Funktionsmodell zum Thema Mitose

Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung
(RS) Reutlingen
Fachdidaktikgruppe Biologie (Herr Eberle)
2013
NWA TAG - Modelle
Dokumentation erarbeitet zum NWATag 2013 von:
Katrin Brändel
&
Anna Biermann
&
Gabriele Gürntke
&
Sarah Schneider
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung ................................................................................................................... 1
2
Sachanalyse .............................................................................................................. 1
3
Vorstellung des Modells inklusive Ablauf ................................................................... 2
4
Gedanken zur Didaktik und Methodik ........................................................................ 3
4.1
Bezug zum Bildungsplan .................................................................................... 3
4.2
Kategorisierung des Modells ............................................................................... 4
4.3
Didaktische Reduktion, Modellbildung und Modellierung .................................... 4
4.4
Modellkritik.......................................................................................................... 5
4.5
Didaktischer Ort .................................................................................................. 6
5
Literaturverzeichnis .................................................................................................... 7
6
Arbeitsmaterialien ...................................................................................................... 8
6.1
Regietext ............................................................................................................ 8
6.2
Karten ................................................................................................................. 9
6.3
Bodykarten ........................................................................................................14
6.4
Skizzen der einzelnen Szenen ...........................................................................18
6.5
Material..............................................................................................................20
1 Einleitung
Der NWA-Tag 2013 des Realschulseminars Reutlingen steht unter dem Thema Modelle.
Modelle sind für den Unterricht wichtig, um komplexe Sachverhalte zu veranschaulichen und
den
Schülern
verständlich
zu
machen.
Diese
Dokumentation
beschreibt
ein
selbstentwickeltes Funktionsmodell zum Thema Mitose.
Oft wird die Mitose nur statisch durch eine Abfolge von Bildern dargestellt, deren
Zusammenhang sich alleine nur schwer erschließen lässt. Uns war es deshalb wichtig, ein
Modell der Mitose zu entwerfen, das die Vorgänge dynamisch veranschaulicht und die
Schüler1 selbst als Teil des Modells miteinbezieht. Die Schüler spielen den Vorgang der
Mitose nach, indem sie beispielsweise als Zellmembran, Chromosomen oder Spindelapparat
fungieren. Auf das Wesentliche reduziert, soll so der Vorgang der Mitose veranschaulicht
und verstanden werden. Durch das Involviertsein der Schüler wird die Mitose im Gedächtnis
verankert und der Inhalt vertieft.
In dieser Dokumentation wird zunächst der Sachverhalt der Mitose fachwissenschaftlich
erörtert. Anschließend wird die Durchführung des Funktionsmodells erläutert. Es folgen
Überlegungen zur Modellbildung und Modellkritik sowie zu den Zielen, die hier verfolgt
werden. Zum Schluss wird das selbstständig erstellte Material vorgestellt.
2 Sachanalyse
Die Mitose ist Teil des Reproduktionsprozesses eukaryontischer Zellen. Der Prozess der
Mitose stellt sicher, dass die Chromosomen der ursprünglichen Zelle exakt auf die beiden
Tochterzellen verteilt werden. Die Tochterzellen sind somit genetisch identisch und der
Erhalt der genetischen Information ist gesichert. Die Reproduktion von Zellen findet
beispielsweise während der Entwicklung und des Wachstums einer befruchteten Eizelle
statt. Da Zellen nur eine begrenzte Lebensdauer haben, müssen sie sich zum Erhalt des
erwachsenen Organismus ebenfalls reproduzieren. Außerdem erfolgt der Zellteilungsprozess
bei Gameten, die Keimzellen hervorbringen (Meiose). Ziel der Meiose ist aber, im Gegensatz
zur Mitose, die Durchmischung der Gene und damit die Sicherung der Biodiversität. Die
Reproduktion eukaryontischer Zellen besteht im Wesentlichen aus drei Schritten:

der Verdoppelung der DNA im Zellkern (Replikation);

der Teilung der Zellkerne und der Chromosomen (Mitose/ Meiose) und
1
Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird anstatt der Verwendung männlicher und weiblicher
Sprachformen nur die jeweils geläufigere Form verwendet. Diese meint selbstverständlich immer
beide Geschlechter.
1

