Dieses Unterrichtsmaterial regt die Lernenden zum Bau einer Rakete aus zwei Plastikflaschen, Natron und Essig an. An diesem Experiment wird neben der Problematik um den Plastikmüll zum Umweltschutz in der Schule der Antrieb einer Rakete durch das Rückstoßprinzip sowie die chemische Reaktion von Säure und Natriumhydrogencarbonat erläutert.Mit diesem Unterrichtsmaterial lernen die Schülerinnen und Schüler am Beispiel einer Rakete das Rückstoßprinzip als praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms sowie die chemische Reaktion von Backpulver und Essig kennen. Sie bauen angeleitet durch ein Video selbstständig eine Rakete, erkennen ihren Antrieb und vertiefen die Phänomene der Chemie und Physik durch begleitende Arbeitsblätter. Gleichzeitig soll das Experiment auf den seit Jahren steigenden Verbrauch von Plastikflaschen aufmerksam machen, die nur zum Teil recycelt werden, während der Rest in Müllverbrennungsanlagen oder in der Umwelt landet. Das Material eignet sich je nach Lehrplan für den fächerverbindenden Unterricht in Chemie und Physik der Sekundarstufen I und II. Das Thema "Eine Rakete aus Plastikflaschen bauen: Upcycling in Chemie und Physik" im Unterricht Am Beispiel einer Rakete erarbeiten die Lernenden mit diesem Unterrichtsmaterial weitgehend selbstständig und praxisorientiert den Antrieb in einem Experiment. Diese Form der experimentellen Erarbeitung des Rückstoßprinzips im Unterricht eignet sich in besonderer Weise, um den Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufen nachhaltig aufzuzeigen, warum Raketen eigentlich fliegen. Vorkenntnisse Zu den wesentlichen Voraussetzungen zur Durchführung dieser Unterrichtseinheit zählt, dass die Lernenden mit Lehrvideos arbeiten sowie ein chemisches beziehungsweise physikalisches Experiment aufbauen, durchführen und auswerten können. Didaktische Analyse In diesem Unterrichtsmaterial erarbeiten die Lernenden mit dem Rückstoßprinzip und einer chemischen Reaktion Phänomene der Fächer Physik und Chemie: Während das Rückstoßprinzip in Natur und Technik als praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms ein physikalisches Phänomen ist, das in der Natur und Technik zur Fortbewegung dient, gilt die Verbindung von Backpulver mit Essig (Säure mit Natron) als ein Beispiel für eine Reaktion der Chemie. Darüber hinaus setzen sich die Schülerinnen und Schüler zum Umweltschutz mit ökologischen Problemen, die beim Recycling von Plastikflaschen entstehen, auseinander und lernen ein Experiment selbstständig vorzubereiten, durchzuführen und auszuwerten. Methodische Analyse Die Auswertung der Filme geschieht sowohl im Plenum als auch in Partnerarbeit. Die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung des Experiments erfolgt in Partner- oder Gruppenarbeit, sodass die Lernenden möglichst eigenverantwortlich und selbstständig arbeiten können. Die Lehrkraft steht in diesen Phasen beratend zur Verfügung und sollte nur unterstützend eingreifen, wenn Fragen auftauchen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bereiten ein Experiment im Chemie- oder Physikunterricht selbstständig vor und führen es nach Anleitung durch. lernen das Rückstoßprinzip sowie die chemische Reaktion von Natron und Essig kennen. unterscheiden ökologisch sinnvolles Recycling von Plastikflaschen von unsinniger Müllverwertung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entnehmen einem Video im Unterricht die wesentlichen Informationen für den Bau einer Rakete. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten konzentriert und zielführend kooperativ im Team zusammen.

