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Begründung und Analyse des Unterrichtsvorhabens
Kurze Darstellung der gewählten Unterrichtsmethode:
Das Experiment ist eine charakteristische Methode zur wissenschaftlichen
Erkenntnisgewinnung in den Naturwissenschaften. Aufgrund dieser zentralen Stellung sollen
die Schüler ein Verständnis der Bedeutung des Experimentes erhalten. Dieses Verständnis
und die damit verbundene Wertschätzung erlangen sie besonders durch das eigene
Experimentieren.
Das Experiment wird als Fortführung von Beobachtungen unter künstlich veränderten
Bedingungen bezeichnet. Der Experimentator versucht, die einzelnen Faktoren, die einen
Vorgang beeinflussen, zu isolieren und systematisch zu variieren, um so die Bedeutung der
einzelnen Parameter für die Gesamterscheinung zu bestimmen. Darin liegt der Unterschied
zum Untersuchen, da in diesem Fall die realen Bedingungen nicht verändert werden.
Die drei wichtigsten Kriterien des Experiments sind also (vgl. Pietsch 1954/55, S. 197):
 Beobachtungen unter künstlich hergestellten Umständen
 Isolation
 Variation
Heutzutage wird der Begriff „Experiment“ oft jedoch weitergefasst, denn es müssen nicht alle
Kriterien erfüllt sein. Man spricht auch schon dann von einem Experiment, wenn z.B. nur das
erste Kriterium erfüllt ist. Anhand des Schwierigkeitsgrads unterscheidet sich das
Schulexperiment vom Forschungsexperiment. Das Schulexperiment unterscheidet sich vom
Forschungsexperiment vor allem dadurch, das der Lehrkraft bereits vor Versuchsbeginn das
Ergebnis des Experiments bekannt ist. Zudem ergeben sich Einschränkungen hinsichtlich des
Zeitrahmens, des zur Verfügung stehenden Materials, der Sicherheitsvorschriften und der
Fähigkeiten der Schüler.
Man unterscheidet einführendes, entdeckendes und bestätigendes Experiment.
Das einführende Experiment dient dem Einstieg in eine neue Fragestellung und soll auf
bestimmte Phänomene aufmerksam machen. Es soll den Schüler zum weiteren Nachdenken
anregen. Das Einführungsexperiment kann ähnlich wie eine Schülerfrage zur Erkennung eines
Problems dienen, das zu den weiteren Schritten anregt. Oft handelt es sich dabei um ein
Demonstrationsexperiment des Lehrers, es kommen allerdings auch einfache Schülerversuche
in Frage.
Das entdeckende Experiment orientiert sich an der Vorgehensweise beim
Forschungsexperiment, nämlich der Bestätigung oder Falsifikation einer zuvor aufgestellten
Hypothese. Dabei werden die meisten Schritte oft von den Schülern selbst durchgeführt,
wobei die Lehrperson bei auftretenden Problemen und der Versuchsplanung Hilfestellungen
gibt.
Das bestätigende Experiment dient der Bestätigung von Sachverhalten, die dem Schüler
bereits bekannt sind oder auch zur abermaligen beobachtbaren Ergebnis- und
Wissenssicherung.
Diese Typen des Experiments unterteilt man anhand ihres Zeitumfangs in Kurzzeit- und
Langzeitversuche. Des weiteren unterteilt man Experimente in vom Lehrer durchgeführte
Demonstrationsversuche und von Schülern durchgeführte Einzel- oder Gruppenversuche
(=Schülerversuche).
Des weiteren lassen sich Experimente einteilen in Pflanzen-, Tier-, Modell- und
Gedankenexperimente.
Bei Modellexperimenten handelt es sich oft um Funktionsmodelle. Diese dienen der
Veranschaulichung von Vorgängen und eine Untersuchung von Funktionen und
Mechanismen.
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Unter Gedankenexperimenten versteht man den Schritt der Versuchsplanung, der eine
gedankliche Vorwegnahme des eigentlichen Versuchs ist. Auch bei der theoretischen
Durchführung eines sich entwickelten Experiments, das jedoch aus verschiedenen praktischen
Gründen nicht durchgeführt wird, spricht man von einem Gedankenexperiment.
Anhand des Ergebnisses kann man zwischen qualitativen und quantitativen Ergebnissen
unterscheiden. In qualitativen Experimenten wird überprüft, ob ein Faktor für eine
Erscheinung wichtig ist oder nicht. Das Ergebnis besteht in einem klaren „Ja“ oder „Nein“
bzw. einem eindeutigen „Entweder/Oder“.
