2. Beschreibung der Unterrichtseinheit
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Luftverschmutzung durch Pkw 1 Autoabgase: Ein Auto mit „Baum inklusive“ kaufen? Zusammenfassung In dieser Unterrichtseinheit erforschen die Schüler wie Pflanzen den durch Kraftfahrzeuge erzeugten CO2 Ausstoß absorbieren können. Ausgehend von einer Werbung eines Automobilherstellers analysieren sie die Informationen der Website kritisch und erstellen auf der Grundlage von mathematischen Berechnungen und wissenschaftlichen Fakten einen Bericht. Während der ganzen Unterrichtseinheit werden die Schüler einfache Berechnungen (wahlweise mit Excel) durchführen, statistische Maße wie z.B. den Mittelwert bestimmen, den Prozess der Fotosynthese und beeinflussende Faktoren untersuchen, Diagramme qualitativ analysieren und interpretieren sowie Oberflächen und Volumen bestimmen. Aspekt Beschreibung Mathematischer Inhalt Alter der Schüler Statistische Maße: Mittelwert Lineare Funktionen Diagramme Qualitative Analyse von Diagrammen Geometrie: Flächen und Volumen (optional) Prozess der Fotosynthese Die Fotosynthese beeinflussende Faktoren: Lichtintensität und CO2 Konzentration Ausstoß von CO2 Kohlendioxid senkende Lebewesen: Pflanzen Ökosysteme 13-16 Anzahl der Stunden in Mathematik 4-6 Anzahl der Stunden in den Naturwissenschaften 4-6 Stunden Bezug zum Bildungsplan – Naturwissenschaften (Baden-Württemberg, Realschule) NWA: Antworten und Erkenntnisse durch Primärerfahrungen: Beobachten – Beschreiben – Fragen Planen-Untersuchen-Schlussfolgern: Versuche zur Fotosynthese durchführen Daten erheben durch Messen, Beobachten, Beschreiben, Vergleichen Reflektieren – Verknüpfen – Anwenden: auswerten unter Verwendung von Fachsprache, Diagrammen, Tabellen, Gleichungen, Graphiken, Funktionen, Texten (ab Klasse 7) Naturwissenschaftlicher Inhalt 1 Luftverschmutzung durch Pkw 2 Modelle zur Kapazität eines Baumes CO2 zu absorbieren bilden und Zusammenhänge formulieren (ab Klasse 7) Ergebnisse reflektieren und diskutieren Antworten und Erkenntnisse durch Kooperation und Kommunikation: Experimente, Erkenntnisse und Fakten in angemessener Fachsprache präsentieren und auf Rückfragen antworten Experimentieren und mit ausgewählten Stoffen umgehen können Die Prinzipien des Lebendigen verstehen: Stoffwechsel- und Energieumwandlungsprozesse (Fotosynthese und Zellatmung) mithilfe eines Experiments erfassen, beschreiben und mit Summenformeln darstellen (ab Klasse 7) Bezug zum Bildungsplan – Mathematik (Baden- Leitidee Messen (ab Klasse 8) Württemberg, Realschule) mit Formeln zur Berechnung von Flächeninhalt umgehen, sie variieren und verstehen und sie auf Baumblätter anwenden Leitidee Funktionaler Zusammenhang: (Klasse 10) grafische Darstellungen und Tabellen lesen und auswerten die Veränderung von Größen (z.B. Lichtintensität und Fotosynthese) und deren Abhängigkeit beschreiben und analysieren Leitidee Daten: (Klasse 10) Ordnungen und Strukturen erfassen grafische Darstellungen und Tabellen zur Fotosynthese auswerten grafische Darstellungen bewerten Leitidee Modellieren: (Klasse 10) in dem jeweiligen mathematischen Modell arbeiten Modelle einschätzen und verschiedene Modelle vergleichen das Problem der Passung von Situation und Mathematik lösen 2 Luftverschmutzung durch Pkw 3 Bild aus der Microsoft Clipart Galerie 1.Überblick über die Unterrichtseinheit 1.1 Die Situation Bevor man ein neues Auto kauft, informiert man sich normalerweise im Internet, um Preise und technische Angaben verschiedener Fahrzeuge zu vergleichen. Wenn man dies auf der spanischen Homepage eines bekannten deutschen Automobilherstellers macht, findet man die Option, einen Baum zum Auto zu erwerben. Man kann entscheiden, ob man diese „Sonderausstattung“ gratis möchte, oder gegen einen Aufpreis mehrere Bäume pflanzen lassen will. Dies ist Teil der „CO2 neutral“ Aktion dieses Unternehmens, jedoch nur in Spanien. Andere Unternehmen haben zum Teil ähnliche Initiativen initiiert. So findet man ein ähnliches Angebot z.B. auf der Seite http://www.mazda.de/aboutmazda/news/mazda_corporate/mazda-umweltaktion-zum-klimaschutzdie-grune-varioflat-mit-co2-ausgleich/ . In dieser Unterrichtseinheit wird das spanische Angebot näher betrachtet. 