Fortbildung Januar 2009

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1 Fortbildung Januar 2009 Vorschläge für die Gestaltung des Unterrichtes im 2. Semester der Qualifikationsphase (Ökologie) auf Grundlage des neuen Rahmenlehrplanes 1. Einführung in die Ökologie Schülerinnen und Schüler: erläutern die Definitionen ökologischer Fachbegriffe, z.b. Art, Population, Biozönose, Biotop, abiotische und biotische Umweltfaktoren, stenöke und euryöke Toleranzbereiche, ökologische Potenz, Ökosysteme, Biosphäre, Autökologie, Populationsökologie, Synökologie, Habitat, Ökoton Strukturlegemethode 1. Schneiden Sie die vorgegebenen Begriffe aus. Überlegen Sie, in welcher Beziehung diese Begriffe zueinander stehen. Zeigen Sie diese Zusammenhänge, Hierarchien indem sie die Begriffe in einer selbst gewählten Struktur auf einem Blatt anordnen und mit Pfeilen, Linien, mathematischen Zeichen o.ä. verbinden. Überprüfen Sie die Struktur nochmals; Sie können dabei auch verschiedene Strukturen ausprobieren und Begriffe austauschen oder verschieben. Empfinden Sie ihre Struktur als gelungen, kleben Sie sie auf. Ergänzen Sie das Strukturbild durch Pfeile, Überschriften, Farben. 2. Erläutern Sie ihre Strukturierung. 3. Definieren Sie die Begriffe der Übersicht. Umweltfaktor Population Biotop Art stenök Ökosystem Synökologie abiotisch Autökologie Habitat Biozönose ökologische Potenz Biosphäre biotisch Populationsökologie Toleranzbereich Ökoton euryök

2 2. Einfluss abiotischer Faktoren auf Lebewesen Schülerinnen und Schüler: erklären mithilfe der Klimaregeln Anpassungen von Tieren in warmen und kalten Gebieten wenden die RGT (van t Hoffsche) Regel zur Erklärung der Temperaturabhängigkeit physiologischer Prozesse und ihre Grenzen an beschreiben jahreszeitliche Einflüsse auf Pflanzen Schülerexperimente Experiment 1: Temperatureinfluss auf Homoiotherme (Gleichwarme) Hinweise: Arbeitszeit: 90 Minuten Arbeit in 2-er Gruppen Abgabe eines (pro Gruppe) übersichtlichen und sauberen Protokolls Bei gleichwarmen Organismen nahe verwandter Tierarten oder rassen treten verschiedene Körperanpassungsformen an das Leben in unterschiedlichen Klimazonen auf. Für diese Körperanpassungen wurden grundlegende Regeln (Klimaregeln) formuliert: A) Bergmannsche Regel (Körpergrößenregel) - Modellexperiment 2 Rundkolben unterschiedlichen Fassungsvermögens mit heißem Wasser gleicher Temperatur füllen und die Temperatur in jedem Kolben über 10 Minuten jede Minute messen Thermometer so in die Kolben halten, dass sich die Thermometerspitze in der Mitte des Kolbens befindet Auswertung: 1. Stellen Sie die Messwerte grafisch dar. 2. Interpretieren Sie die Messergebnisse und formulieren Sie eine allgemeingültige Regel über die Größe verwandter Arten in den einzelnen Klimazonen (warm, kalt, gemäßigt). 3. Begründen Sie diese Regel mathematisch, indem Sie die Körper der Lebewesen als Kugel betrachten (sinnvolle, mathematische Größen berechnen, in Beziehung setzen und biologisch begründen). B) Allensche Regel (Körperanhangregel bzw. Proportionalitätsregel bezogen z.b. auf Schwänze/Ohren) Entwickeln Sie eine begründete Hypothese, warum und in welcher Art und Weise sich Körperanhänge verwandter Lebewesen in den verschiedenen Klimazonen voneinander unterscheiden. Wenden Sie Ihre Erkenntnisse auf die Ohrgröße indischer und afrikanischer Elefanten an. C) Hessesche Regel (Herzgewichtsregel) Die Hessesche Herzregel trifft Aussagen über die relative Herzgröße und -gewicht verwandter Arten in unterschiedlichen Klimaten. Die Herzgröße und das Herzgewicht korrelieren unmittelbar mit dem Stoffwechsel der Individuen. Die Stoffwechselaktivität zeigt sich unter anderem im Sauerstoffverbrauch der Lebewesen. (Abb. 4; Tab. 2) 1. Werten Sie die Abb. 4 und die Tab. 2 aus. 2. Wählen Sie sinnvolle Größen und formulieren Sie begründete Aussagen zur relativen Herzgröße und -gewicht verwandter Arten in unterschiedlichen Klimaten.