In quantitativen Experimenten werden die Ergebnisse stärker differenziert in Zahl und Maß
ausgedrückt und miteinander in Beziehung gesetzt. Diese Versuche erfordern größere
Exaktheit, gutes Versuchsmaterial und hohes Verständnis der Beteiligten.
Experimente im Biologieunterricht sind nicht nur aufgrund des Einblicks in den formalen
Ablauf und der Schulung der grundlegenden Denkverfahren und Handfertigkeiten eines
Experimentes zu empfehlen, sondern vor allem, weil man durch fachspezifische Experimente
wie z.B. Langzeitversuche Einblick gewinnt in die in lebenden Organismen ablaufenden
Prozesse.
Mit dem Unterrichtsvorhaben verbundene Organisationsaufgaben:
Entscheidet sich der Lehrer dafür, Unterrichtsinhalte mit Hilfe eines Experimentes zu
vermitteln, so muss er zunächst überlegen, was für ein Lernziel er mit der Durchführung des
Experimentes erreichen will. Nachfolgend muss er sich dann für ein geeignetes Experiment
entscheiden. Folgende Kriterien spielen bei der Auswahl des Experimentes eine Rolle:
 Schutz- und Sicherheitsbestimmungen:
Die Sicherheit und Gesundheit der Schüler steht bei jeder experimentellen Arbeit an
erster Stelle, d.h. die Richtlinien zur Sicherheit im Naturwissenschaftlichen Unterricht
(BAGUV 1995) müssen befolgt werden. Die Schülern müssen die Risiken und
Gefahren der verwendeten Materialien und Chemikalien kennen und sich der
notwendigen Sicherheitsmaßnahmen bewusst sein und diese einhalten.
 Materialaufwand:
Die für den Versuch benötigten Materialien müssen in der Schule vorrätig oder relativ
einfach zu beschaffen sein. Die Kosten sollten so gering wie möglich sein.
 Versuchsanordnung:
Grundsätzlich gilt: Je einfacher der Versuch, desto eher ist er für den Unterricht
geeignet. Bei mehreren möglich Versuchsanordnungen entscheidet man sich entweder
für den einfachsten oder aber für denjenigen, den die Schüler von sich aus
vorgeschlagen haben.
 Kontrollversuch:
Ein Kontrollversuch ist unerlässlich für eine Deutung der Ergebnisse. Hierbei wird der
gleiche Versuchsansatz gewählt, lediglich der das Experiment beeinflussende Faktor
wird weggelassen/ausgetauscht. Nur aus diesem Vergleichsversuch ersichtlich wird,
dass der untersuchte Faktor für das Ergebnis verantwortlich ist.
 Versuchsaufbau:
Der Versuchsaufbau sollte so einfach wie möglich gestaltet und für die Schüler gut
überschaubar sein. Die entscheidenden Veränderungen müssen gut beobachtbar sein.
 Versuchsablauf:
Der Lehrer muss sicherstellen, dass jedem Schüler der genaue Ablauf des Versuches
bewusst ist. Dies kann über verschiedene Medien erfolgen, z.B. Versuchsanleitung als
Blatt, Tafelbild, etc.
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
Protokoll:
Der Versuchsablauf soll von jedem Schüler/jeder Gruppe dokumentiert werden, damit
das Experiment gedanklich nachvollzogen werden kann. Hierzu zählen neben dem
Versuchsaufbau vor allem die Beobachtungen. Zu empfehlen ist eine
Protokollgliederung entsprechend den einzelnen Schritten der Versuchsdurchführung.
 Ergebnis:
Das Experiment sollte dazu dienen, die zuvor aufgestellten Hypothesen zu lösen, also
der Lösung eines zuvor aufgetretenen Problems dienlich sein. Diese Lösung muss aus
den im Versuch gemachten Beobachtungen herleitbar sein.
 Kritische Reflexion des Ergebnisses
Das Ergebnis sollte in jedem Fall kritisch diskutiert werden. Es sollte mit den Schüler
erarbeitet werden, inwieweit das Ergebnis des Experimentes auf andere Bereiche
übertragbar ist bzw. ob das Problem, welches durch dieses Experiment gelöst werden
sollte, gelöst ist (Sind Folgeexperimente notwendig). Vor allem, wenn das
Experiment zu keiner Lösung führt bzw. der Versuch anders als beabsichtigt abläuft,
müssen mögliche Fehlerquellen oder Abweichungen vom gewünschten Verlauf
erörtert werden.
