Modelle zur Veranschaulichung der Windkesselfunktion der Aorta

NWA-Tag 27. November 2013
Beitrag von Sarah Eder, Julia Maisch, Florian
Riedmann, Julia Roth
Modelle zur Veranschaulichung der
Windkesselfunktion der Aorta
Inhalt
1. Einsatz von Modellen.........................................................................................................3
1.1. Definition von Modellen................................................................................................3
1.2. Funktion von Modellen.................................................................................................3
1.3. Bezug der Definition zum eigenen Modell....................................................................3
2. Sachanalyse.......................................................................................................................4
3. Bezug zum Bildungsplan...................................................................................................5
4. Modellbau im Unterricht.....................................................................................................6
4.1. Unterrichtspraktische Hinweise....................................................................................6
4.2. Benötigtes Material.......................................................................................................6
4.3. Arbeitsblatt....................................................................................................................7
4.4. Mögliche Schwierigkeiten bei der Durchführung..........................................................8
4.5. Modellkritik....................................................................................................................8
5. Literaturverzeichnis............................................................................................................9
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1. Einsatz von Modellen
1.1.
Definition von Modellen
Das Wort „Modell“ ist abgeleitet vom lateinischen Wort „modulus“ und bedeutet soviel wie
Maßstab oder Art und Weise. Der Begriff „Modell“ wird teilweise unterschiedlich definiert,
diese Definitionen weisen aber eine Gemeinsamkeit auf. Sie definieren Modelle in Abgrenzung zum Original: „Modelle sind vereinfachte Abbildungen von Originalen. Sie repräsentieren somit gedankliche und materielle Realität.“ (vgl. Eschenhagen/ Kattmann/ Rodi
2008; S.330).
1.2.
Funktion von Modellen
Modelle werden mit einer bestimmten Zielsetzung hergestellt und im Hinblick auf ein be stimmtes Ziel hergestellt. Sie sind damit zweckmäßig hergestellte Hilfsmittel mit verschie denen Funktionen. Dabei lassen sich drei Funktionen unterscheiden: (vgl. Eschenhagen/
Kattmann/ Rodi 2008, S.331)
1. Denkökonomische Funktion: Modelle als vereinfachte Abbildungen von Origina-
len erleichtern das Erfassen von Sachverhalten und das Lösen von Problemen.
2. Heuristische Funktion: Als Konstrukte, mit denen als wesentlich angesehene Teile
der gegenständlichen Realität erfasst werden, haben Modelle Hypothesen- und
Entwurfscharakter und dienen zur Problemfindung und Problemeingrenzung.
3. Anschauungsfunktion: Als gegenständliche Abbildungen sowohl ideeller als auch
gegenständlicher Realität dienen Modelle der Veranschaulichung von Strukturen
und Prozessen.
Modellen im Unterrichtseinsatz kommt zusätzlich die Funktion der Erkenntnisvermittlung
zu. Für diese Funktion werden sie hauptsächlich eingesetzt.
1.3.
Bezug der Definition zum eigenen Modell
Das vorliegende Modell dient dazu die Windkesselfunktion der Aorta den Schülerinnen
und Schülern zu veranschaulichen. Deswegen werden bei diesem Funktionsmodell nur die
zur Anschauung wesentlichen Merkmale dargestellt. Dem Modell kommt erstens eine
denkökonomische Funktion zu, da nur wesentliche Merkmale des originalen Objekts (die
Aorta) abgebildet werden. Zweitens kommt dem Modell eine Anschauungsfunktion zu, da
die Windkesselfunktion der Aorta damit den Schülerinnen und Schülern anschaulich gemacht werden kann. Drittens erhält das Modell damit auch die Funktion der Erkenntnisver mittlung, weil mit dem Modell eine relevante biologische Erkenntnis vermittelt werden
kann.
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2. Sachanalyse
Arterien sind Gefäße, in denen das Blut vom Herz wegströmt.
Sie sind aus drei Schichten aufgebaut, die einen Hohlraum (Gefäßlumen) umgeben. Das
Gefäßlumen wird vom Gefäßendothel ausgekleidet. Dieses steht mit dem Blut in unmittelbarem Kontakt und spielt somit eine wesentliche Rolle beim Stoffaustausch zwischen Blut
und Gefäßwand. Zudem ist das Gefäßendothel auch an der Steuerung der Gefäßweite beteiligt und hat Einfluss auf die Blutströmung. An das Gefäßendothel anschließend folgen
feine Bindegewebsfasern und eine elastische Membran, die zusammen mit dem Endothel
die Tunica interna bilden. Darauf aufbauend liegt die Tunica media, eine kräftige Schicht,
die aus glatten Muskelzellen und elastischen Fasern besteht. Die letzte und damit äußerste Schicht einer Arterie ist die Tunica externa. Diese besteht aus Bindegewebe und elastischen Fasern.
