Material für den Unterricht - Vision
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Schule: CJT-Gymnasium Lauf a. d. Pegnitz Partnerfirma: Diehl Metall Stiftung & Co. KG Röthenbach Abgabedatum: 14. April 2008 Thema: Erfassung der Fotorezeptoren des Auges Material für den Unterricht Material für den Unterricht ...................................................................................................................1 1. Zusammenfassung......................................................................................................................2 2. Einleitung.....................................................................................................................................2 2.1 Lehrplanbezug ......................................................................................................................2 2.2 Erforderliche Vorkenntnisse / Grundlagen............................................................................3 2.3 Erforderliche elektronische Ausstattung: Hardware, Software .............................................3 2.4 Benutzte Materialien .............................................................................................................3 3. Hauptteil ......................................................................................................................................3 3.1 Material .................................................................................................................................3 3.2 Unterrichtsverlauf..................................................................................................................4 3.3 Experimente..........................................................................................................................4 3.4 Aufgaben...............................................................................................................................5 4. Praxisbezug / Anwendung ..........................................................................................................5 5. Quellen ........................................................................................................................................5 6. Anlage: Material ..........................................................................................................................5 „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 1 von 5 Schule: CJT-Gymnasium Lauf a. d. Pegnitz Partnerfirma: Diehl Metall Stiftung & Co. KG Röthenbach Abgabedatum: 14. April 2008 Thema: Erfassung der Fotorezeptoren des Auges 1. Zusammenfassung Eine Schülergruppe des CJT-Gymnasiums beschäftigte sich mit der Bestimmung der Verteilung der Stäbchen und Zapfen der Augennetzhaut. Stäbchen sind für das Hell-Dunkel-Sehen, Zapfen hingegen für das Farbensehen verantwortlich. Die Verteilung der Fotorezeptoren auf der Netzhaut ist nicht gleichmäßig. So sind im Bereich des schärfsten Sehens fast nur Zapfen vorhanden, wohingegen die Anzahl der Stäbchen in Richtung der Peripherie der Netzhaut zunimmt. Zur individuellen Bestimmung der Verteilung der Fotorezeptoren auf der Netzhaut wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Diehl eine Vorrichtung gebaut, die es mit Hilfe einer beweglichen Spiegelkonstruktion ermöglicht einen verschieden farbige Lichtstrahlen von außen in das Gesichtsfeld einwandern zu lassen. Untersucht werden soll, erstens ab welcher Stelle überhaupt eine Lichtwahrnehmung möglich ist und zweitens in welchem Bereich eine Unterscheidung der Farben möglich ist. Da wie oben erwähnt, die Verteilung der Fotorezeptoren unterschiedlich ist, ist auch die Wahrnehmung unterschiedlich. Mit