 Ergebnissicherung
Der Weg zum Ergebnis und die Aussagen des Ergebnisses müssen von allen Schülern
nachvollzogen und auch schriftlich fixiert werden. Das während des Versuches
erarbeitete Protokoll stellt einen Teil dieser Ergebnissicherung dar. Zur weiteren
Wissenssicherung können auch weitere Anwendungsbeispiele dienen.
Reflexion über die Stimmigkeit von Methode und gewähltem Fachinhalt (Neurophysiologie
Oberstufe):
Grundsätzlich ist das Experiment im Biologieunterricht eine gute Methode, um Sachverhalte
zu verdeutlichen. Vor allem im Schülerexperiment wird durch die hohe Eigenaktivität die
Motivation der Schüler erhöht und der Lernerfolg begünstigt. Gerade im Fachbereich der
Neurophysiologie erwies es sich jedoch als sehr schwierig, geeignete Experimente zu finden.
Dabei traten vor allem folgende Schwierigkeiten auf: Eine große Anzahl von Versuchen war
vom Schwierigkeitsgrad oder Inhalt gar nicht für die Oberstufe geeignet (z.B. Versuche zum
Geschmackssinn, Kniesehnenreflex, Tastsinn, Rinderauge etc.). Bei anderen Versuchen war
der Materialaufwand zu hoch oder die Materialbeschaffung erwies sich als zu schwierig (z.B.
Reizleitung am Tintenfischaxon). Einige Versuch wiesen überwiegend Modellcharakter auf
(Reizsummation am Spritzflaschenmodell). Somit entschieden wir uns für den Versuch zum
Aufbau eines Membranpotential. Dieser ist ein Standartexperiment aus dem Bereich der
Neurophysiologie und fand sich in ähnlicher Ausführung in mehreren Schulbüchern. Der
Versuch schien uns hinsichtlich aller oben bereits erwähnten Kriterien geeignet. Die Thematik
Ruhepotential wird im Lehrplan der Jahrgangsstufe 12/13 unter dem Fachinhalt
Erregungsentstehung und Erregungsleitung bzw. als Fachmethode Modellexperimente zum
Diffusionspotential explizit genannt. Zudem erschienen die Materialien für uns ohne größeren
Aufwand zu besorgen, der Versuchsaufbau und die Durchführung einfach und schlüssig und
das Ergebnis gut beobachtbar und deutbar. Zusammenfassung waren wir der Meinung, dass
dieser Versuch ein gut geeignetes Experiment für den Oberstufenunterricht darstellte, um die
Entstehung des Ruhepotentials zu verstehen. Zudem bietet dieses Experiment eine gute
Möglichkeit, nach der Klärung des Aufbaus von Neuronen in der Folge die Entstehung des
auf das Ruhepotential aufbauenden Aktionspotentials und die Erregungsleitung zu erklären
und somit in eine Unterrichtsreihe einzubauen.
Schon bei der Materialbeschaffung wurden jedoch erste Probleme deutlich. Es erwies sich als
äußerst schwierig, die für den Versuch benötigte Einmachhaut zu kaufen, da es sich hierbei
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um einen Saisonartikel handelt. Als weiteres Problem erwiesen sich fehlende Angaben in der
Versuchsanleitung. Bei den Probemessungen zeigt sich jedoch das größte Problem des
Experimentes, denn in den meisten Fällen zeigte sich weder bei Verwendung des Filterpapiers
noch bei Verwendung der Einmachhaut der gewünschte Graphverlauf. Dieses Problem konnte
durch Fehleranalyse und der daraus resultierenden Änderungen (Elektrodenaustausch,
Konzentrations-, Chemikalienänderungen) nicht eindeutig behoben werden. Auch die
Rücksprache mit Fachexperten aus der Chemie und Biologie brachte keine Verbesserungen.
Aufgrund der gemachten Erfahrungen änderten wir jedoch die Versuchsbeschreibung ein
wenig ab: Statt der vorgeschlagenen verdünnten Salzsäure entschieden wir uns,
Kaliumchloridlösung zu verwenden. Bei den Probedurchläufen erbrachte diese Salzlösung in
der Konzentration 2 Teelöffel in 300ml destilliertem Wasser bessere Ergebnisse als
Kaliumnitrat-, Natriumchlorid-, Natriumnitrat- und verdünnte Salzsäurelösung.