Aufbau einer Arterie
Bei Arterien in der Nähe des Herzens (z.B. Aorta oder Halsschlagader) überwiegen in der
Tunica media die elastischen Fasern, man nennt diese Arterien deswegen auch elastische
Arterien. Diese Elastizität ist von großer Bedeutung, da sich somit die Gefäßwand ausweiten oder verengen kann und aufgrund dessen eine kontinuierliche Strömung des Blutes im
Körper möglich ist.
Der vom Herzen während der Systole ruckartig ausgeworfene Blutstrom sorgt dafür, dass
sich die Gefäßwand der Aorta ausdehnt. Dabei werden ca. 50 % des Schlagvolumens gespeichert. Während der Diastole (Entspannung des Herzmuskels) kehrt die Gefäßwand
wieder in ihre Ausgangsstellung zurück, sodass das gespeicherte Blut von alleine weiter gedrückt wird. Wäre die Aorta starr wie ein Metallrohr, stünde nach jeder Diastole der
Blutstrom still. Die Elastizität dieser herznahen Arterien und das damit verbundene Spei chervermögen für Blut sind somit von großer Bedeutung für den menschlichen Körper.
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Windkesselfunktion
Man spricht bei dieser Eigenschaft der elastischen Arterien von der Windkesselfunktion.
Der Name geht auf handbetriebene Feuerwehrpumpen zurück, bei denen es einen Druckbehälter gab, der zur Speicherung und zum Ausgleich von Druckschwankungen diente.
3. Bezug zum Bildungsplan
Durch Kenntnisse von Bau und Funktion wichtiger Organsysteme können die Schülerinnen und Schüler den eigenen Körper als komplexes System begreifen.
Die Schülerinnen und Schüler können …
- auf Modellebene denken und eigene Modelle entwickeln.
- mit Modellen sich selbst und anderen Phänomene beschreiben, dem Verstehen zugänglich machen und in einen Kontext einordnen.
- Modellversuche und Simulationen planen und durchdenken.
Die Schülerinnen und Schüler können …
- Bau und Funktion der Atmungsorgane, auch Blut und Blutkreislauf durch Messungen und Experimente erfassen und mithilfe von Modellen beschreiben und erklären.
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4. Modellbau im Unterricht
4.1.
Unterrichtspraktische Hinweise
Möchte man mit Schülern ein Modell zur Windkesselfunktion von Arterien bauen, ist folgender Ablauf denkbar. Einsetzbar ist dieses Modell für Schüler einer 8. Klasse der Real schule.
Phase
U- Einheit zum Herz
U- Einheit zum Körperkreislauf
• Einstieg
•
4.2.
weitere Erarbeitung
Inhalte
Aufbau und Funktion des Herzens
Modellbau mit Schülern
Problematisierungsphase -> Warum
Modell genau so aufgebaut? Unterschied
zum anderen Modell -> Funktion des
Windkessels
Blutgefäße
Körperkreislauf
(Lungenkreislauf)
Benötigtes Material
•
Glasrohr
•
kurze Schlauchstücke
•
2 große Bechergläser
•
2 Wannen
•
2 Trichter
•
2 kurze Schlauchstücke
•
1 Luftballon
•
Klebeband
•
Flaschen mit Wasser
•
Handtücher
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4.3.
Arbeitsblatt
Versuchs- und Bauanleitung für Windkesselfunktionsmodelle im Vergleich
Material:
Modell 1: 1 Glaswinkelrohr, kurzes Schlauchstück ca. Ø 10 mm
Modell 2: 1 Luftballon, Tesaband, Schere, Längeres, dickes
Schlauchstück ca. Ø 12 mm, langes dünnes Schlauchstück ca.
Ø 10 mm
Bauanleitung für das 1. Versuchsmodell
(Abbildung rechts)
Stecke nun die lange Seite des Glaswinkelrohrs in den Schlauch.
Sei vorsichtig, das Glasrohr könnte zerbrechen.
Bauanleitung für das 2. Versuchsmodell
Material:
1 Luftballon, Tesaband, Schere, längeres, dickes Schlauchstück
ca. Ø 12 mm, langes dünnes Schlauchstück ca. Ø 10 mm
Nimm dir den Luftballon und die Schere. Schneide vorne am Luftballon ein ganz kleines Stück der Spitze des Luftballons ab.
Das Loch sollte etwas kleiner sein als der dünnere Schlauch.
Stecke nun das dünne Schlauchstück in das Loch und befestige
den Luftballon mit Hilfe von Klebeband an dem Schlauchstück, so
dass es nicht verrutschen oder Wasser ausfließen kann.
Verbinde nun den Luftballon durch das Mundstück mit dem dickeren Schlauchstück. Nimm wieder das Klebeband, um den Luftballon und das Schlauchstück sicher miteinander zu verbinden.