3 Luftverschmutzung durch Pkw 4 1 Baum wird in den Alcaraz-Bergen gepflanzt und 40 Jahre lang versorgt. Der erste Baum wird kostenlos gepflanzt und 40 Jahre lang versorgt. Für den Fall, dass man sich entscheidet das “CO2-neutral-Paket” zu erwerben, erhält man zu diesem Paket auf der Homepage folgende Informationen: „11 Bäume werden in diesem Jahr in den Bergen von Alcaraz (Albacete) gepflanzt. Die „más árboles foundation” wird sich in den nächsten 40 Jahren um sie kümmern. Diese Bäume werden in den nächsten 40 Jahren den durchschnittlichen CO2 Ausstoß eines VW Eos auf 20.000km kompensieren.“ Abhängig von Modell und Motor werden zwischen 9 und 14 Bäume gepflanzt, um den Ausstoß zu kompensieren, den das Auto auf den ersten 20.000km verursacht. Möchte man weitere Kilometer kompensieren, kann man, laut Homepage, mehrere Pakete dazu kaufen (40.000km: 2 Pakete, 60.000km: 3 Pakete: usw.). Ein Einführungsvideo (auf Spanisch) dazu gibt es unter: http://www.movimientobluemotion.com/compensa/presentacion 1.2 Übergreifende Fragestellungen Weshalb interessiert sich ein Automobilhersteller für das Pflanzen von Bäumen? Wie viel CO2 verursachen Autos? Wie kann das Pflanzen von Bäumen den CO2 Ausstoß durch Autos kompensieren? Welche Faktoren beeinflussen die Menge CO2, die eine Pflanze absorbieren kann? 4 Luftverschmutzung durch Pkw 5 Wenn man die Wahl hat, welchen Baum sollte man wählen? Trägt die Situation, wie sie gerade geschildert wurde, wirklich dazu bei, die CO2 Emission eines Neuwagens zu kompensieren, oder handelt es sich um eine reine Werbestrategie? 1.3 Endprodukt Am Ende der Unterrichtseinheit schreiben die Schüler einen Bericht über ihre Erkenntnisse. Abhängig von den Untersuchungsergebnissen sollte entschieden werden, ob es interessant wäre diesen Bericht an: das Unternehmen in Deutschland zu senden, damit es auch hier bei dieser Initiative mitmacht das Unternehmen in Spanien, um das Programm zu verbessern einen anderen Automobilhersteller, um ähnliche Initiativen zu fördern oder an die Presse, um einen Schwindel öffentlich anzuprangern … 1.4 Vorschläge Mögliche Anpassungen an den Kontext im eigenen Land: „CO2 neutral“ Aktion: Suche nach ähnlichen Programmen in Deutschland. Betrachtete Baumarten: In den Aufgaben 4,5 und 6 wurden exemplarisch einige Bäume betrachtet. Die Schüler sollten jedoch wissen, dass nicht alle diese Bäume in Deutschland gepflanzt werden können. Stattdessen können Bäume betrachtet werden, die in Deutschland beheimatet sind. 1.5. Der Ablaufplan Lektion Mathematik Naturwissenschaften 1 Aufgabe 1: Darstellung der Situation Weshalb interessiert sich ein Automobilhersteller für das Pflanzen von Bäumen? 2 Aufgabe 2: Wie viel CO2 stößt ein Auto aus? Wie wird die Verunreinigung durch Autos gemessen? Welche Variablen spielen dabei eine Rolle? Wie kann ein Modell erstellt werden, das den CO2 Ausstoß durch Autos quantifiziert? 5 Luftverschmutzung durch Pkw 6 3 Aufgabe 3: Weshalb können Pflanzen die Umweltverschmutzung kompensieren? Laborarbeit am Elodea canadensis Experiment: (Kanadische Wasserpest) Weshalb steigen von der Pflanze Bläschen auf? Welches Gas wird im Reagenzglas gesammelt? Welche Prozesse laufen im Inneren der Pflanze ab? Aufgabe 4: Welche Faktoren beeinflussen die Kapazität der Pflanzen CO2 zu absorbieren? Ist die Kapazität einer Pflanze CO2 zu absorbieren immer gleich groß? Wenn nicht, welche Faktoren könnten die Kapazität CO2 zu absorbieren beeinflussen? Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Lichtintensität und Fotosynthese? 4 5 6 Aufgabe 5: Wie viel CO2 kann ein Baum kompensieren? Wie kann die von einem Baum kompensierte Co2 Menge berechnet werden? Identifizieren der für diese Situation relevanten Variablen. Wie kann die Situation vereinfacht werden? Kann die von einem bestimmten Baum kompensierte CO2-Menge berechnet werden? Aufgabe 6: Zurück zur Ausgangssituation Ist das „CO2-neutral-Paket“ wirklich effektiv oder lediglich eine Werbestrategie? 6 Luftverschmutzung durch Pkw 7 2. Beschreibung der Unterrichtseinheit 2.1 Aufgabe 1 – Darstellung und Einstieg in das Thema Im Jahr 2010 bot ein deutscher Automobilhersteller in Spanien die Option an Bäume zu pflanzen, wenn ein neues Auto gekauft wird. Dies wurde im Rahmen des „Co2-neutral-Programm“ auf der Unternehmens-Website und im Fernsehen beworben. Dabei wird ein Baum beim Kauf eines Neuwagens gratis gepflanzt, zusätzlich können weitere Bäume („CO2-neutral-Paket“) erworben werden. Informationen zu diesem Programm sind unter http://www.thinkblue.es/ zu finden. (Diese Internetseite ist auf Spanisch.) Ziele dieser Aufgabe Das Ziel der Aufgabe ist es die Schüler in die Problematik der gesamten Unterrichtseinheit, der Umweltverschmutzung durch Autos, einzuführen. Die Situation sollte vom Lehrer eingeführt werden. Wenn eine Internetverbindung möglich ist, kann die Homepage des Autoherstellers aufgerufen werden. Informationen über das „CO2 - neutral Programm“ finden sich nur in der spanischen Version der Homepage (Kurze Beiträge auf Deutsch finden sich unter http://www.mythinkblue.de/think_blue/main/news//blogs/28016/maximized?