Trotzdem entschlossen wir uns nach Absprache mit unseren Referendaren für die
Durchführung des Experimentes. Dabei spielte eine Rolle, dass das Experiment in vielen
Lehrbüchern als Standartexperiment der Neurophysiologie aufgeführt ist und man erkennen
sollte, dass man auch bei so einem scheinbar gängigen Versuch nicht davon ausgehen kann,
dass er funktioniert. Es wird auch bei anderen Experimenten immer wieder das Problem
auftauchen, dass er nicht wie erhofft funktioniert. Jedoch muss man als Lehrer auch mit so
einer Situation zurechtkommen, das Lernziel also trotzdem erreichen und die Gründe für nicht
erwarteten Ergebnisse erörtern. Zudem waren wir in unserer Planung so weit fortgeschritten,
dass eine komplette Neuplanung nicht möglich war.
Da der Versuch aufgrund seiner nicht verlässlichen Ergebnisse in einer Unterrichtsstunde die
Erreichung eines gewünschten Lernziels nicht vereinfacht, würden wir bei der Durchführung
der Unterrichtsreihe das Thema Ruhepotential eher mittels anderer Medien erarbeiten. Hier
könnten beispielsweise Abbildungen oder auch ein Film, der den Versuch anstelle der
praktischen Durchführung zeigt, hilfreich sein. Anhand dieses Films könnten die Schüler die
erwünschten Kurvenverläufe erarbeiten und somit dennoch die gleichen Aufgaben wie in
unserem Vorschlag bearbeiten und so das gewünschte Lernziel erreichen.
Erwartete Kompetenzzuwächse der Schüler:
Die Durchführung des Versuchs beinhaltet ein grundlegendes Ziel des Biologieunterrichts im
Allgemeinen. Die Schüler sollen in der Kenntnis, der Anwendung und der Einübung
biologischer Arbeitsmethoden geschult werden. Sie sollen lernen, erhaltene
Versuchsergebnisse abstrahieren zu können und auf biologische Systeme anzuwenden. Die
praktische Durchführung des Versuches soll in Kleingruppen erfolgen. Die Schüler sollen
dadurch ihre Teamfähigkeit und Sozialkompetenz verbessern und sich in der
Aufgabenverteilung innerhalb der Gruppe üben. Durch die Arbeit in Kleingruppen können
Fehler im Vorgehen miteinander diskutiert und somit bei einer erneuten Durchführung eines
ähnlichen Versuches vermieden werden. Die Kompetenz im Experimentieren wird daher
erhöht. Die Gruppenarbeit beinhaltet auch die Umsetzung der beobachteten Ergebnisse in eine
grafische Darstellung, die anschließend ausgewertet werden müssen. Durch diese Arbeit wird
auf der kognitiven Ebene das logische Denkvermögen der Schüler geschult. Da der Versuch
im Zentrum der Stunde steht, ist gewährleistet, dass die Schüler aktiv-produktiv am
Unterrichtsgeschehen teilnehmen. Durch diese aktive Teilnahme soll gesichert werden, dass
der erarbeitete Lernstoff länger im Gedächtnis bleibt und als Grundlage für das weitere
Unterrichtsgeschehen zur Verfügung steht. Das Experimentieren fördert das konsequente,
planmäßige Reflektieren wie auch das selbständige und kreative Denken. Selbst, wenn der
Versuch nicht klappt, gewinnen die Schüler durch die Kritische Reflexion über mögliche
Fehler dennoch einen tieferen Einblick in naturwissenschaftliche Phänomene sowie den
Umgang mit Arbeitstechniken und Geräten. Sie erfahren, dass nur ausdauernde, zielgerichtete
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Bemühungen, sorgfältiges Arbeiten und genaues Beobachten zum Erfolg führen. So werden
die Schüler zwar auf der einen Seite Grenzen ihres Könnens und Wissens erfahren, auf der
anderen Seite wirkt aber auch jedes Erfolgserlebnis wieder neu motivierend und weckt
weiteres Interesse für das Fach.
Des weiteren zählen zu den erwarteten Kompetenzzuwächsen der Schüler natürlich auch die
inhaltlichen Lernziele der Stunde. Hierzu zählt neben der Erkenntnis, dass das gemessene
Potential durch eine Wanderung von Ionen hervorgerufen wird auch die Einsicht, dass
unterschiedliche Membranen verschieden durchlässig für bestimmte Ionen sind. Nach
Auswertung und Deutung der Graphenverläufe besteht ein wichtiger Kompetenzzuwachs in
der Übertragung der im Experiment gewonnenen Erkenntnisse auf das biologische System.
Die genauen Lernziele/Kompetenzzuwächse der Unterrichtsstunde werden im folgenden noch
bei der Einbindung des Unterrichtsvorhabens in eine Unterrichtsreihe detailliert aufgeführt.