Hilfe der Versuchsergebnisse kann auf die individuelle Verteilung der Zapfen und Stäbchen zurückgeschlossen werden. In diesem Zusammenhang wird der allgemeine Aufbau des Auges und der Netzhaut besprochen und anhand von Rinderaugen aus dem Schlachthof, die seziert wurden, verifiziert. Zusätzlich wurden weitere Arbeitsblätter zum Thema „Das Auge und dessen Photorezeptoren“ erstellt. Durch die Arbeitsblätter können den Schülern die folgenden Lehrplaninhalte vermittelt werden: • • • • • Der allgemeine Aufbau des Auges Aufbau der Netzhaut Verteilung der Fotorezeptoren der Netzhaut Beeinflussung der Wahrnehmung durch das Gehirn Sehfehler und deren Korrekturmöglichkeiten. Abschließend erfolgt ein Besuch bei einem Augenarzt, der professionelle Auskunft über weitere Fragen hinsichtlich des Themas geben kann. Einsetzbar ist das Material in der 7. Jahrgangsstufe in Natur und Technik im Bereich Optik sowie in der 9. Jahrgangsstufe in Biologie im Bereich Informationsaufnahme und Informationsverarbeitung (jeweils G8). 2. Einleitung Der Nachbau der Versuchsvorrichtung wäre eventuell auch ohne Hilfe eines metallverarbeitenden Betriebs möglich. Die verwendeten Materialien sind problemlos zu besorgen. Die Rinderaugen für die Sektion sind in jedem Schlachthof zu bekommen. Der Besuch eines Augenarztes muss individuell abgeklärt werden. Die Versuchsauswertung erfolgt zuerst handschriftlich auf Arbeitsblättern, kann aber anschließend mit Hilfe von Kalkulationsprogrammen (z.B. Excel) grafisch dargestellt werden. 2.1 Lehrplanbezug/Unterrichtsfach/Themengebiet/Jahrgangsstufe Das erstellte Material kann in zwei unterschiedlichen Fächern in zwei verschiedenen Jahrgangsstufen eingesetzt werden. In der 7. Jahrgangsstufe des Faches Natur und Technik im Bereich Optik ist ein Lernziel das Thema Bildentstehung. Den Schülern werden neben Themen wie Lichtausbreitung, Lichtreflexion, Lichtbrechung und Farbentstehung Inhalte zum Thema Bildkonstruktion an einer Sammellinse (wie bei unserem Auge) sowie an einer Zerstreuungslinse erläutert. In diesem Zusammenhang wird der Aufbau und die Bildentstehung beim menschlichen Auge durchgenommen. Das entwickelte Paket kann im Anschluss an die Grundlagen der Optik eingesetzt werden. In der 9. Jahrgangsstufe des Faches Biologie im Bereich Informationsaufnahme und Informationsverarbeitung ist ein Lernziel das Thema Sinnesorgane. Die Schüler sollen grundlegende Kenntnisse über den Bau, die Funktion und das Zusammenwirken von Licht, Sinnesorganen sowie Nervensystem erfahren. Da beim Menschen das Auge das wichtigste Sinnesorgan ist, sind „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 2 von 5 Schule: CJT-Gymnasium Lauf a. d. Pegnitz Partnerfirma: Diehl Metall Stiftung & Co. KG Röthenbach Abgabedatum: 14. April 2008 Thema: Erfassung der Fotorezeptoren des Auges Kenntnisse darüber wünschenswert. Daneben sollen Ursachen und Behandlungsmöglichkeiten von Sehfehlern besprochen werden. Optische Täuschungen zeigen, dass die menschliche Wahrnehmung nicht exakt ist. Auch in der 9. Jahrgangsstufe ist der Einsatz der entwickelten Unterrichtseinheit sehr gut möglich. 2.2 Erforderliche Vorkenntnisse / Grundlagen Wird das Material in der 7. Jahrgangsstufe in Natur und Technik eingesetzt, sollten die Grundlagen der Optik vorher besprochen worden sein. Anschließend kann das Material als kompakter Block durchgenommen werden. Wird das Material in der 9. Jahrgangsstufe in Biologie eingesetzt, sind keine weiteren Vorkenntnisse nötig, da auf das Wissen aus der 7. Jahrgangsstufe aufgebaut werden kann. 2.3 Erforderliche elektronische Ausstattung: Hardware, Software Zur Auswertung der Versuchsergebnisse wären Computer mit einem Kalkulationsprogramm wünschenswert, sind aber keine notwendige Voraussetzung. 