzips der Immunreaktion entschieden. Diese didaktische Umsetzung wird im Punkt 5 dieser Arbeit näher erläutert. 4. Einsatz im Unterricht Die Immunabwehr ist eines der schwersten Themen in Klasse 8. Modelle und vereinfachte Zeichnungen helfen den SuS den komplexen Zusammenhang zu verstehen. 1) Immunabwehr Die SuS bekommen einen Text (Text 1), auf dem die einzelnen Schritte des Immunsystems beschrieben sind. Der Text enthält keinerlei Bilder, da die SuS ihrer Fantasie freien Lauf lassen sollen. Auf der Tafel ist die Überschrift unspezifische und spezifische Immunabwehr zu sehen, außerdem ist eine Abbildung der Haut mit einer Wunde zu erkennen, symbolisch sind drei Auffangnetzte dazu gezeichnet. Im zweiten Schritt werden die SuS in Gruppen eingeteilt. Bei großen Klassen können Gruppen auch doppelt gebildet werden. Gruppe 1: Krankheitserreger Gruppe 2: Fresszellen 4

6 Gruppe 3:Antikörper Gruppe 4: Killerzellen Gruppe 5: Gedächtniszellen Die einzelnen Gruppen sollen nun die ihnen zugeteilten Zellen auf buntem Papier zeichnen und ausschneiden. Jede Gruppe bekommt Filzstifte und buntes Papier einer Farbe. Zusätzlich liest sich jede Gruppe den Text genau durch und überlegt, an welcher Stelle des Tafelbildes ihre Modelle aufgehängt werden und was bei der Präsentation gesagt werden sollte. Wenn alle Gruppen fertig sind, wird mit der Präsentation begonnen. Die Gruppe mit den Krankheitserregern beginnt und pinnt ihre Modelle mit Tesafilm an die Tafel. Die anderen Gruppen präsentieren ihre Modelle, sprechen kurz über die Aufgaben und Arbeitsweise ihrer Zellen (siehe Text) und pinnen diese an der richtigen Stelle dazu. Immer wenn ein Fachbegriff wie: spezifische, unspezifische Abwehr, 1/2/3 Auffangnetz fällt, gibt die Lehrperson einen bereits vorbereiteten Zettel an die SuS weiter, der an der richtigen Stelle angebracht wird. Ein Tafelbild der Immunabwehr entsteht nach und nach. Wenn das Tafelbild vollständig ist, wird es noch einmal von einem/r SoS zusammengefasst. Zum Schluss wird es fotografiert und in der nächsten Stunde (wenn möglich in Farbe) an die SuS ausgeteilt, um längerfristig von der Arbeit zu profitieren. Bild 1: Lena Kipfer, Oktober

7 2) Antikörper-/Antigenkomplex Die SuS kennen den Verlauf der unspezifischen und spezifischen Abwehr schon. Nun wird Augenmerk auf den Antigen/Antikörperkomplex gelegt. Hierzu gibt es wieder einen Informationstext (Text 2), welcher zuerst zusammen gelesen und erläutert wird. Danach sollen die SuS in Gruppen, Modelle eines solchen Komplexes bauen. Als Material kann eigentliches alles genommen werden. Hier wurde Folgendes ausgelegt: Luftballons, Alugrillschalen, Streichhölzer, Plastikbesteck, Edding, Papier, Pappteller, Pakatschnur, Geschenkband, Plastikbecher, Servietten. Nun präsentieren die SuS in einer Art Gallerywalk ihre Antikörper-Antigen-Komplexe und beschreiben anhand der Modelle die Arbeitsweise der Antikörper genauer. Bild 2: Lena Kipfer, Oktober

8 Anhang 5.1 Infotext 1 Spezifische und unspezifische Immunabwehr Die Abwehrkräfte des Menschen bieten Schutz vor Krankheiten. Damit diese zum Zuge kommen, müssen Krankheitserreger in unseren Körper eindringen. Die Haut und die Schleimhäute unseres Körpers schützen uns davor (1. Auffangnetz). Wenn aber doch mal ein Krankheitserreger durchkommt, gibt es sogenannte Fresszellen, die die Krankheitserreger auffressen und somit unschädlich machen. Sie gehören zur unspezifischen Immunabwehr (2. Auffangnetz), da sie nicht gegen spezielle Erreger, sondern unseren Körper allgemein vor Eindringlingen schützen. Wenn sich aber trotzdem Krankheitserreger im Körper ausbreiten, kommt die spezifische Immunabwehr ins Spiel (3. Auffangnetz). Antikörper werden produziert und über das Blut im ganzen Körper verteilt. Sie passen wie ein Schlüssel zu einem Schloss genau zu dem Erreger. Sie schließen sich mit den Erregern zusammen und verklumpen diese. Wenn die Erreger schon in eine Zelle eingedrungen sind, sind die Antikörper hilflos. Gegen diese Krankheitserreger bildet das spezifische Abwehrsystem sogenannte Killerzellen. Sie zerstören alle Zellen, die von Erregern infiziert wurden und stoppen damit die Verbreitung im Körper. Wenn ein Erreger besiegt wurde, bildet das spezifische Immunsystem sogenannte Gedächtniszellen, sie merken sich die Erreger. Wenn der Körper noch einmal von denselben Erregern angegriffen wird, erkennt das Immunsystem sie wieder und kann schnell reagieren. So ist der Körper vor bereits bekannten, wiederkehrenden Krankheitserregern geschützt. 1 1 Lena Kipfer, Oktober

9 5.2 Infotext 2 Antigen- Antikörperkomplex Antikörper passen wie ein Schlüssel zu einem Schloss, zu einem bestimmten Antigen (z.b. Bakterium). Nur ein bestimmter Schlüssel (Antikörper) passt zu einem bestimmten Schloss (Antigen). Sie binden mit ihrer genau angepassten Oberfläche, Antigene an ihrem Äußeren und verklumpen diese; ein Antikörper-Antigenkomplex entsteht. Durch die Verklumpung sind die Erreger markiert und können nicht mehr in Zellen eindringen und diese infizieren. Aufgabe: Gestaltet ein Modell eines Antikörpers und dem passenden Antigen. Eurer Fantasie sind keine Grenzen gesetzt. Achtet darauf, dass beide Modelle zueinanderpassen und zusammen einen Komplex darstellen. 2 Antigen= Fremdstoff der Krankheiten auslösen kann (z.b. Bakterium) Komplex= zusammengesetzt 2 Lena Kipfer, Oktober

10 6. Literatur Bayrhuber, Horst; Bäßler, Ulrike (2004). Linder Biologie. Hannover: Schroedel Verlag. Berck, K.-H./ Graf, D. (2010): Biologiedidaktik. Grundlagen und Methoden. Wiebelsheim: Quelle & Meyer Verlag (4. Auflage) Campbell, Neil A.; Reece, Jane B. (2003). Biologie. Berlin, Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag. Eschenhagen, D./ Kattmann, U./ Rodi, D. (2008): Fachdidaktik Biologie. Köln: Aulis Verlag (8. Auflage) Ministerium für Kultus, Jugend und Sport (Hrsg.) (2004): Bildungsplan für die Realschule. Stuttgart an_gesamt.pdf (Stand: , 20.04h) Lena Kipfer: Infotexte 1 und 2, Oktober Bilder Lena Kipfer, Geschwister-Scholl-Realschule Nürtingen, Klasse 8d, Oktober