Die Einbindung des Unterrichtsvorhabens in eine Unterrichtssequenz / Unterrichtsreihe:
Thema der Unterrichtsreihe :Bau und Funktion des Nervensystems
Thema der Unterrichtsstunde: Entstehung des Membranruhepotentials bei der Nervenzellen
Reihenthema: Bau und Funktion der Nervenzelle
Einstiegsstunde: Aufbaus des Neurons in unserem Körpers. Modell eines Neurons
2. Stunde: Die Funktion eines Neurons im Nervensystem
3. Stunde: Experiment zur Entstehung des Ruhepotenzials an semipermeablen Membranen
4. Stunde: Entstehung eines Aktionspotenzials
5. Stunde: Synapsen, Wechsel von der elektrischen zur chemischen Signalübertragung.
6. Stunde: Neuronale Vernetzung der Nervenzellen. Hemmende und erregende Synapsen und
deren Summation
7. Stunde: Neurotransmitter und deren Rezeptoren
8. Stunde: Nervensysteme von Invertebraten
9. Stunde: Nervensysteme von Wirbeltieren
Ziele der Unterrichtsstunde
Stundenziel:
Die SchülerInnen sollen durch das durchzuführende Experiment die Membran eines Neurons
als semipermeable Membran erkennen und die Entstehung des Ruhepotentials an dieser
Membran erkennen und erklären können
Teilziele der Stunde:
Die SchülerInnen sollen
 sich im Beobachten schulen
 sich in der gedanklichen Auseinandersetzung und im handelnden mit Versuchsobjekten
üben
 die Einmachhaut als Modell für die Semipermeable Membran eines Neurons erkennen
 die 2 Kammern als den intra- und extrazellulären Raum der Nervenzelle erkennen
 die elektrische Spannung als Membranpotential identifizieren können
 die Vorgänge an der Membran (Änderung des Membranpotentials durch Ionenfluss durch
die Membran) erklären können
 im Zeichnen von Graphen und in der vergleichenden Anwendung dieser Graphen auf
biologische Systeme geschult werden
 Wasser als das Lösungsmittel im Versuch wie auch im Neuron erkennen
 erkennen, dass auch im Körper Kalium- und Chloridionen vorhanden sind
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Mögliche Thematik der Stunde: Experiment zur Entstehung des Ruhepotenzials am semipermeablen Membranen.
Sozialform /
Medien
Phase
Inhalte / Interaktion
Einstieg
Rückblick auf den Bau und die

Funktionen von Neuronen im
Körper
Erläuterung des Experimentaufbaus

und –ablaufes.
Erarbeitung I

Austeilen des Arbeitsblatts und der
Experimentmaterialien.

Experimentdurchführung und –

auswertung.
Ergebnissicherung
Eine Gruppe trägt ihre Ergebnisse
vor. Die Anderen vergleichen und
ergänzen gegebenenfalls ihre
Ergebnisse.
.
Methodischer
Koffer
(Zeitreserve)
Kritik am Experiment

Didaktisch-methodischer Kommentar
Kurze
Lehrervortrag
als Einstieg
Folien
Der Rückblick soll den die Transferleistung des
modellhaften Experiments zum wirklichen
Geschehen im Körper vereinfachen
Die Erläuterung des Ablaufen soll die Schüler zum
selbstständigen, sachgerechter Arbeiten mit den
Experimentmaterialien befähigen
Schülerversuch
in Kleingruppen Die Schüler führen das Experiment nach der
Beschreibung des Arbeitsblattes durch. Sie tragen
Arbeitsblatt
Experimentmate Beobachtung und Ergebnis in das Arbeitsblatt ein.
rialien
Die S. üben das Präsentieren von Ergebnissen.
Schülervortrag
Auf eine Kritik wird nur verwiesen, wenn nicht mehr
genügen Zeit vorhanden ist

Diskussion
Hier sollen die Schüler Kritik an dem gewählten
Experiment äußern und evtl.
Verbesserungsvorschläge machen
Quellen:
1. „ Reizphysiologie“ Aulis Verlag, S. 27 30
2. „NATURA – Neurobiologie und Verhalten“. Seite 14 – 15. Lehrerband. Klett Verlag 2001
3. „NATURA – Neurobiologie und Verhalten“. Seite 16 – 17. Schülerband. Klett Verlag 2001
4. Skript zum Fachdidaktischen Studienseminar für das Lehramt für die Sekundarstufe II: Aktuelle Unterrichtspraxis im Fach Biologie
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