2.4 Benutzte Materialien Für den Bau der Versuchsvorrichtung werden folgende Materialien benötigt: • Metallstangen • Metallplatte • Roter Laserpointer • Grüner Laserpointer • Weißer Regenschirm • Spiegel • Muffen • Klammern • Kinnstütze Für die Sektion der Rinderaugen werden folgende Materialien benötigt: • Sezierbesteck • Präparationswanne. Grundlage für die Erstellung der Arbeitsblätter bildeten die Lehrbücher des Faches Physik der 7. Jahrgangsstufe sowie Lehrbücher des Faches Biologie der 9. Jahrgangsstufe sowie die dazugehörigen Kopieratlanten. Das verwendete Bildmaterial wurde z.B. dem Kopieratlas der Firma Klett entnommen. 3. Hauptteil 3.1 Material Nach Abschluss der Lerneinheit haben die Schüler Æ Æ Æ Æ Versuche zur individuellen Verteilung der Zapfen und Stächen in der Netzhaut durchgeführt, Rinderaugen seziert, einen Besuch beim Augenarzt durchgeführt sowie folgende Arbeitsblätter an der Hand: • Der allgemeine Aufbau des Auges, • Aufbau der Netzhaut, • Versuchsergebnisse zur individuellen Verteilung der Zapfen und Stäbchen in der Netzhaut, • Beeinflussung der Wahrnehmung durch das Gehirn sowie • Sehfehler und deren Korrekturmöglichkeiten. „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 3 von 5 Schule: CJT-Gymnasium Lauf a. d. Pegnitz Partnerfirma: Diehl Metall Stiftung & Co. KG Röthenbach Abgabedatum: 14. April 2008 Thema: Erfassung der Fotorezeptoren des Auges 3.2 Unterrichtsverlauf Nachdem entweder die Grundlagen der Optik (7. Jahrgangsstufe) durchgenommen wurden bzw. Grundlagen wiederholt wurden (9. Jahrgangsstufe) bietet es sich an, den Aufbau des Auges und die Funktionen der Bestandteile zu besprechen. In diesem Zusammenhang kann das Rinderauge vom Schlachthof besorgt und seziert werden. Die Ergebnisse werden auf dem Arbeitsblatt zum Aufbau des Auges (siehe Anhang) festgehalten. Anschließend wird der Aufbau der Netzhaut besprochen und auf die Bildentstehung eingegangen. In diesem Zusammenhang kann z.B. der allgemein bekannte Ausspruch „Nachts sind alle Katzen grau“ als Aufhänger für das Vorhandensein von zwei Arten von Fotorezeptoren verwendet werden. Da nachts viel weniger Licht vorhanden ist als am Tag, reicht die Lichtmenge nicht aus, damit die unempfindlicheren Zapfen elektrische Impulse auslösen. Nur die lichtempfindlicheren Stäbchen, die aber keine Farben, sondern nur hell/dunkel unterscheiden können, senden elektrische Impulse. So sind „Nachts alle Katzen grau“. Die mit Hilfe von der Firma Diehl erstellte Konstruktion kommt jetzt zum Einsatz. Die Versuchsperson stützt den Kopf auf eine Kinnstütze damit der Kopf fixiert ist und sie niemals direkt in den Lichtstrahl schauen kann. Sie schaut geradeaus auf eine kuppelförmige Leinwand mit aufgemalter Rasterung. Als Leinwand kann ein weißer aufgespannter aber umgedrehter Regenschirm verwendet werden. Mit Hilfe eines Spiegels wird von hinten ein farbiger Lichtstrahl (rot oder grün) auf die Leinwand eingespiegelt. Mit Hilfe des Spiegels wird der Lichtpunkt langsam vom äußeren Gesichtsfeld nach innen bewegt. Wenn die Versuchsperson den Lichtpunkt erkennt, muss das auf dem beigelegten Arbeitsblatt (siehe Anhang) dokumentiert werden. Das bedeutet, dass in diesem Sehbereich Stäbchen auf der Netzhaut vorhanden sind. Anschließend wird der Lichtpunkt weiter in den Sehbereich eingespiegelt, bis die Farbe des Lichtstrahls erkennbar ist. In diesem Bereich sind Zapfen vorhanden. Durch mehrere Versuche kann so einerseits für beide Auge der gesamte Sehbereich bestimmt werden sowie andererseits auf die Verteilung der Zapfen und Stächen rückgeschlossen werden. Die Ergebnisse verschiedener