_33_redirect=%2Fc%2Fportal%2Flayout%3Fp_l_id%3D26205&_33_urlTitle=ei n-ganzer-wald-in-bluemotion ). Außerdem kann Arbeitsblatt 1.1 verwendet werden. Schüleraktivität 1: Einführung in die Situation Weshalb glaubst Du ist ein Automobilhersteller daran interessiert, Bäume zu pflanzen? Weshalb könnten sie das als Werbestrategie verwenden? (siehe Arbeitsblatt 1.1) Nach dem ersten Kontakt mit den Informationen könnte ein Brainstorming über die Situation folgen. Daraus könnten interessante Fragen und Überlegungen entstehen. Die Schüler können ihre Ideen und Fragen auf Moderationskärtchen oder Post-its schreiben, die dann gesammelt und nach Gemeinsamkeiten kategorisiert werden. Dadurch erhält man wertvolle Informationen über das Vorwissen der Schüler, und kann darauf aufbauend die nächste Stunde anpassen. Des Weiteren können interessante Fragen gestellt werden, die später untersucht werden. 7 Luftverschmutzung durch Pkw 8 Nach dem ersten Brainstorming über den Sachverhalt soll die Situation nun genauer analysiert werden. 8 Luftverschmutzung durch Pkw 9 2.2 Aufgabe 2 – Mathematik: Wie viel CO2 stößt ein Auto aus? In dieser Aufgabe werden die Schüler quantitative Nachforschungen über den CO2 Ausstoß von Autos anstellen. Um diese Aufgabe mit der Ausgangssituation zu verbinden, sollten sie ihre Nachforschungen auf Autos der eingangs untersuchten Marke (in diesem Beispiel VW) beschränken, auch wenn die Ergebnisse von anderen Marken ähnlich wären. Ziele dieser Aufgabe Das Ziel der Aufgabe ist es ein Modell zu entwerfen, mit dem die Menge an ausgestoßenem CO2 in Abhängigkeit zur gefahrenen Strecke von verschiedenen Autos gemessen werden kann. Die Schüler identifizieren relevante Variablen, finden Zusammenhänge, erstellen Modelle und arbeiten mit diesen. Die Schüler arbeiten numerisch (Tabellen), grafisch und / oder algebraisch (Formeln), wahlweise auch mit Tabellenkalkulationen. Beitrag zur Ausgangsfrage Um das Programm des Automobilherstellers zu evaluieren, müssen die Schüler die Menge an ausgestoßenen Abgasen mit der Menge an CO2, die von Bäumen kompensiert werden kann, vergleichen. Der erste Teil wird in dieser Aufgabe berechnet, der Rest in den Folgenden. Mathematischer Inhalt Funktionale Zusammenhänge, lineare Funktionen, Wahrscheinlichkeit, mathematisches Modellieren, Statistik (Mittelwert). Naturwissenschaftlicher Inhalt Kohlendioxid, Umweltverschmutzung durch Automobile. Schüleraktivität 1: Wie viel CO2 stößt ein Auto aus? In dieser Aufgabe wirst Du Nachforschungen über die Abgase von Autos anstellen und diese in Zahlen ausdrücken. Da sich die Werbung auf VW bezieht, solltest du deine Nachforschungen zunächst auf VW beschränken. 1. Welches Gas stoßen Autos aus? In welchen Einheiten wird dies gemessen? 2. Suche 3 verschiedene Automodelle. Wie viel Gas stoßen diese auf 100, 500 und 5000 km aus? 3. Stelle den Gasausstoß für die von dir gewählten Autos in Abhängigkeit der gefahrenen Strecke dar. 9 Luftverschmutzung durch Pkw 10 Durch eine Recherche im Internet finden die Schüler heraus: Der CO2 Ausstoß eines Autos hängt von verschiedenen Faktoren ab, jedoch hauptsächlich vom Benzinverbrauch (der wiederum z.B. an die Durchschnittsgeschwindigkeit gekoppelt ist). Die meisten Automobilhersteller nennen durchschnittliche CO2 Emissionswerte für ein Modell und Motor, die in Gramm pro Kilometer (g/km) angegeben werden (es ist jedoch mehr als wahrscheinlich, dass die Emissionen im Alltag höher liegen). Die Berechnung der Emissionswerte erfordert folgende Variablen: Zurückgelegte Entfernung eines Autos (normalerweise in km). Ausgestoßenes CO2 (normalerweise in g). Die Situation kann über lineare Funktionen modelliert werden, dabei ist die „Emissionsrate“ (in g/km) die Proportionalitätskonstante. Wenn die Schüler mit dem Arbeiten beginnen, werden sie bemerken, dass es keinen Sinn macht die Emissionswerte für jedes Modell und jeden Motor zu berechnen, da die Unterschiede zwischen zwei Autos gleicher