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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. 1 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. 2 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 3 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 4 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 5 6 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 7