der Teilung des Cytoplasmas (Cytokinese)
In der Realität verläuft der Prozess der Mitose kontinuierlich, er kann aber in verschiedene
Phasen eingeteilt werden:
Bevor die Mitose beginnt, verdoppeln sich die DNA und das Centrosom, das später den
Spindelapparat bildet. Die Spindelapparatteile ordnen sich an den Polen der Zelle an. In der
Prophase beginnt sich das Chromatin zu spiralisieren, wird immer kompakter und
kondensiert schließlich in Form von Chromosomen, die nun als Zwei-ChromatidChromosomen mit zwei identischen Schwesterchromatiden sichtbar werden. Dann lösen
sich in der Prometaphase das Kernkörperchen und die Kernhülle auf. Das Material dieser
Membran bleibt im Cytoplasma vorhanden, sodass sich daraus später zwei neue Kernhüllen
bilden können. In der anschließenden Metaphase ordnen sich die Chromosomen an der
Äquatorialplatte an. In dieser Phase sind die Chromosomen maximal kondensiert und am
besten sichtbar. Die Chromosomen sind nun am Centromer mit dem Spindelapparat
verbunden. Dieser zieht in der Anaphase die Schwesterchromatiden in Richtung der Pole
auseinander. Sobald die neu entstandenen Tochterchromosomen die Pole erreicht haben,
beginnt die Telophase. Dabei werden Kernkörperchen und Kernhülle neu gebildet und die
Chromosomen beginnen sich zu entspiralisieren. Während der Telophase beginnt bereits der
Prozess der Cytokinese. Das Cytoplasma und die Zellmembran werden dabei durch einen
Ring aus Actin- und Myosinfilamenten getrennt. Die Zellorganellen werden unregelmäßig auf
die beiden Tochterzellen verteilt. Nach der Cytokinese enthalten beide Tochterzellen alle
Bestandteile einer vollständigen Zelle.2
3 Vorstellung des Modells inklusive Ablauf
Das Modell zur Mitose ist auf der Grundlage des Bildungsplans von 2004 für eine 9. Klasse
entwickelt worden. Die Klassengröße ist bei diesem Modell relativ flexibel variierbar. Es
empfiehlt sich jedoch, dieses Modell mit mindestens 18 bis 20 Schülern durchzuführen, um
ein repräsentatives Modell zu erhalten. Sollte man nur eine Teilungsgruppe von ca. 12
Schülern haben, kann die Zellmembran flexibel verändert werden, indem Schüler Seile
zwischen sich nehmen.
Das Modell zur Mitose sollte jedoch erst durchgeführt werden, wenn die Schüler das Thema
der Mitose bereits behandelt haben.
Unser Kerngedanke dabei war, dass die Schüler eine konkrete Vorstellung von den
Vorgängen bei der Mitose erhalten, was durch einen Buchtext nur schwer möglich ist.
2
Sadava et al. 2006, 200ff.
2
Ferner soll sich den Schülern die Zelle als etwas Dynamisches und Lebendiges erschließen,
wenngleich wir die Prozesse, die sich dort abspielen, weder direkt sehen noch auf andere Art
und Weise wahrnehmen können.3
Im Folgenden wird näher auf den Unterrichtsablauf eingegangen:
Im ersten Schritt werden den Schülern der Ablauf und die zu beachtenden Regeln
vorgestellt.
Jeder Schüler bekommt eine Regiekarte, die er die ganze Zeit bei sich behält. Die Schüler
haben als erstes die Aufgabe, diese Karte zu lesen und Fragen dazu zu klären (siehe 6.2).
Im Anschluss daran besorgen sich die Schüler selbständig die notwendigen Materialien.
Ebenso müssen sie, falls es ihre Regiekarte vorgibt, Vorbereitungen treffen (individuell).
Jeder Schüler nimmt sich jetzt noch eine Body-Karte und heftet sie sich an den Körper, ehe
die Klasse im nächsten Schritt geschlossen auf den Pausenhof tritt und sich dort in der
Ausgangsposition (siehe 6.4) aufstellt.
Nach diesen vorbereitenden Maßnahmen kann nun mit der eigentlichen Durchführung
begonnen werden. Dazu liest der Schüler, der die Rolle des Regisseurs innehat, den Text
sukzessive
vor.
Die
restlichen
Schüler
hören
aufmerksam
zu
und
setzen
die
Regieanweisung zu der jeweiligen Mitosephase um. Dabei kombinieren sie die
