Energie im biologischen Kontext unterrichten

Transkript

1 Energie im biologischen Kontext unterrichten Ulrich Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

2 Alltagsvorstellungen Lebewesen nehmen Nahrung auf, um Energie zum Leben herzustellen. Merle, 7. Klasse Durch Denken oder Bewegung wird Energie verbraucht. Ringo, 11. Klasse Energie besteht aus kleinen Teilchen, die in den Nahrungsstoffen enthalten sind. Eva, 10. Klasse Sonnenstrahlung wird in Glucose umgewandelt. E.P. Odum, 1999 Was ist Energie? Kraft ist fast wie Energie beides kann etwas bewirken. Anne, 9. Klasse November Ulrich Kattmann: 2010 Energie im biologischen Kontext unterrichten.

3 Gliederung Systeme: energetisch offene und geschlossene Physiologie: Energiefluss und Stoffwechsel Ökologie: Energiefluss und Stofftransport Strukturen: Energie und Ordnung Biologieunterricht: Zentrale Konzepte November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

4 Systeme Lebewesen nehmen Nahrung auf, um Energie zum Leben herzustellen. Merle, 7. Klasse Aus Lebensmitteln stellen Lebewesen bei etwas Wärme ihre lebensnotwendige Energie her. Biologielehrerin Durch Denken oder Bewegung wird Energie verbraucht. Ringo, 11. November Ulrich Kattmann: 2010 Energie im biologischen Kontext unterrichten.

5 Systeme energetisch geschlossenes System Energieerhaltung Offenes System Energiedurchfluss und Dissipation (nach Larsen 2015, verändert) November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

6 Systeme Perspektivenwechsel: vom geschlossenen zum offenen System: Organismen nehmen Energie auf und geben sie ab (Durchfluss), sie können sie weder herstellen noch verbrauchen. November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

7 Systeme Energiefluss und Energienutzung Differenz einer Größe ist Voraussetzung für Energiefluss. Energiefluss treibt die Maschine an. Energienutzung ist Energieflussnutzung. (Hardin 1966) Ulrich Ulrich Kattmann: Evolutionsökologie: Bioplanet Erde. Pädagogische Hochschule Vorarlberg, 4. November Ulrich Was heißt Energie? Impulsreferat Gespräch Arbeitsgruppe 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten. Biologiedidaktik, Universität Hannover, 13. Juni 2014

8 Physiologie Photosynthese Ausgangsstoffe Produkte Stoffebene Wasser Wasserstoff + Sauerstoff Teilchenebene 12 H 2 O 12 [H] 12 [H] + 6 O 2 Photoreaktion Ulrich Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

9 Licht Chloroplast Energiefluss Glukose Sauerstoff Cytoplasma Wasserspaltung Photoreaktion Hydrolyse ATP Herstellung Glukose Abbau Hydrolyse ATP Lebensprozesse Wasserstoff Elektronen Wasserstoff- Sauerstoff ionen Sauerstoff ATP Wasser Wasserstoff Sauerstoff ATP Wasser Elektronentransport Ionentransport Herstellung ATP Elektronentransport Ionentransport Herstellung ATP Mitochondrium Wasserstoffionendifferenz Wasserstoffionendifferenz

10 Licht Chloroplast Energiefluss Wasserspaltung Hydrolyse ATP Lebensprozesse Elektronen Wasserstoffionen Sauerstoff ATP Wasser Elektronentransport Ionentransport Herstellung ATP Wasserstoffionendifferenz?

11 Energiefluss Hydrolyse ATP Lebensprozesse ATP Wasser

12 Wasser Energiefluss

13 Licht Energiefluss Glukose Sauerstoff Biomasse Sauerstoff Energiespeicher Wasserspaltung Hydrolyse ATP Herstellung Glukose Abbau Hydrolyse ATP Hydrolyse ATP Elektronen Wasserstoffionen Sauerstoff ATP Wasser Wasserstoff Sauerstoff ATP Wasser Lebensprozesse Elektronentransport Ionentransport Herstellung ATP Elektronentransport Ionentransport Herstellung ATP Wasserstoffionendifferenz Wasserstoffionendifferenz