Baureihe vernachlässigbar sind. Dies führt zur Einführung in die Statistik. Ergebnis: Die Schüler können unterschiedliche Darstellungen wählen. Einige bevorzugen grafische Ansätze und zeichnen ein Diagramm, andere drücken ihr Ergebnis in Form einer Tabelle oder mit dem Funktionsterm aus. Das erste Problem kommt bei der Bestimmung der Kenngröße (die „Emissionsrate“) auf. Wenn sich die Schüler ein konkretes Automodell mit einer bestimmten Motorengröße aussuchen, gibt es kein Problem: man sucht einfach auf der Homepage des Herstellers nach den Daten. Da aber Bäume für alle Autos dieser Marke gepflanzt werden, müssen die Emissionswerte aller Modelle mit den jeweils verschiedenen Motorenkonfigurationen in Betracht gezogen werden. Diese Informationen sind zwar auf der offiziellen Homepage des Herstellers zugänglich, ergeben jedoch eine unüberschaubare Menge an Daten. Exemplarisch wird der VW EOS als Beispiel betrachtet: 10 Luftverschmutzung durch Pkw 11 Modell VW EOS 1.4 TSI 122 CV 1.4 TSI 160 CV 2.0 TSI 200 CV 3.6 V6 FSI 260 CV 2.0 TDI 140 CV 154 159 178 214 159 1000 154000 159000 178000 214000 159000 2000 308000 318000 356000 428000 318000 3000 462000 477000 534000 642000 477000 4000 616000 636000 712000 856000 636000 5000 770000 795000 890000 1070000 795000 6000 924000 954000 1068000 1284000 954000 7000 1078000 1113000 1246000 1498000 1113000 8000 1232000 1272000 1424000 1712000 1272000 g/km --> km 9000 1386000 1431000 1602000 1926000 1431000 10000 1540000 1590000 1780000 2140000 1590000 15000 2310000 2385000 2670000 3210000 2385000 20000 3080000 3180000 3560000 4280000 3180000 30000 4620000 4770000 5340000 6420000 4770000 Dieser Datensatz kann mit Excel in einem Diagramm dargestellt werden, so dass ein grafischer Vergleich möglich ist. Das Beispiel zeigt deutlich, dass es keinen Sinn macht die Emissionswerte für jedes Modell und jeden Motorentyp zu berechnen. Die Berechnung des Mittelwerts hilft hier weiter. Beispielsweise sind folgende Berechnungen denkbar: • Berechnung des arithmetische Mittels (oder Median bzw. Modalwert) aller Daten • Berechnung des arithmetischen Mittels (oder den Median bzw. Modalwert) der beliebtesten Automodelle dieser Marke. 11 Luftverschmutzung durch Pkw 12 Je nach Streuung der Daten können Fragen wie „kann ein einziger Wert die ganze Bandbreite der Daten repräsentieren?“ aufkommen und dazu führen, dass andere Strategien, wie z.B. die Gruppierung der Fahrzeuge in Klassen (niedrige, mittlere und hohe Emissionen) und die Nutzung dieser repräsentativer Werte, vorgeschlagen wird. Beispielsweise könnten Schüler die nachstehende Klassifikation in Betracht ziehen: • Autos mit niedriger Emission: 100 g/km • Autos mit mittlerer Emission: 150 g/km • Autos mit hoher Emission: 200 g/km Zusammenfassend sind in diesem Teil der Unterrichtseinheit folgende Schritte nötig: • Das identifizieren relevanter Variablen und Abhängigkeiten (Ausstoß pro Kilometer und gefahrene Kilometer) • Die Folgerung, dass es aufgrund der enormen Datenmenge sehr aufwendig ist, die Emissionswerte aller Automodelle und Motorentypen zu berechnen. Die vielen Einzeldaten können stattdessen durch repräsentative Werte (z. B. das arithmetische Mittel) vereinfacht dargestellt werden. • Die Modellierung (nährungsweise Berechnung) von Emissionen der Fahrzeuge und deren Veranschaulichung (Tabellen, Diagramme und/ oder Funktionsterme) in Abhängigkeit der gefahrenen Entfernung. Die hier gewonnenen Ergebnisse werden am Ende der Unterrichtseinheit, nachdem untersucht wurde wie viel CO2 ein Baum kompensiert, wieder aufgegriffen, um den Abschlussbericht zu verfassen. 12 Luftverschmutzung durch Pkw 13 2.3 Aufgabe 3 – Naturwissenschaften: Wie können Pflanzen den CO2 Ausstoß der Autos wieder ausgleichen? Während des Experiments werden die Schüler erste Erfahrungen mit der Fotosynthese machen. Das Experiment macht die Fotosynthese sichtbar und kann daher das Interesse der Schüler für diesen Vorgang wecken. Außerdem werden die äußeren Umstände, die den Prozess beeinflussen (hier: Konzentration des CO2) untersucht. Während dieser Aufgabe werden die Schüler sich der Fotosynthese ganzheitlich nähern. Ziele dieser Aufgabe Die Schüler gewinnen einen Einblick in und Verständnis über den Prozess der Fotosynthese. Die Schüler lernen, dass Pflanzen CO2 zum Leben und Wachsen benötigen. Sie erfahren, dass sich durch Einwirkung von Licht Kohlendioxid und Wasser zu Zucker verbinden und dass bei diesem Prozess Sauerstoff freigesetzt wird. Beitrag zur Ausgangsfrage „Weshalb glaubst Du, interessiert sich ein Unternehmen für das Pflanzen von Bäumen?