Regieanweisung mit den Informationen, die auf ihren Regiekarten stehen.
Während der Durchführung kommt es ab und an vor, dass die ganze Situation „einfriert“. An
diesen Stellen kommt der Fotograf ins Spiel, der die jeweiligen Situationen fotografisch
festhält. Die Fotos, die eine Form der Ergebnissicherung darstellen, können für die spätere
Weiterarbeit im Klassenzimmer zum Zwecke der Modellkritik etc. genutzt werden.
4 Gedanken zur Didaktik und Methodik
4.1
Bezug zum Bildungsplan
Im Bildungsplan 2004 ist die Mitose folgendermaßen verankert:
Die Schüler „erkennen den zellulären Aufbau der Lebewesen, haben Einblick in deren
Stoffwechsel, in Wachstum und Entwicklung“.4
Dabei sollen die Schüler „die Bedeutung von Zellteilungsvorgängen für Wachstum,
Fortpflanzung und Vermehrung verstehen“.5
Die Schüler können außerdem Antworten und Erkenntnisse durch Sekundärerfahrungen
sammeln, indem sie „Quellen […] zum Erkenntnisgewinn nutzen, […] mit Modellen sich
3
Wahrnehmen können wir nur das Ergebnis dieser Prozesse (z. B. Wundheilung).
Bildungsplan 2004, 99
5
ebd., 99
4
3
selbst und andere Phänomene beschreiben, dem Verstehen zugänglich machen und in
einen Kontext einordnen“6.
4.2
Kategorisierung des Modells
Herleiten lässt sich das Wort „Modell“ aus dem Diminutiv des lateinischen Wortes modus (=
modulus), das man mit Maß oder Art und Weise übersetzen kann. Ein Modell ist eine
vereinfachte Abbildung eines Originals, d. h. Modelle sind Repräsentanten gedanklicher oder
materieller Realität.7
Modelle werden anhand verschiedener Aspekte in Modelltypen unterteilt. Dazu gehört die
Einteilung nach den Realitätsbereichen, der Funktion, den Dimensionen, den Eigenschaften
und nach der Art der Modellierung. Dabei kann ein Modell zu mehreren Modelltypen gezählt
werden.
Das von uns angesprochene Modell ist ein durch Schüler selbst dargestelltes
Funktionsmodell. Funktionsmodelle zeichnen sich dadurch aus, dass sie den Verlauf von
Prozessen darstellen - in unserem Fall den Ablauf der Mitose. Dadurch können die
Mechanismen und Funktionen explizit erkannt und analysiert werden. In diesem
Zusammenhang spielen die anatomischen Verhältnisse keine große Rolle.8
4.3
Didaktische Reduktion, Modellbildung und Modellierung
Basis von Modellen sind Modellvorstellungen, die aufgrund denkökonomischer Gründe
zustande kommen, denn Modelle bilden nie die Gesamtheit der Eigenschaften des Originals
ab, sondern nur die Eigenschaften, die für einen bestimmten Zweck als wesentlich erachtet
werden. Das bedeutet, ausgehend vom Original (z.B. Mitose) muss zunächst ein mentales
Modell entwickelt werden, das auf die ausgewählten Eigenschaften reduziert ist, ehe ein
Anschauungsmodell kreiert werden kann. Dieser Prozess wird Modellbildung genannt.
Modelle sind keine Kopien der Originale, denn sie bilden auch Eigenschaften ab, die beim
Original nicht vorkommen, d.h. überflüssig oder unwesentlich sind. Dasselbe gilt auch im
umgekehrten Fall: nicht alle Eigenschaften des Originals werden beim Anschauungsmodell
realisiert, da dies in seiner Darstellungsform möglichst einfach gehalten werden soll.
Aus diesem Grund muss eine Reduktion stattfinden, bei der die unendlich vielen
Eigenschaften des Originals auf die Wesentlichen gekürzt werden. Dieser Prozess, wird
Modellierung genannt. Welche Eigenschaften dabei als wesentlich und unwesentlich gelten,
hängt einerseits von den wissenschaftlichen Annahmen ab und andererseits von dem
Einsatzzweck des Anschauungsmodells.
6
Bildungsplan 2004, 97
vgl. Kattmann 2010, 330
8
vgl. Kattmann 2010, 332ff.
7
4
Im Folgenden soll nun beschrieben werden, wo bei unserem Modell didaktisch reduziert
wurde, bzw. wo und wie der Prozess der Modellierung stattgefunden hat:

Spindelapparat: In der Realität wird der Spindelapparat am Ende der Prophase 1
ausgebildet. Diese Tatsache wird im Modell vereinfacht dargestellt. Die Schüler sitzen
bereits als „schlafender / inaktiver“ Spindelapparat in der Zelle und werden dann
ausgebildet. Nur so ist es möglich, keine falsche Schülervorstellung zu entwickeln,
dass der Spindelapparat von außen hineinentwickelt wird. Diese falsche Vorstellung
könnte entstehen, wenn die Schüler später von außen in die Zelle hineingehen
würden.

Zellmembran des Zellkerns: Die im Original existierende Zellmembran, in der sich
die Chromosomen befinden, haben wir aus Gründen der Übersichtlichkeit
weggelassen. Die Chromosomen befinden sich in der Zelle. Diese Tatsache ist für
das Verständnis entscheidend.

Phasennamen: Für das Verständnis der Mitose ist es wichtig, dass es in
verschiedenen Abstufungen geschieht. Diese werden durch das „Einfrieren“
repräsentiert. Jedoch erschienen uns die Phasennamen für das Verständnis nicht
wichtig. Diese können zu einem späteren Zeitpunkt zugeordnet werden.

Abschnüren: In der Realität wird die Zellmembran ringförmig abgeschnürt. In
unserem Modell ist es der Fall, dass sich je zwei ausgewählte Schüler der
Zellmembran loslassen und dann zwei neue Kreise (Zellmembrane) bilden
4.4
Modellkritik
Wenn man im Unterricht Modelle einsetzt, muss immer Modellkritik geübt werden. Dabei wird
das Modell dem Original gegenübergestellt, damit Abweichungen oder Übereinstimmungen
erfasst werden können. Den Schülern soll klar werden, warum man statt der Realobjekte
Modelle einsetzt, inwieweit die Modelle die Realität repräsentieren und in welchen Punkten
sie von der Realität abweichen.9 Grenzen und Möglichkeiten können aufgezeigt und die Vorund Nachteile angesprochen werden.
repräsentierte Realität



9
Das Modell veranschaulicht die grobe
Einschränkungen

Die Übersicht über die Mitose geht etwas
Abfolge der Mitose in einer Zelle. (Interphase
verloren. Hauptsächlich besitzt der Fotograf
- Metaphase - Anaphase - Telophase)
die Übersicht, da dieser von oben fotografiert.
Das Modell zeigt die Dreidimensionalität der
Für alle wird dies erst bei der Besprechung
Zelle.
der Bilder sichtbar.
Nur die wichtigsten Zellbestandteile werden

Das Modell zeigt nicht die Prophase, ebenso
vgl. Kattmann 2010, S.337ff.
5
dargestellt, sodass die Übersicht gewahrt
wenig wie das Zusammenziehen und
wird. (Zellmembran, Spindelapparat,
Entschrauben der Chromatiden und die
Chromatiden)
Kernhülle. Auch wurde die Zellmembran nicht
als Doppelmembran dargestellt. Das
Wandern der Polkörperchen und anderer
Zellorganellen wurden ebenfalls
eingeschränkt. Diese Maßnahmen wurden
zum Zwecke der Übersichtlichkeit getroffen.

Die Organelle bzw. Zellteile werden von
Schülern dargestellt, was eine
Vermenschlichung zur Folge haben könnte,
d. h. die Schüler könnten ihre menschlichen
Eigenschaften auf die Zellteile übertragen
(Anthropomorphismus). Hier muss mit den
Schülern darüber gesprochen werden, dass
Zellteile weder Gefühle noch einen Willen
haben.
4.5
Didaktischer Ort
Das hier entwickelte Schüler-Modell zur Mitose, kann nicht an jedem didaktischen Ort
eingesetzt werden. Es benötigt eine gewisse Vorarbeit. Den Schülern sollte grundsätzlich
bekannt sein, was bei der Mitose geschieht. Sie sollte also bereits einmal durchgesprochen
und vor allem die Fachbegriffe sollten geklärt sein. Das Modell dient also zur Wiederholung
bzw. zur Vertiefung, die das Verständnis des Vorgangs fördern soll. Es geht darum, dass
den Schülern klar wird, warum diese Teilung nötig ist und wie sie abläuft. Weniger Wert wird
an dieser Stelle deshalb auf die Phasenbegriffe gelegt.
Ein zweiter didaktischer Ort wird mit unserem Modell angesprochen. Es geht um eine
Weiterarbeit mit den im Modell entstandenen Fotos. Hier kann, nachdem ein vertieftes
Verständnis für den Vorgang der Mitose entwickelt werden konnte, dann erneut die Mitose
und vor allem auch auf die Begrifflichkeiten geklärt werden.
Ziele des Modells:

Vertiefung des Verständnisses: „Was ist der Sinn der Mitose?“ „Warum führt die Zelle
einen so komplexen Vorgang durch?“

Verinnerlichung des Mitoseablaufs durch das eigene Durchspielen und Mitdenken der
Schüler im Modell

Möglichkeit, Modellkritik mit den Schülern zu üben, nachdem das Modell durchgeführt
wurde, wozu auch die Fotos genutzt werden können
6
5 Literaturverzeichnis
Sadava, D. / Hillis, D. / Heller, H. / Berenbaum, M. (Hg.) (2006): Purves Biologie. 7.Aufl.
Heidelberg: Springer.
Kattmann, U. (2010): Modelle. In: H. Gropengießer / U. Kattmann (Hg.). Fachdidaktik
Biologie. 8. Aufl. Köln: Aulis.
Alle Grafiken wurden von uns selbst erstellt.
7
6 Arbeitsmaterialien
Alle Materialien, die im Folgenden zu sehen sind, wurden von uns selbst erstellt.
6.1
Regietext
Regieanweisung - Mitose
Lies diese Regieanweisung langsam vor und mache die entsprechenden
Pausen für den Wissenschaftler.
Um die Zellteilung zu veranschaulichen, stellen wir den Ablauf der Mitose in einem
Modell dar. Nehmt nun dazu eure Ausgangsposition ein.
Ihr seid eine Zelle. Diese wird von der Zellmembran umschlossen. Alle Schüler, die
diese Membran darstellen, heben nun bitte die Hand.
Die Zelle befindet sich in ihrem normalen Zustand. In dieser Zeit laufen die normalen
Zellvorgänge ab. Das Erbgut steuert diese Vorgänge. Dieses Erbgut ist in den
Chromosomen festgelegt. Das Chromosom liegt hier als 1-Chromatid-Chromosom vor.
Die stehenden 1-Chromatid-Chromosomen geben sich nun bitte durch Winken zu
erkennen.
Die Zellvorgänge frieren ein,
damit der Wissenschaftler seine Arbeit beginnen kann.
Er macht ein Foto.
Kurz vor der Zellteilung verdoppeln sich die Chromatiden. Dazu erwachen die 1Chromatid-Chromosom,
die
in
der
Hocke
saßen,
und
stehen
auf.
Die
zusammengehörigen Chromatiden gehen zusammen und halten sich an der Hand fest.
Nun liegen 2-Chromatid-Chromosomen vor.
Der Wissenschaftler hält dies in einem Foto fest.
Die Teilung beginnt: Der Spindelapparat bildet seine Spindelfasern aus. Der
Spindelapparat zeigt sich durch Winken. Danach ordnet die Spindelfasern sich an
den Polen an, heben die Seile auf und halten diese jeweils an einem Ende fest.
Nun ordnen sich die Chromosomen an der Äquatorialeben an. Die Spindelfasern sind
soweit ausgebildet, dass sie mit den Chromosomen verbunden werden. Dazu hält je
ein Chromatid das andere Ende der Spindelfaser in der Hand.
Die Situation friert ein.
und der Wissenschaftler macht seine Arbeit.
8
Regieanweisung - Mitose
In
der
nächsten
Phase
werden
die
2-Chromatid-Chromosomen
getrennt.
Der
Spindelapparat zieht sie mit den Spindelfasern auseinander. (!) Es entstehen also erneut 1Chromatid-Chromosomen.
Erneut wird ein Foto vom Wissenschaftler geschossen.
Die Zellmembran schnürt sich ab. Dies bedeutet, dass sich die Zellmembran an der
Bruchstelle teilt. Danach bilden sich 2 neue Zellen um die getrennten 1-ChromatidChromosomen.
Entstanden sind 2 identische Tochterzellen, die nun Aufgaben im Körper erfüllen können.
Der Wissenschaftler fotografiert das Endergebnis der Teilung.
ENDE!!
6.2
Karten
9
10
11
12
13
6.3
Bodykarten
14
15
16
17
6.4
Skizzen der einzelnen Szenen
18
19
Legende:
6.5
Material
Folgende weitere Materialien werden benötigt:

6 Seile

Kreppband

Fotoapparat
20