14 Physiologie (Walker 1993) Ulrich Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

15 Physiologie O & H wieder vereinigt Energie des Lichts ist im chemischen System Wasserstoff-Sauerstoff gespeichert. Energie liefert die exergonische Reaktion (Walker 1993) zu Wasser. Ulrich Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

16 Physiologie Photosynthese und Zellatmung 12 H 2 O 12 [H] 12[H] + 6 O 2 Photoreaktion Wasserspaltung endergonisch Synthesereaktion 6 CO [H] 12[H] C 66 H O H 2 O Citratzyklus 12 H 2 O 12 [H] 12[H] + 6 O 2 Endoxidation Wasserbildung exergonisch Ulrich Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

17 Physiologie Energie liefern exergonische Reaktionen. Nährstoffe sind keine Energieträger und nicht energiereich. Nährstoffe haben einen Brennwert. Sie sind energetisch nutzbare Stoffe. Sauerstoff ist kein Nebenprodukt der Fotosynthese. Energiespeicher sind chemischen Systeme, d. h. Stoffe, die miteinander exergonisch reagieren können. November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

18 Ökologie Energie besteht aus kleinen Teilchen, die in den Nahrungsstoffen enthalten sind. Eva, 10. Klasse Sonnenstrahlung wird in Glucose umgewandelt. E.P. Odum, 1999 November Ulrich Kattmann: 2010 Energie im biologischen Kontext unterrichten.

19 Ökologie Energiefluss?? Stoffkreislauf!? Linder Biologie (Bayrhuber, Hauber, Kull 2010) Energiefluss

20 Ökologie Zwei Prozesse: Energiefluss Energie fließt von selbst aufgrund von Differenzen vom höheren zum niedrigeren Niveau. Energie fließt in Systemen und durch Systeme hindurch und verteilt sich (Dissipation). Transport der Nahrungsstoffe Transport energetisch nutzbarer Stoffe: Nährstoffe werden zur Umsetzung mit Sauerstoff bereitgestellt: Verlagerung der Energienutzung. Biomasse wird unter Einsatz von Energie transportiert. Ulrich Ulrich Evolutionsökologie: Bioplanet Erde. Pädagogische Hochschule Vorarlberg, 4. November Kattmann: Ulrich 2010 Kattmann: Was heißt Energie Energie? im biologischen Impulsreferat Kontext Gespräch unterrichten. Arbeitsgruppe Biologiedidaktik, Universität Hannover, 13. Juni 2014

21 Ökologie Nahrung: Stofftransport Ökosystem Biomassetransport P K 1 K 2 November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

22 Ökologie Nahrung/Atmung: Nahrung: Stofftransport Ökosystem Biomassetransport P K 1 K 2 Kohlenstoffdioxid Stoffkreislauf im System möglich November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

23 Ökologie Ökosystem Trophiestationen Sauerstoff P K 1 K 2 November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

24 Ökologie Licht Energiespeicher Ökosystem Speicher Speicher Sauerstoff Speicher P K 1 K 2 Energiefluss Abwärme obligater Durchluss durch das System November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

25 Ökologie Stofftransport und Energiefluss sind zu unterscheiden. Zwischen den Trophiestufen wird Biomasse transportiert, es fließt keine Energie. Auf den Trophiestufen werden Nährstoffe in exergonischen Reaktionen genutzt. November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

26 Strukturen November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

27 Strukturen Kristallisationswärme November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

28 Strukturen What is Life? (1944) Wie entzieht sich der lebende Organismus dem Zerfall? Die Antwort lautet: Durch Essen Trinken, Atmen und (im Fall der Pflanzen) durch Assimilation.... Es wäre unsinnig (absurd) anzunehmen, dass der Austausch von Stoffen das Wesentliche wäre. Jedes Atom Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel usw. ist ebensoviel wert wie jedes andere seiner Art. Was ließe sich durch ihren Austausch gewinnen? November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