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4 alternative Experimente: Experiment 1 a: 2 kleine Gefäße, 2 kleine Metalllöffel, 2 Thermometer, Styroporblock. Füllen Sie die in einen Styroporblock eingelassenen Gefäßen mit 60ºC heißem Wasser und messen Sie innerhalb einer Stunde in regelmäßigen Abständen den Temperaturverlauf. 1. Stellen Sie die Ergebnisse graphisch dar und interpretieren Sie diese.... Experiment 1 b: 3 Kartoffeln unterschiedlicher Größe und möglichst gleicher Proportionen, 3 Thermometer; Die Kartoffeln werden gekocht. In die weich gekochten, noch heißen Kartoffeln wird jeweils ein Thermometer gesteckt. Der Temperaturverlauf wird festgehalten und gegen die Zeit grafisch dargestellt. 1. Stellen Sie die Ergebnisse graphisch dar und interpretieren Sie diese.... HA - Experiment 2: Temperatur und Keimung Maiskörner; feuchte Watte; Reagenzgläser; Wasser; Kühlschrank; Karton; Lineal Geben Sie ein Stück feuchter Watte auf den Boden eines Reagenzglases und legen Sie ein Maiskorn darauf. Bereiten Sie auf diese Weise 20 Reagenzgläser vor. Stellen Sie zehn Reagenzgläser in den Kühlschrank. Bewahren Sie als zweiten Versuchsansatz die anderen zehn bei Raumtemperatur auf. Decken Sie diese Gläser mit einem Karton ab, so dass kein Licht auf sie fällt. Notieren Sie Datum und Uhrzeit. Kontrollieren Sie täglich die Feuchtigkeit der Watte und geben Sie bei Bedarf etwas Wasser dazu. Messen Sie zwei Wochen lang täglich die Sprosslänge der Keimlinge (vom Austrittspunkt des Sprosses aus dem Korn bis zur Sprossspitze) und notieren Sie die Ergebnisse samt Datum und Zeitpunkt. Aufgaben: 1. Berechnen Sie für beide Versuchsansätze und jeden Tag den Mittelwert der Sprosslängen (Summe der jeweiligen Sprosslängen geteilt durch die Anzahl der Körner). 2. Tragen Sie in einer grafischen Darstellung die Mittelwerte der Sprosslängen gegen die Versuchsdauer auf. Berechnen Sie das durchschnittliche Längenwachstum. 3. Welche Unterschiede stellen Sie zwischen den Versuchsansätzen fest? Erklären Sie.

5 HA - Experiment 3: Phototropismus der Kresse Petrischalen, Kressesamen, Watte, Leitungswasser Die Kressesamen werden auf gut durchfeuchteter Watte in der Petrischale in der Nähe eines Fensters zum Keimen gebracht. Aufgaben: 1. Beobachten Sie die Reaktionen der Kressesamen während der Keimung. 2. Drehen Sie die Petrischale zu einem späteren Zeitpunkt um 180 und beobachten Sie die Veränderungen. 3. Interpretieren Sie Ihre Beobachtungen. 3. Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen Schülerinnen und Schüler: erklären die Prinzipien Konkurrenzausschluss und Konkurrenzvermeidung und werten dazu grafische Darstellungen aus HA Experiment (ggf. arbeitsteilig): Konkurrenzversuch mit verschiedenen Pflanzen 6 Blumentöpfe, Blumenerde, Wasser, Rote-Beete-Samen, Spinatsamen, Kressesamen Die Blumentöpfe werden mit der gleichen Blumenerde gefüllt. Zählen Sie die folgenden Samenmengen ab, geben Sie sie in die Töpfe: Topf 1: 25 Rote Beete + 25 Spinat Topf 2: 25 Rote Beete + 25 Kresse Topf 3: 25 Kresse + 25 Spinat Topf 4: 50 Kresse Topf 5: 50 Rote Beete Topf 6: 50 Spinat Gießen Sie die Töpfe anschließend reichlich und regelmäßig mit der gleichen Menge Wasser. Aufgaben: 1. Beobachten Sie die Entwicklung der Pflanzen in den Töpfen über einen Zeitraum von ca. 3 Wochen und fertigen Sie dazu eine Fotodokumentation an. 2. Protokollieren Sie - das Wachstum in Abhängigkeit von der Zeit - die Blattfläche - die Blattfärbung - die Stabilität der Pflanzen 3. Erklären Sie ihre Beobachtungen. 4. Populationsökologie Schülerinnen und Schüler: führen Simulationen zu Räuber-Beute-Beziehungen in einem Lebensraum durch bewerten die Anwendbarkeit des Räuber- Beute Modells auf natürliche Lebensräume werten grafische Darstellungen zur Populationsdynamik aus beschreiben die Regulation der Populationsdichte durch dichteabhängige und dichteunabhängige Faktoren diskutieren Schädlingsbekämpfungsmaßnahmen unter den Aspekt der Umweltverträglichkeit