“ - ist eine der übergeordneten Fragen. In dieser Aufgabe werden die Schüler diese Verbindung zwischen Autos und Bäumen entdecken. Naturwissenschaftlicher Inhalt Der Prozess der Fotosynthese, CO2, Kohlenstoff speichernde Pflanzen Schüleraktivität 1: Mit einer Wasserpflanze experimentieren Führe das Experiment mit der Elodea canadensis (Kanadische Wasserpest) durch und folge dabei den Anweisungen, die Dir von Deinem Lehrer gegeben wurden. Schreibe alle Ideen, Überlegungen, Erkenntnisse und alles was Dich sonst noch während dem Experiment interessiert oder beschäftigt auf. (siehe Arbeitsblatt 3.1) Die Fotosynthese ist ein Prozess, in dem CO2, Wasser und Sonnenenergie kombiniert werden, um Kohlenhydrate, Wasser und O2 zu produzieren. Normalerweise werden besondere Versuchsgeräte benötigt, um diesen Prozess zu beobachten und zu messen. In der Regel findet man diese nicht in einem Schullabor. Jedoch gibt es einige Pflanzen, in denen der Prozess auf den ersten Blick sichtbar ist und grobe Messungen vorgenommen werden können. 13 Luftverschmutzung durch Pkw 14 In diesem Experiment werden die Schüler mit einer Wasserpflanze arbeiten: die Elodea canadensis. Der erste Vorteil ist, dass kleine sichtbare Bläschen entstehen, wenn Sauerstoff produziert wird. Die abgegebene Menge an Sauerstoff kann als Maß für die Fotosynthese genutzt werden. Labormaterialien Pflanze Elodea canadensis Messbecher (250 mL) Reagenzgläser (30 mm Ø) Wasser Natriumhydrogencarbonat-Lösung (10 % w/v = Gewicht / Volumen) Pinzetten Cutter Strohhalme Sicherheitsverfahren Folgende Sicherheitsanweisungen sollten besprochen werden: Aufräumen von Resten Handhabung von Flüssigkeiten Handhabung von Feststoffen (wiegen) – (nur wenn die Schüler die NaHCO3-Lösung selbst vorbereiten) Sicherheitsdatenblatt von Natriumhydrogencarbonat (CAS Nr.: 144-558) In einigen Versionen dieses Experiments wird Backpulver verwendet, um die CO2 Konzentration zu erhöhen. Wenn man diesen Weg verfolgt, muss man dabei bedenken, dass zusätzliche Blasen entstehen, die entfernt werden müssen bevor das Experiment gestartet wird. Wir schlagen eine andere Möglichkeit vor, um die CO2 Konzentration im Wasser zu erhöhen, nämlich das Ausatmen von Atemluft durch einen Strohhalm. Arbeitsblatt 3.1 gibt die Versuchsanweisungen. Die Schüler können in Gruppen arbeiten. Nach dem Experiment tauschen sich die Schüler über ihre Ergebnisse aus und diskutieren darüber. Der Lehrer moderiert und unterstützt Klassendiskussionen und –überlegungen über den CO2 Verbrauch. Schüleraktivität 2: Diskussion der Ergebnisse Was glaubst Du sind die Bläschen? Welches Gas wurde in den Reagenzgläsern gesammelt? Gab es bei der Anzahl der Bläschen große Unterschiede bei den drei Experimenten? (siehe auch Arbeitsblatt 3.2) Am Ende erhalten die Schüler die Information, dass der beobachtete Prozess als Fotosynthese bezeichnet wird. Dieser Prozess kann unterschiedlich komplex beschrieben werden: 14 Luftverschmutzung durch Pkw 15 Stark vereinfacht (Licht + Wasser + Kohlendioxid Traubenzucker + Sauerstoff ) durch eine nichtausgeglichene Gleichung mit einigen chemischen Symbolen (Licht + H2O + CO2 Zucker + O2) oder auch mit einer ausgeglichenen chemischen Gleichung (6 CO2 + 6 H2O + Photonen → C6H12O6 + 6 O2). An dieser Stelle ist es wichtig, sich einer häufigen Fehlvorstellungen der Schüler bewusst zu sein: Nämlich, dass der in der Fotosynthese produzierte Sauerstoff direkt aus dem CO2- Molekül kommt. Nach dieser Fehlvorstellung wird das CO2-Molekül während der Fotosynthese in zwei unterschiedliche Teile gespalten wird: Die Kohlenstoff-Atome gehen „irgendwohin“ während die Sauerstoff-Moleküle in die Atmosphäre entlassen werden. Dieses Missverständnis wird in der Regel durch vereinfachte Formulierungen wie „Licht + Wasser + CO2 Zucker + O2“ verstärkt. Wenn die Summengleichung als chemische Formel im Unterricht verwendet wird, ist es einfacher dieses Missverständnis aufzulösen, als wenn die Gleichung nur verbal formuliert wird: Die Frage kann dann lauten: „Aus welchen Ausgangsstoffen kann der von der Pflanze abgegebene Sauerstoff kommen?