29 Strukturen What is Life? (1944) In Wie der Vergangenheit entzieht sich der wurde lebende unsere Neugier Organismus eine Zeitlang dem Zerfall? durch die Die Behauptung Antwort lautet: beschwichtigt, Durch Essen wir Trinken, ernährten Atmen uns von und Energie. (im Fall der... Unnötig Pflanzen) zu durch sagen, Assimilation. dass das, wörtlich... Es wäre genommen, unsinnig genauso (absurd) unsinnig anzunehmen, ist. In einem dass der erwachsenen Austausch von Organismus Stoffen das ist Wesentliche der Energiegehalt wäre. Jedes ja ebenso Atom Stickstoff, feststehend Sauerstoff, wie der Schwefel Gehalt an usw. ist stofflicher ebensoviel Substanz. wert wie jedes Denn andere jede Kalorie seiner ist Art. bestimmt Was ließe gerade sich durch so viel ihren wert Austausch wie jede gewinnen? andere. November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

30 Strukturen What is Life? (1944) In Wie der Vergangenheit entzieht sich der wurde lebende unsere Neugier Organismus eine Zeitlang dem Zerfall? durch die Der Die Behauptung Antwort Kunstgriff, lautet: beschwichtigt, mittels Durch dessen Essen wir ein Trinken, ernährten Organismus Atmen uns von und sich Energie. (im stationär Fall der... Unnötig Pflanzen) auf zu einer durch sagen, ziemlich Assimilation. dass das, hohen wörtlich... Es wäre genommen, Ordnungsstufe unsinnig genauso (absurd) hält, unsinnig anzunehmen, besteht ist. in In einem dass der Wirklichkeit erwachsenen Austausch in von Organismus einem Stoffen das ist fortwährenden Wesentliche der Energiegehalt wäre.,aufsaugen Jedes ja ebenso Atom von Stickstoff, feststehend Sauerstoff, wie der Schwefel Gehalt an usw. Ordnung aus seiner Umwelt. ist stofflicher ebensoviel Substanz. wert wie jedes Denn andere jede Kalorie seiner ist Art. bestimmt Was ließe gerade sich durch so viel ihren wert Austausch wie jede gewinnen? andere. R November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

31 Strukturen What is Life? (1944) Energie In Wie der Vergangenheit entzieht ist nicht sich nur notwendig, der wurde lebende unsere um Neugier Organismus eine Zeitlang dem Zerfall? durch die Der die mechanische Die Behauptung Antwort Kunstgriff, Energie lautet: beschwichtigt, mittels Durch dessen unserer Körpertätigkeit Essen wir ein Trinken, ernährten Organismus zu ersetzen, Atmen uns von und sich Energie. (im stationär sondern auch die Hitze, die wir beständig Fall der... an Unnötig Pflanzen) auf unsere zu einer durch sagen, Umwelt ziemlich Assimilation. dass abgeben. das, hohen wörtlich... Es wäre genommen, Ordnungstufe unsinnig genauso (absurd) hält, unsinnig anzunehmen, besteht ist. in In Und einem dass dass der erwachsenen Austausch wir Hitze abgeben, von Organismus Stoffen ist nicht das ist zufällig Wirklichkeit Wesentliche der Energiegehalt (accidental), in wäre. sondern einem Jedes ja ebenso Atom sehr wesentlich fortwährenden,aufsaugen von Stickstoff, feststehend Sauerstoff, (essential). wie der Schwefel Denn Gehalt gerade an usw. Ordnung aus seiner Umwelt. ist dadurch stofflicher ebensoviel entledigen Substanz. wert wie wir jedes Denn uns ja andere jede überschüssigen Kalorie seiner ist Art. bestimmt Was (surplus) ließe gerade sich Entropie, durch so viel ihren die wert wir Austausch bei wie den jede physischen gewinnen? andere. Lebensvorgängen ständig erzeugen. November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

32 Energie & Ordnung entropisch geschlossenes System Entropiezunahme Negentropie Strahlung Nahrung Offenes System Strukturbildung Entropie Wärme Exkremente Ulrich Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten. November 2010

33 Unterricht Begriffe/Termini Energiequalität Entropie Entwertung Dissipation arbeitsfähige nicht arbeitsfähige Energie Ordnung liefernde energetisch nutzbare Stoffe: Unordnung abführende Energie Abwärme Nährstoffe mit Sauerstoff ATP mit Wasser Energiespeicher/Energieträger: Nährstoffe-Sauerstoff ATP-Wasser Verlagerung der Transport von Biomasse (Nährstoffen) Energienutzung Ulrich Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten. November 2010

34 Unterricht Zentrale Konzepte Physik transfer (Duit 2007) November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

35 Unterricht Zentrale Konzepte Biologie Energiefluss vs. Stofftransport Energiedurchfluss und Energiespeicher Strukturbildung und Abwärme November Ulrich 2010 Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten.