6 Beispiel: Simulation einer Räuber-Beute Beziehung 2 verschiedenfarbige Würfel; 1 Spielfeld (s. Kopiervorlage I); ca. 80 Spielplättchen (Kopiervorlage II wird kopiert, die Spielplättchen werden ausgeschnitten, je ein Marienkäfer- Spielplättchen und ein Spielplättchen mit zwei Blattläusen werden an der Rückseite miteinander verklebt, so dass durch Umdrehen aus einem Marienkäfer-Spielplättchen ein Plättchen mit zwei Blattläusen wird). Mindestens 15 Felder des Spielfeldes werden mit Spielsteinen besetzt, die Relation von Blattläusen (Beute) und Marienkäfern (Räuber) spielt dabei keine Rolle. Ein Spieler vertritt die Blattläuse, ein anderer die Marienkäfer. Mit dem einen Würfel wird die waagerechte Koordinate, mit dem anderen die senkrechte Koordinate ausgewürfelt. Räuber und Beute werden abwechselnd durch je zwei Würfelereignisse aktiviert. Dabei sind folgende Regeln zu beachten: - Trifft der "Räuber" auf ein leeres oder ein eigenes Feld, so verliert er einen Spielstein, somit verkleinert sich die Räuberpopulation um ein Individuum. - Trifft der "Räuber" dagegen auf ein mit "Beute besetztes Feld, so besetzt er das Feld, das Spielplättchen wird umgedreht; somit ist die Räuberpopulation um ein Individuum gewachsen, die Beutepopulation hat zwei Individuen verloren. - Trifft die "Beute" auf ein eigenes oder ein leeres Feld, so erhält sie einen Spielstein hinzu; dieser wird auf das erwürfelte Feld gelegt oder für den Fall, dass dieses besetzt ist, auf ein angrenzendes Feld. Somit wächst die Beutepopulation um zwei Individuen. - Trifft die "Beute" auf ein von einem Marienkäfer besetztes Feld, so wird die Blattlaus zur Beute, d. h., die Populationen bleiben zahlenmäßig unverändert. - Es darf auch dann weitergewürfelt werden, wenn eine der beiden Populationen zwischenzeitlich ausgestorben ist. Aufgaben: 1. Führen Sie die Simulation einer Räuber-Beute-Beziehung für 150 Generationen durch. Erfassen Sie die Ergebnisse (ggf. mit Hilfe von Excel) in einer Tabelle und setzten Sie diese dann graphisch um. 2. Fassen Sie das Ergebnis der Simulation in knapper Form zusammen und nehmen Sie dann kritisch zur Realität dieser Simulation Stellung. 3. Erläutern Sie kurz den biologischen Hintergrund der Spielregeln. 4. Wie könnte man die Simulation um den Effekt eines gegen Blattläuse gerichteten Insektizideinsatzes erweitern? Lösungshinweise: 1. Es werden sich in der Regel Ergebnisse einstellen, wo sich die Volterra-Gesetze nachweisen lassen. Je mehr Würfelereignisse durchgeführt werden, umso deutlicher werden die Beziehungen. 2. Nach dem Anwachsen der Beutepopulation nimmt auch die der Räuber zu. Eine Zunahme der Räuberpopulation zieht eine Abnahme der Beutepopulation nach sich. Zwischen diesen beiden Zustandsgrößen bestehen demzufolge Abhängigkeiten. Kritik: Es werden nur lineare Nahrungsbeziehungen zugrunde gelegt, der Einfluss weiterer biotischer und abiotischer Faktoren wir nicht berücksichtigt. Insofern ist es also ein einfaches Modell, mit deren Hilfe man die Volterra-Gesetze nachweisen kann. 3. Biologischer Hintergrund: - Wenn der Räuber nicht auf Beute trifft, leidet er unter Nahrungsmangel, hat somit geringe Fortpflanzungschancen und muss daher Einbußen hinsichtlich seiner Populationsgröße hinnehmen. - Trifft ein Räuber nicht auf ein Beutetier, leidet er unter Nahrungsmangel, hat somit geringere Fortpflanzungschancen. Für die Beutepopulation bedeutet das Gefressenwerden, naturgemäß eine Abnahme der Größe. - Ein eigenes Feld könnte für ein Beutetier bedeuten, dass es auf einen Geschlechtspartner stößt und sich daher fortpflanzen kann, die Populationsgröße nimmt zu; trifft ein Beutetier auf ein leeres Feld, so bedeutet das ein gutes, d.h. konkurrenzfreies Nahrungsangebot, was ebenfalls zu einem Anstieg der Populationsgröße führen kann. - Trifft ein Beutetier auf ein Räuberfeld, so wird es gefressen, die Größe der Beutepopulation stagniert. - Hier muss bedacht werden, dass sowohl Beute als auch Räuberindividuen zuwandern können.