Schüler können mit Hilfe eines Kalkulationsprogrammes ausgewertet und anschließend grafisch, z.B. in Form von Säulendiagrammen, dargestellt werden. Interessant ist auch die Fragestellung, ob es Unterschiede zwischen Jungen und Mädchen gibt und inwieweit das Alter der Versuchspersonen einen Einfluss auf die Ergebnisse hat. Des weiteren soll untersucht werden, ob Brillenträger oder farbenblinde Personen eine vergleichbare Verteilung der Sehzellen haben wie brillenlose bzw. farbentüchtige Seher. Anschließend werden den Schülern optische Täuschungen (siehe Anhang) vorgeführt. Die Schüler sollen erkennen, dass auch das Gehirn einen großen Einfluss auf die Wahrnehmung nimmt, da Sehleistungen auch immer mit dem bisher im Leben Gelernten verglichen und bewertet werden. Zum Schluss werden Sehfehler und deren Korrekturmöglichkeiten besprochen und fixiert (siehe Anhang). In diesem Zusammenhang ist der Besuch eines Augenarztes interessant. Er kann auf weitere Fragen Antworten geben und über neueste Forschungsrichtungen in der Augenheilkunde Auskunft geben. 3.3 Experimente Um den Aufbau des Säugetierauges kennen zulernen, werden Rinderaugen seziert. Benötigt wird dazu eine Präparationswanne sowie eine Sezierbesteck. Im Vorfeld sollte der Aufbau des Auges anhand einer Skizze, einer Schemazeichnung oder eines Modells besprochen worden sein. Die Schüler sollen die einzelnen Bestandteile, wie z. B. die Linse finden und erkennen und somit durch Bereitstellung von Kenntnissen theoretische Aussagen überprüfen. Eine weitere Herausforderung an die Schüler ist die gedankliche Ausarbeitung der Experimentieranordnung, d.h. das Entwickeln einer Reihenfolge der praktischen Tätigkeiten. Zur Verteilung der Zapfen und Stäbchen auf der Netzhaut wird der in 3.2 beschriebene Versuch durchgeführt. Als Ergebnis sollte herauskommen, dass die Anzahl der Zapfen zur Peripherie der Netzhaut hin abnimmt und am Rande der Netzhaut nur noch Stäbchen zu finden sind. Die Schüler sollen im Vorfeld eine Hypothese zur Verteilung aufstellen und mit Hilfe der erhaltenen Versuchsergebnisse die Hypothese verifizieren bzw. gegebenenfalls falsifizieren. „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 4 von 5 Schule: CJT-Gymnasium Lauf a. d. Pegnitz Partnerfirma: Diehl Metall Stiftung & Co. KG Röthenbach Abgabedatum: 14. April 2008 Thema: Erfassung der Fotorezeptoren des Auges 3.4 Aufgaben Das Unterrichtsmaterial enthält Arbeitsblätter sowie Aufgaben (siehe Anhang) für die Schülerinnen und Schüler, die bei der Besprechung der entsprechenden Themen ausgeteilt und bearbeitet werden sollten. Zusätzlich sind Lösungsblätter beigefügt, die z.B. auch zur Selbstkontrolle der Schüler/innen ausgeteilt werden könnten. 4. Praxisbezug / Anwendung Die theoretischen Grundlagen aus dem Unterricht finden natürlich in der Augenarztpraxis bzw. in der Augenklinik ihre praktische Anwendung. Auch bei der Entwicklung von Apparaturen zur Augenheilkunde sind die beschriebenen Inhalte äußerst wichtig. Aus diesem Grunde haben die Schüler einen Schultag bei der Firma Diehl verbracht und konnten somit direkt bei der Entwicklung der Apparatur zur Verteilung der Fotorezeptoren auf der Netzhaut mithelfen. Auch der Besuch beim Augenarzt war für die Schüler äußerst aufschlussreich. 5. Quellen und Recherchen Als Informationsquellen wurden hauptsächlich Fachbücher und Schulbücher verwendet, aber es wurden auch Internet-Recherchen von Schul-Computern sowie von privaten Computern aus durchgeführt. So stammen z.B. die Bilder der Arbeitsblätter aus dem Kopieratlas von Klett. 6. Anlage: Material Das erarbeitete Material ist als Anlage beigefügt. „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 5 von 5