“ Die Schüler erkennen anhand der chemischen Gleichung, dass die Quelle theoretisch sowohl CO 2 als auch H2O sein kann. Tatsächlich stammt der abgegebene Sauerstoff aus dem Wasser. Dieser Sachverhalt kann mit leistungsstarken und interessierten Schülern auch experimentell und anhand von chemischen Gleichungen nachvollzogen werden, sollte aber im Rahmen der vorliegenden Einheit nicht zu ausführlich thematisiert werden, da er nicht im Mittelpunkt des Erkenntnisinteresses steht. Verschiedene weitere Missverständnisse können aufkommen, wenn die Schüler ihre Ideen präsentieren (z.B., dass die Bläschen aus „Luft“ oder CO2 bestehen). Am Ende sollte klar sein, dass die Bläschen hauptsächlich aus Sauerstoff bestehen und dass es einen Zusammenhang zwischen der Konzentration des Kohlenstoffdioxids und der Fotosyntheserate, letztlich also der Menge an abgegebenem Sauerstoff gibt. Um die Diskussion und Argumentation in der Klasse zu fördern, stellen die Schüler die Ergebnisse im Plenum vor. Eine andere mögliche Strategie wäre, die Schüler ihre Ergebnisse auf einem „Wissenschaftlichen Poster“ gestalten zu lassen und dann eine Poster-Ausstellung zu organisieren. Sie können die Schüler auch eine kurze PowerPoint-Präsentation erstellen lassen, um ihre Ergebnisse zu präsentieren und darüber zu 15 diskutieren. Luftverschmutzung durch Pkw 16 16 Luftverschmutzung durch Pkw 17 17 Luftverschmutzung durch Pkw 18 2.4 Aufgabe 4 – Naturwissenschaften und Mathematik: Welche Faktoren beeinflussen die CO2 Menge, die eine Pflanze aufnehmen kann? In der vorherigen Aufgabe haben die Schüler einen ersten Einblick in die Fotosynthese bekommen. Sie haben einen Faktor untersucht, der die Fotosynthese beeinflusst, nämlich die Konzentration von CO2 in der Umgebung der Pflanze. Jetzt ist es an der Zeit sich die anderen Variablen anzusehen, die die Fotosynthese beeinflussen. Ziele dieser Aufgabe Identifizierung anderer Faktoren, welche die Fotosynthese beeinflussen könnten. Veränderung der Fotosyntheserate, wenn sich die Lichtintensität ändert. Qualitative Interpretation von Diagrammen. Die Unterscheidung zwischen Fotosynthese und Photorespiration. (Optional) Unterschiede zwischen C3 und C4 Pflanzen kennenlernen. Beitrag zur Ausgangsfrage Diese Aufgabe trägt zum tieferen Verständnis der Fotosynthese bei. Mathematischer Inhalt Qualitative Analyse von Diagrammen: Wachstum, Schnittpunkte mit den Achsen, Extremstellen, Definitions- und Wertebereich. Naturwissenschaftlicher Inhalt Faktoren, die die Fotosynthese beeinflussen Zusammenhang zwischen Lichtintensität und Fotosynthese Pflanzentypen: C3 und C4 (optional) Schüleraktivität 1: Faktoren, die die Fotosynthese beeinflussen Glaubst Du, dass die Menge an CO2 , die eine Pflanze aufnehmen kann immer gleich ist? Wenn nicht, welche Faktoren könnten die Kapazität der Pflanzen CO2 aufzunehmen beeinflussen? Es ist zu erwarten, dass die Schüler unter anderem Licht (Intensität), die zur Verfügung stehende Zeit und die Größe der Pflanze in Betracht ziehen. 18 Luftverschmutzung durch Pkw 19 Die Schüler sollten mögliche Einflussfaktoren nicht nur nennen, sondern diese auch begründen. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, die Ideen zu diskutieren und mögliche Fehlvorstellungen aufzudecken. Mögliche Arbeitsformen für diese Phase: In Kleingruppen werden mögliche Faktoren identifiziert Die Ideen werden auf Post-its notiert, um sie dann der ganzen Gruppe zu präsentieren. Zusammen mit dem Lehrer werden diese Post-its gruppiert und ähnliche Faktoren gebündelt. Daraus können erste vorläufige Hypothesen gebildet werden. Faktoren, die die Fotosyntheseleistung eines Baumes beeinflussen, und von Schülern benannt werden, können unter anderem sein: die Luftfeuchtigkeit die Temperatur (bei hohen Temperaturen kommt es zu starker Transpiration und die Bäume zeigen insbesondere bei trockenem Boden eine geringere Fotosyntheseleistung die Bodenbeschaffenheit und –feuchtigkeit die Lichtintensität das Alter und der Gesundheitszustand der Bäume Größe des Baumes und Menge der sowie Größe und Dicke der Blätter … Im Folgenden werden die Schüler einen der genannten Faktoren untersuchen: den Zusammenhang zwischen der Lichtintensität und der Fotosynthese. In Gruppen bearbeiten die Schüler Arbeitsblatt 4.1. Jedes Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Fotosynthese von der Lichtintensität und der Nettomenge an CO2, in μmole CO2 /m2s die von verschiedenen Pflanzen gebunden wird. Die Daten wurden einer wissenschaftlichen Studie entnommen, die von der Universität Sevilla veröffentlicht wurde. Schüleraktivität 2: Lichtintensität und