7 6. Untersuchung eines Lebensraums GK/LK: Schülerinnen und Schüler: untersuchen in einem regionalen terrestrischen/aquatischen Ökosystem abiotische und biotische Faktoren beobachten und bestimmen Pflanzen und Tieren planen selbstständig Freilanduntersuchungen und führen sie durch präsentieren die Untersuchungsergebnisse mithilfe verschiedener Techniken und Methoden bewerten dabei die Ergebnisse der Analyse Langzeitdokumentationen und -untersuchungen in terrestrischen Ökosystemen (Winter-, Frühjahresund Sommeraspekt) gezieltes Herbarisieren von Vertretern einiger Pflanzenfamilien (holzig und krautig; ggf. Zusammenarbeit mit Förster); erstellen eines Steckbriefes; eine Bestimmung nach Rothmaler Beispiele für holzig: Familie Weidengewächse (Salicaceae) Familie Rosengewächse (Rosaceae) Familie Buchengewächse (Fagaceae) und Familie Birkengewächse (Betulaceae) Familie Ahorngewächse (Aceraceae) und Familie Ulmengewächse (Ulmaceae) Familie Haselgewächse (Corylaceae) und Familie Kieferngewächse (Pinaceae) Untersuchungen zu speziellen ökologischen Themen; erarbeiten eines wissenschaftlichen Artikels und Präsentation in geeigneter Weise (Plakat, Vortrag) mögliche Themen: Brennnessel/Goldnessel Pflanzengallen Phytophagen an verschiedenen Gewächsen Doldengewächse und ihre Besucher Ambrosia Riesenbärenklau Neophyten Wildbestand Wölfe Neozoen Fisch/Vogel/Baum... des Jahres Exkursionstag ÖS See (Kartierung der Uferzone, chemische Analyse, Flora, Fauna) 1. Erkunden Sie das Umfeld... und machen Sie Angaben zu folgenden Punkten: - Zuflüsse und Abflüsse (u.a. auch Abwassereinleitungen) - Bodenarten im Umfeld des Gewässers - Hangneigung des Ufers - Vegetation und Nutzung des Umfeldes - Bebauung - Nutzung des Gewässers 2. Bei den Binnengewässern unterscheidet man innerhalb der stehenden Gewässer See, Weiher, Teich und Tümpel. Charakterisieren Sie die Gewässertypen und ordnen Sie... begründet ein. 3. Beurteilen Sie den Zustand des Gewässers anhand organoleptischer Parameter. 4. Ermitteln Sie an drei verschiedenen Stellen die Bestandsdichte des Schilfes, indem Sie die Halme pro m 2 auszählen. Erfassen Sie die Ergebnisse in einer Tabelle. ( normale Bestandsdichte pro m 2 etwa 90 Halme) 5. Erläutern Sie die Bedeutung des Schilfgürtels.

8 6. Beurteilen Sie den Zustand des Schilfgürtels. Welche Auffälligkeiten sind zu beobachten? Wo könnten Ursachen für die Auffälligkeiten liegen? Welche Auswirkungen könnten diese Auffälligkeiten für Organismen haben? 7. Untersuchung einer Schilfpflanze Graben Sie eine vollständige Schilfpflanze aus. Fertigen Sie eine Zeichnung von der Pflanze an und beschriften Sie diese. Untersuchen Sie die Schilfpflanze. Höhe: Durchmesser des Halmes: Anordnung der Blätter: Eventueller Blütenstand: Wurzelbereich: Pflanzenfamilie: 8. Durch welche Besonderheiten ist das Schilf den Umweltbedingungen angepasst? (u.a. starker Wind, Wellen, oft "weicher" Grund) Quellen: Schroedel; Biologie heute entdecken S II C.C. Buchner Verlag; Vita nova; Biologie S II Westermann-Colleg Biologie; Ökologie Unterricht Biologie; Heft 249; 1999; Energetik Jaenicke; Materialienhandbuch Kursunterricht Biologie; Band Ökologie