Versuchsdurchführung:
Schließe beide Modelle an den Wasserhahn an, indem du das dünnere Schlauchstück
über das unterste Segment des Wasserhahns schiebst. Teste nacheinander beide Modelle
indem du schrittweise den Wasserhahn immer stärker aufdrehst. Beobachte ob und wie
sich der Wasserstrahl verändert.
Teste nun nacheinander beide Modelle, indem du den Wasserhahn zuerst stark aufdrehst,
dann ganz kurz weiter zu und wieder auf, kurz weiter zu und wieder auf. Beobachte ob
und wie sich der Wasserstrahl verändert.
Halte deine Beobachtungen fest. Gibt es Unterschiede zwischen den Modellen?
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4.4.
Mögliche Schwierigkeiten bei der Durchführung
Für das Modell benötigt man einen direkten Wasseranschluss. Da das auch in diesem Fall
nicht möglich ist, muss mit Flaschen und Wannen gearbeitet werden. Das Wasser kann
dann nicht kontinuierlich durchfließen sondern nur gefäßweise.
Dies bedeutet, dass das Modell nicht mehr die Wirklichkeit darstellt, denn im Körper fließt
das Blut nicht stoßweise sondern kontinuierlich durch die Aorta.
Der Luftballon wird möglicherweise zu groß aufgeschnitten, daher sollte man etliche bereithalten.
Das Klebeband klebt nicht richtig am Luftballon und der Luftballon fällt ab. Dann sollte zu sätzlich weiteres Klebeband angebracht werden.
Auf sauberes Arbeiten sollte dringend geachtet werden, da das Modell sonst bei Inbetriebnahme das Wasser im ganzen Raum herumspritzt. Daher sollte man davor nochmal überprüfen ob alles fest angeschlossen ist.
4.5.
Modellkritik
Zum Einsatz von Modellen im Unterricht gehört die Modellkritik. Bei dieser werden die we sentlichen Merkmale des Modells den Eigenschaften des Originals gegenübergestellt, um
so die Entsprechung von Original und Modell zu erkennen. Dabei sollte den Schülerinnen
und Schülern deutlich werden, dass Modelle nicht einfach nachgebildet werden, sondern
im Hinblick auf eine bestimmte Theorie konstruiert werden.
Bei diesem Funktionsmodell werden die anatomischen Details der Aorta nicht wiedergegeben, sondern lediglich die Windkesselfunktion der Aorta. Es ist daher wichtig die Teile des
Modells dem Original gegenüberzustellen und die entsprechenden Teile zu parallelisieren.
Dabei entsprechen die Schlauchstücke der Aorta und der Luftballon stellt die Dehnungsfähigkeit der Aorta dar. Die anderen im Modell verwendeten Teile haben keine Entsprechung
im Original. Dies sollte demnach auch klar benannt werden.
Im vorliegenden Modell sollten folgenden Punkte in die Modellkritik einfließen:
Das Funktionsmodell stellt keinen geschlossenen Kreislauf dar, wie er beim Herz-Kreislauf-System vorliegt. Beim Modellversuch wird lediglich auf der einen Seite Wasser einge füllt, das auf der anderen Seite wieder abfließt.
Ebenso herrscht im Körper immer ein beständiger Nachfluss des Blutes in die Aorta, der
im Modell so nicht gegeben ist, da beim Modell der Wasserhahn geöffnet und geschlossen
werden muss, somit ist das Funktionsmodell zwischen Öffnen und Schließen des Modells
ohne Flüssigkeit, also „leer“.
Die Elastizität der Arterien ist nicht visualisierbar und kann daher nur mithilfe eines Luftbal lons dargestellt werden. Die Arterien sind aber über ihre gesamte Länge dehnbar und dehnen sich nicht nur an einer bestimmten Stelle. Somit wird hier eine Verkürzung suggeriert,
die die Schülerinnen und Schüler zu dem Schluss verleiten kann, dass Arterien sich nur an
bestimmten Stellen dehnbar sind.
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5. Literaturverzeichnis
•
Campbell, N.; Reece, J.; Markl, J. (Hrsg.) (2006): Biologie. 6. Auflage. München:
Pearson.
•
Gropengießer, H./ Kattmann, U. (Hrsg.), (2008): Fachdidaktik Biologie. Die Biologiedidaktik begründet von Dieter Eschenhagen, Ulrich Kattmann und Dieter Rodi. Köln:
Aulis.
•
Menche, Nicole (Hrsg.) (2007): Biologie Anatomie Physiologie. Kompaktes Lehrbuch für Pflegeberufe. 6. überarbeitete Auflage. München: Elsevier.
•
Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg (Hg.),(2004): Bildungsplan 2004. Realschule. Ditzingen: Reclam.
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