36 Kurzgefasst!!!! Biosysteme sind energetisch und entropisch offene Systeme, die Energie und Entropie aufnehmen und abgeben (Durchflusssysteme). Energienutzung ist Nutzung des Energieflusses; Energiebetrachtung und Stoffbetrachtung sind zu trennen: Energiefluss und Stofftransport. Speicher-Fluss-Betrachtung ist auf Energie anzuwenden. Stabiler Speicher: Nährstoffe-Sauerstoff; Flüsse: exergonische Reaktionen.! Energie und Entropie sind zusammen zu behandeln. Abwärme ist als Abführen von Entropie (Unordnung) zu bewerten. Ulrich Kattmann: Didaktische Rekonstruktion ein Weg zur Vermittlung bedeutungsvollen Wissens. Bochum, 7. Februar 2014

37 Literatur Ulrich Kattmann: Energie im biologischen Kontext unterrichten. November 2010

38 Literatur Burger, J. & Gerhardt, A. (2003). Energie im biologischen Kontext. Empirische Untersuchungen von Schülervorstellungen. Teil 1: Theoretische und methodische Grundlagen. Teil 2: Fragebogen, Auswertung und Ergebnisse. Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht, 56(6 und 7), , Duit, R. (2007). Energie: Ein zentraler Begriff der Naturwissenschaften und des naturwissenschaftlichen Unterrichts. Unterricht Physik, 18(101), 4 7. Hardin, G. (1966). Biology. Its principles and implication. London: Freeman. Kattmann, U. (2015). Schüler besser verstehen. Alltagsvorstellungen im Biologieunterricht. Hallbergmoos: Aulis. Kattmann, U. (2016). Was ist Leben? Unterricht Biologie, 40(411), Larsen, Y. L. (i. Vorb.). Energie als Querschnittskonzept im naturwissenschaftlichen Unterricht: Entwicklung evidenzbasierter Vermittlungsstrategien und schulpraktische Implementierung. (Diss.) Universität Bayreuth. Larsen, Y. L., Groß, J. & Bogner, F-X. (2015). Does thinking in systems foster a crossdisciplinary understanding of energy? European Scientific Journal, Special(2), Pahl, E.-M. (2012). Vorstellungen von Lehrpersonen aus dem Sach- und Physikunterricht zum Thema Energie und dessen Vermittlung. Berlin: Logos. Quinn, H. R. (2014). A physicists musing on teaching about energy. In R. F. Chen, A. Eisenkraft, D. Fortus, J. Krajcik, K. Neumann, J. Nordine & A. Scheff (Eds.), Teaching and learning of energy in K-12 education (pp ). Heidelberg, New York, Dordrecht, London: Springer Switzerland. Reimer, M. (i. Vorb.). Subjektive Vorstellungen zu Energie von Kindergartenkindern und GrundschulehrerInnen. (Diss.) Universität Oldenburg. Schrödinger, E. (1989). Was ist Leben? München: Piper. Trauschke, M. (i. Vorb.). Biologie verstehen: Energie in Ökosystemen. (Diss.) Universität Hannover. Trauschke, M. & Gropengießer, H. (2014). Sonnenstrahlen werden in Nahrung umgewandelt. Biologie verstehen: Energie in Ökosystemen. In D. Krüger, P. Schmiemann, A. Dittmer & A. Möller (Hrsg.), Erkenntnisweg Biologiedidaktik 13 (S. 1-16). Trier. Walker, D. (1992). Energy, plants and man. Brighton: Oxygrahics. November 2010

39 Zu guter Letzt It s not that I m so smart, it s just that I stay with problems longer.

40 Das Video des Vortrags kann unter: aufgerufen werden.