Fotosynthese Was sagen die Diagramme über die Abhängigkeit von “Lichtintensität – CO2 Absorption” aus? Kannst Du die Diagramme in Gruppen ordnen? Erkläre, welche Kriterien Du angewandt hast. Kannst Du erklären, was in den Pflanzen, die Du zusammen gruppiert 19 Luftverschmutzung durch Pkw 20 hast, im Bezug auf die Abhängigkeit von “Lichtintensität – CO2 Absorption” passiert? Weshalb gibt es auch negative Werte in den Diagrammen (vertikale Achse)? (siehe Arbeitsblatt 4.1) Die Schüler können folgende Vermutungen äußern: 1. Die Fotosynthese hängt von der Lichtintensität ab. 2. Am Anfang steigen die Graphen steil an. 3. Nach einer gewissen Zeit verändert sich die Steigung: einige Arten zeigen ein asymptotisches Verhalten. Bei anderen gibt es einen Maximalwert, bei höheren Lichtintensitäten nimmt die Effektivität, CO2 zu binden, ab. Optional besteht die Möglichkeit tiefer auf die Anatomie der Blätter eingehen, um diese beiden verschiedenen unterschiedlichen Fotosynthesevarianten zu erklären. Weitere Informationen hierzu finden Sie im Anhang. 20 Luftverschmutzung durch Pkw 21 21 Luftverschmutzung durch Pkw 22 22 Luftverschmutzung durch Pkw 23 2.5 Aufgabe 5 – Mathematik: Wie viel CO2 kann ein Baum binden? Modellieren der Blattoberfläche Ziele dieser Aufgabe Das Bestimmen der Blattoberfläche einer Pflanze Das Berechnen der CO2 Menge, die von einer Pflanze gebunden werden kann. Beitrag zur Ausgangsfrage Die Schüler haben bereits in Aufgabe 2 berechnet, wie viel CO2 von Autos ausgestoßen wird. Die Bestimmung des CO2, das von Bäumen gebunden werden kann, ist die andere Seite der Medaille, um zur übergeordneten Frage angemessen Stellung nehmen zu können. Mathematischer Inhalt Modellieren Geometrische Umrisse und Formen Oberfläche und Volumen Naturwissenschaftlicher Inhalt Physiognomie von Bäumen Verschiedene Arten von Bäumen Für die folgende Aufgabe sollten, wenn möglich, Bäume in der Umgebung der Schule ausgewählt werden. Dabei ist es wichtig, dass ein Baum aus der Liste von Arbeitsblatt 5.1 gewählt wird, wenn kein zusätzliches Material zur Verfügung steht. Als Alternative können die Schüler auch Bilder (z.B. aus dem Internet) verwenden, um Überlegungen hinsichtlich der Blattoberfläche des Baumes anzustellen. Schüleraktivität 1: Blattoberfläche eines Baumes Berechnet die Blattoberfläche dieses Baumes. Folgende Lösungsansätze sind u.a. denkbar: a) Das Modellieren der Oberfläche eines Baumes über die geometrische Form (Quader, Kugel, usw.) b) Das Modellieren der Oberfläche eines einzelnen Blattes und das Schätzen der Blätteranzahl eines Baumes. 23 Luftverschmutzung durch Pkw 24 Mit dem so ermittelten Wert können die Schüler anschließend berechnen, wie viel CO2 ungefähr von einem Baum gebunden werden kann. Schüleraktivität 2: CO2 - Verbrauch Berechne wie viel CO2 von einem Baum pro Tag (Monat/Jahr/in seinem gesamten Leben) gebunden werden kann. (siehe Arbeitsblatt 5.1) Daten der Fotosynthese-Rate verschiedener Pflanzenarten sind auf Arbeitsblatt 5.1. angegeben. 24 Luftverschmutzung durch Pkw 25 2.6 Aufgabe 6 – Abschlussaufgabe: Zurück zur Ausgangssituation In dieser Abschlussaufgabe bewerten die Schüler die Werbung des Automobilherstellers basierend auf dem von ihnen gesammelten Wissen über die Fotosynthese und CO2-Emission durch Autos. Zwei Aussagen der Internetseite des Automobilherstellers werden dabei genauer untersucht und deren Richtigkeit entweder bestätigt oder widerlegt. Ziele dieser Aufgabe Analysieren und Beurteilen der Informationen des Automobilhersteller mit wissenschaftlichen Argumenten Diskussion der Situation mit Hilfe von wissenschaftlichen Argumenten und Daten. Beitrag zur Ausgangsfrage In dieser Aufgabe werden die Schüler das angeeignete Wissen und die berechneten Daten verwenden, um die Eingangssituation zu bewerten. Sie erstellen einen Bericht, um die folgende Frage zu beantworten: Trägt das Programm, so wie es auf der Internetseite des Automobilherstellers dargestellt wird, wirklich dazu bei, die CO2-Emissionen des eigenen Neuwagens zu kompensieren, oder handelt es sich dabei lediglich um eine Werbestrategie? Mathematischer Inhalt Modellieren (hauptsächlich Interpretieren und Bewerten) Proportionalität Naturwissenschaftlicher Inhalt CO2-Emission Bindung von Kohlenstoff Fotosynthese In Aufgabe 2 haben die Schüler berechnet wie viel CO2 ein Auto pro Kilometer ausstößt. Nach Aufgabe 5 wissen sie, wie viel CO2 ein Baum binden kann. Wenn Sie Aufgabe 5 ausgelassen haben, sollten Sie den Schülern die folgende Tabelle geben. In dieser Tabelle wurde die Fotosynthese-Rate für verschiedene Baumarten berechnet Dabei wurde für die Biomasse und Blattoberfläche ein Durchschnittswert abgeschätzt. Dementsprechend können die Zahlen für kleinere oder größere Bäume erheblich variieren. 25 Luftverschmutzung durch Pkw 26 Netto-Rate der Fotosynthese (g CO2 pro Tag) Pflanze Winter Frühjahr und Herbst Sommer Falscher Christusdorn (Gleditsia triacanthos) 0 3,2 3,3 Silberpappel (Populus alba) 0 1,9 1,6 Olivenbaum(Olea europaea) 1,03 1,8 1,6 0 66 53 0,8 1,2 1 Bitterorange (Citrus aurantium) 1 1,8 1,5 Steineiche (Quercus ilex) 9 15 17 Aleppo-Kiefer (Pinus halepensis Mill.) 74 149 171 Pinie (Pinus pinea) 44 85 88 Korkeiche (Quercus suber) 7,6 14,4 14,1 Kirschpflaume pisardii) (Prunus cerasifera var. Lorbeerbaum (Laurus nobilis) Schüleraktivität 1: Beurteilung der ersten Aussage. Auf der Internetseite des Herstellers steht: „Ein Baum gratis. Dieser Baum wird den CO2 Ausstoß auf den ersten Kilometern der Nutzung kompensieren.“ Ist das möglich? Schüleraktivität 2: Beurteilung der zweiten Aussage. Auf der Internetseite des Herstellers steht: „“CO2-neutral-Paket“ auf Wunsch. Zwischen 9 und 14 Bäume werden gepflanzt, um die Umweltverschmutzung zu kompensieren, die Ihr Auto auf 20.000km verursacht wird“. Ist das möglich? Die Schüler können ihre Ergebnisse auf einem Poster darstellen und anschließend im Plenum präsentieren. Eine Diskussion über die Aussagen und ihren Wahrheitsgehalt schließt sich an. Einige Überlegungen zu den Endergebnissen der Schüler: Möglicherweise denken einige Schüler, dass die Berechnungen nicht möglich sind, da alle gepflanzten Bäume nicht denjenigen entsprechen, mit denen sie ihre Berechnungen anstellen. Außerdem könnten sie einwenden, dass die Bäume in den ersten Jahren sehr klein sind. Dies 26 Luftverschmutzung durch Pkw 27 ist eine gute Gelegenheit, die Qualität der Annäherung und den modellhaften Charakter Berechnungen zu besprechen. Dabei sollte besprochen werden, dass derartige Annäherungen (Modellierungen) der einzige Weg sind, um zu Aussagen hinsichtlich dieser Fragestellung zu kommen. Je nach ausgewähltem Baum könnten die Schüler zu ganz unterschiedlichen Einschätzungen der Aussagen oben kommen (insbesondere, wenn sich einige für das Pflanzen der AleppoKiefer entscheiden). Dies ist eine gute Gelegenheit das Problem der Artenvielfalt und Ökologie aufzugreifen. Der Wald liegt im Süd-Osten Spaniens, einer Region mit mediterranem Klima (mediterraner Wald). Die Auswahl der Bäume war daher kein Zufall. In mediterranen Wäldern gibt es lediglich fünf typische Bäume: Olivenbaum, Steineiche, Aleppo-Kiefer, Pinie und Korkeiche. Die Probleme der Artenvielfalt und der Anpassung der Bäume an ihre Umgebung können in der Diskussion eingeführt werden. 27 Luftverschmutzung durch Pkw 28 Anhang I: Zusatzinformationen - Aufgabe 4 Hintergrundinformationen zum Kontext und Inhalt In den Diagrammen: Die horizontale Achse entspricht der Lichtintensität, welche in μmole Photonen pro Quadratmeter und Sekunde gemessen wurde. Die Skala reicht von 0 (Nacht) bis zu 2500 μmole Photonen/m2s (Die maximale Intensität gegen Mittag). Die vertikale Achse entspricht der Nettomenge an CO2, die pro Quadratmeter dieser Pflanze in einer Sekunde gebunden wird. Sie wird in μmole CO2 /m2s gemessen. Das heißt, dass die Photorespiration ebenfalls berücksichtigt wurde, was erklärt, dass die Diagramme bei geringer Lichtintensität eine negative CO2 Menge aufzeigen. Das Arbeiten mit diesen Einheiten kann für die Schüler schwierig sein. Deshalb wurde in den Karten (Material-Teil) die Skala an der horizontalen Achse gelöscht und eine qualitative Beschreibung (von keinem Licht bis zur maximalen Intensität während des Tages) empfohlen. Die Einheiten der horizontalen Achse gelöscht wurden ebenfalls gelöscht. Eine weitere wichtige Anmerkung ist, dass es zwei unterschiedliche Diagrammtypen, entsprechend der Pflanzenarten gibt: C3 Pflanzen, bei denen die Absorption von CO2 bei hohen Lichtintensitäten wieder abnimmt (auf Grund der sich schließenden Stomata (Blattöffnungen), um den Wasserverlust zu minimieren). C4 Pflanzen, welche die CO2 Absorption bis zu einem gewissen Punkt der Sättigung steigern, aber nie vermindern (auf Grund ihrer speziellen Blattanatomie, welche sie in trockenen Umgebungen sowie bei hohen Temperaturen effizienter macht). 28