In dieser Unterrichtseinheit zur organischen Chemie nutzen die Lernenden ein Molekül-Zeichenprogramm, recherchieren im Internet und führen selbst entwickelte Experimente durch, um der chemischen Natur der streichweichen Butter auf die Spur zu kommen. Das mit dem Schülerpreis der Deutschen Gesellschaft für Fettwissenschaften ausgezeichnete Material, das sich für den Präsenz- und Distanzunterricht eignet, gibt es hier mit Musterlösungen und einer Handreichung für Lehrkräfte mit nur einem Klick zum Download.Die Unterrichtseinheit "Warum ist die 'Kerrygold'-Butter so weich?" ermöglicht, ausgehend von einer Alltagsfrage, wissenschaftspropädeutisches Arbeiten im Unterricht. Die Schülerinnen und Schüler lernen den Unterschied zwischen qualitativen und quantitativen Experimenten kennen. Inhaltlich stehen Ester und die elektrophile Addition im Mittelpunkt. Exkurse zu Butter-Farbstoffen und Iodzahl sind möglich. Die Unterrichtseinheit wurde mit dem Schülerpreis der Deutschen Gesellschaft für Fettwissenschaften ausgezeichnet. Didaktische Analyse Diese Unterrichtseinheit ermöglicht im Rahmen des Themas Butter die Behandlung von ganz verschiedenen Inhalten und Methoden der Chemie, die vielleicht auf den ersten Blick keinen fachsystematisch sinnvollen Zusammenhang versprechen. Wählt man den Zeitpunkt der Unterrichtseinheit jedoch geschickt, kann man die kontextgebundene Einführung neuer Inhalte und fachwissenschaftlicher Methoden mit integrierten Wiederholungen, zum Beispiel zur Vorbereitung auf das Abitur oder auch im Rahmen eines Projektunterrichts, sehr schön verknüpfen. Das Material untergliedert sich in acht Teile mit unterschiedlichen Arbeits- und Rechercheaufträgen für Schülerinnen und Schüler. Dabei kommen verschiedenste Sozialformen und Zugänge zum Tragen, die es ermöglichen, gruppenspezifisch zu differenzieren und in Präsenz oder Distanz zu unterrichten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erleben, wie sich aus einer einfachen Frage eine kleine Forschungsreihe entwickelt. können einen Strukturformel-Editor nutzen, um auf molekularer Ebene Antworten auf eine chemische Fragestellung zu finden. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet und wählen themenbezogene und aussagekräftige Informationen aus. können zwischen qualitativen und quantitativen Versuchen unterscheiden. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entwickeln gemeinsam ein Experiment.

Die Haltung großer landwirtschaftlicher Nutztiere stellt eine große Belastung für natürliche Ressourcen dar und verursacht Umweltverschmutzung. Die Schülerinnen und Schüler lernen, andere davon zu überzeugen, Insekten anstatt Fleisch zu essen. Mit steigender Population wächst auch der Fleischkonsum, der langfristig nicht mehr gedeckt werden kann. Die Haltung großer landwirtschaftlicher Nutztiere geht zudem mit einer Belastung der Umwelt einher. Um diesem Problem entgegenzuwirken, schlagen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor, stattdessen Insekten zu konsumieren. Die Lernenden planen ein Menü für die Schulkantine, das sowohl Insektengerichte als auch bekannte Gerichte enthalten soll. Sie wenden dabei überzeugende Kommunikationsmethoden und Wissen über natürliche Ressourcen an, um andere von der Alternative, Insekten zu essen, überzeugen zu können. Bezug zum Lehrplan Wissenschaftliches Arbeiten Wissenschaftliches Vokabular, Mengen, Einheiten, Symbole und Fachausdrücke: Anwendung wissenschaftlichen Vokabulars, wissenschaftlicher Terminologie und Definitionen. Chemie Erde und Atmosphäre: Die Erde als Quelle begrenzter Ressourcen Chemie Kohlendioxid und Methan als Treibhausgase: Evaluation zusätzlicher durch den Menschen verursachte Gründe für den Klimawandel Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Esst Insekten!" Der Ablauf der Unterrichtssequenz "Esst Insekten!" ist auf dieser Seite übersichtlich für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler lernen, ihre Meinung mithilfe von Beweisen überzeugend darzustellen. wenden wissenschaftlichen Erkenntnisse über die natürlichen Ressourcen der Erde an. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben. Einführung Zeigen Sie die Folie 2 der PowerPoint-Präsentation. Hier werden die Nachrichten, auf denen die Aufgabe basiert, beschrieben: Die Brüsseler Universitätskantine bietet Gerichte mit Insekten an. Fragen Sie die Schülerinnnen und Schüler nach ihren ersten Gedanken zu diesem Thema. Problemstellung Präsentieren Sie Ihren Schülerinnen und Schülern Informationen über Probleme, die durch die Haltung großer landwirtschaftlicher Nutztiere entstehen (Folie 3 der PPT) und anschließend die Ziele der Unterrichtseinheit auf Folie 4 der PPT. Die Lernenden lesen sich die Informationen auf SI1 durch und wählen anschließend per Handabstimmung, ob Insekten oder große landwirtschaftliche Nutztiere weniger natürliche Ressourcen verbrauchen. Suchen Sie einige Schülerinnen und Schüler aus, die erklären sollen, warum sie sich für das eine oder das andere entschieden haben. Die Lernenden erstellen Menüs Nun zeigen Sie den Lernenden die Aufgabe auf Folie 5 der PPT. Sie sollen allein ein Menü für das Mittagessen während der "Insektenwoche" zusammenstellen. Jeder Schüler und jede Schülerin benötigt ein Exemplar des Menüs (SI2), die Insektengerichte (SI3) und die Checkliste für überzeugende schriftliche Kommunikation (SI4). Die Lernenden sollen sich die Informationen über Fleischgerichte auf SI2 durchlesen, die Angaben zu Ressourcen und Verschmutzung durch landwirtschaftliche Nutztiere beinhalten. Danach lesen sie sich ähnliche Informationen über Insekten auf SI3 durch, wählen zwei Insektengerichte für das Menü aus, schneiden die ausgewählten Gerichte aus und kleben sie auf das Menü. Auf Nachfrage sollten die Schülerinnen und Schüler ihre Auswahl begründen können. Mit den gesammelten Informationen verfassen sie im Kästchen "Warum man Insekten essen sollte" einen überzeugenden Kommentar. Zur Unterstützung können sie dabei auf die Checkliste auf SI4 zurückgreifen. Die Schülerinnen und Schüler sollen gegenseitig ihre überzeugenden Argumente mithilfe der Checklisten auf SI4 überprüfen. Dabei sollen sie auch wissenschaftliche Inhalte kommentieren. Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben.

Das Löschen eines Feuers durch Ausschalten einer der Faktoren, die zu seinem Entstehen notwendig sind, stellt eine ideale Verknüpfung zu Themen wie „Nachhaltiger Umgang mit Ressourcen – Luft zum Atmen“ oder „Zündender Funke und flammendes Inferno“ her.Versuche zum Bau eines Feuerlöschers werden herkömmlicherweise mit Glasgeräten und exakten Vorgaben durchgeführt. Setzt man dazu jedoch medizinische Spritzentechnik mit entsprechenden Plastikmaterialien ein, eignet sich das Thema Feuerlöscher hervorragend für ein so genanntes "Egg Race". Bei dieser Unterrichtsform beschäftigen sich die Schülergruppen mit überschaubaren Problemsituationen, für die sie unter der Beachtung von Sicherheitsregeln eigenständig Lösungswege planen und beschreiten. Aus dem bisherigen Unterricht wissen die Schülerinnen und Schüler bereits, dass Kohlenstoffdioxid erstickend wirkt und dass dieses Gas beim Lösen einer Brausetablette in Wasser entsteht. Wenn sie zudem im Umgang mit medizintechnischen Kunststoffspritzen geübt sind, können sie ohne vorgegebene Versuchsbeschreibung selbstständig einen kleinen Feuerlöscher konstruieren und erproben. Neben realen Experimenten kommt auch ein vom SWR entwickelter Online-Brandsimulator zum Einsatz, der auch Bestandteil der CD-ROM ist. Abschluss des Themas "Luft" und Verbrennung Vor dem Bau eines Feuerlöschers nutzen die Lernenden Informationen und einen Brandsimulator aus dem SWR-Online-Angebot "Warum löscht Wasser Feuer?". Die Egg-Race-Methode Allgemeine Hinweise zur Unterrichtsform, bei der die Lernenden Experimente selbstständig entwickeln und so eigene Wege finden können. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Die Schülerinnen und Schüler entwickeln mit medizinischer Spritzentechnik einen kleinen Schaumlöscher. Die Schülerinnen und Schüler sollen im Internet Informationen zur Brandlöschung recherchieren und dabei insbesondere die SWR-Materialien zum Thema "Warum löscht Wasser Feuer?" nutzen. gemäß der Bildungsstandards im Kompetenzbereich "Fachwissen" ihre Vorkenntnisse über Kohlenstoffdioxid, seine Herstellung aus einer Brausetablette, seine Dichte und seine erstickende Wirkung, verknüpfen, um einen Feuerlöscher zu konstruieren. im Kompetenzbereich "Erkenntnisgewinnung" einen Versuch vollkommen eigenständig entwickeln, durchführen und gegebenenfalls optimieren (E1-4). im Kompetenzbereich "Kommunikation" im Team Versuche durchführen und fachsprachlich korrekt präsentieren (K4, K7). Die hier vorgestellte Unterrichtseinheit zur Brandlöschung beschließt eine Reihe zum Thema "Luft und Verbrennung". Vor dem Bau eines eigenen Schaumlöschers werden, ausgehend vom Verbrennungsdreieck, die Bedingungen für ein Feuer noch einmal aufgegriffen. Daraus wird dann abgeleitet, wie man einen Brand löschen kann. Mithilfe der SWR-Online-Materialien zum Thema "Warum löscht Wasser Feuer?" recherchieren die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen, welche Löschmethoden es gibt und wie sie funktionieren. Dabei sortieren sie diese Methoden, zum Beispiel nach den Kategorien Sauerstoff entziehen. unter die Entzündungstemperatur kühlen. Brennstoff entziehen. Die SWR-Materialien bieten neben allgemeinen Informationen zu den Themen Feuer und Löschen (Geschichte, Löschmittel, Löschgeräte, ... ) auch einen Film sowie ein interaktives Online-Experiment. Dass man mit Wasser Brände löschen kann, ist jedem bekannt. Wie schnell ein kleiner Brand so intensiv wird, dass auch ein Gartenschlauch nicht mehr genügend Wasser zum Löschen liefern kann, lässt sich mit einer interaktiven Feuerlöschsimulation ermitteln. Die Simulation basiert auf der Annahme, dass der Hauptlöscheffekt des Wassers auf dem Kühlungseffekt beim Verdampfen beruht. Etwa 2.600 Kilowatt beträgt die theoretische Kühlleistung von 60 Litern Wasser pro Minute. In der Brandbekämpfungspraxis muss jedoch mit der etwa dreifachen Wassermenge gerechnet werden, da unter realen Bedingungen ein Großteil des Wassers den Brandherd nicht erreicht und somit auch nicht zur Kühlung beitragen kann. Tab. 1 gibt einen Überblick über den Zusammenhang zwischen Wassermenge und tatsächlich erreichter Kühlleistung bei der Brandbekämpfung. Tab. 1 Wassermenge Kühlleistung 50 Liter / Minute 700 kW 100 Liter / Minute 1.400 kW 200 Liter / Minute 2.800 kW 300 Liter / Minute 4.200 kW 550 Liter / Minute 7.700 kW Mit dem interaktiven Experiment kann die Entwicklung von vier verschiedenen Brandsituationen simuliert werden (Kaminfeuer, Matratzenbrand, brennendes Stapelbett und Kioskbrand). Während der Brandfilm abläuft (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) - kann, nach der Wahl einer Löschwassermenge - jederzeit ein Löschversuch unternommen werden. Eine Effizienzanalyse gibt danach Auskunft, ob zuviel oder zu wenig Wasser eingesetzt wurde. Letztlich kann noch auf richtiges und falsches Löschen hingewiesen werden - mitunter gibt es in den Klassen Jugendfeuerwehrleute als Experten, die dazu berichten können. Zum Abschluss der Sequenz zum Thema "Luft und Verbrennung" bauen die Schülerinnen und Schüler im Rahmen eines "Egg Race" dann einen eigenen Feuerlöscher. "Normale" Schülerexperimente dienen in der Praxis häufig dem Erwerb eng vorgegebener Ziele und sollen aus zeitökonomischen Gründen meist direkt erfolgreich verlaufen. Dazu werden Fehlerquellen bereits in der Planungsphase so weit wie möglich ausgeschlossen. Dadurch erhalten die Schülerinnen und Schüler jedoch viel zu selten die Gelegenheit, eigene Lösungswege zu beschreiten, sich selbst zu korrigieren und daraus zu lernen - was aber dem eigentlichen naturwissenschaftlichen Arbeiten entspräche. Genau dies gewährleistet die so genannte Egg-Race-Methode. Die Schülergruppen erhalten bei dieser Methode überschaubare Problemstellungen, für die sie unter der Beachtung von Sicherheitsregeln eigenständig Lösungswege planen und beschreiten sollten. Das bedeutet, dass die Schülerinnen und Schüler auch Wege gehen können, die eventuell nicht oder nur teilweise zur Lösung des Problems führen. Da sie im weiteren Verlauf ihre Vorgehensweise eigenständig reflektieren und optimieren können, führen solche Fehlplanungen aber nicht zu Frustrationen. Egg Races verknüpfen Alltagserfahrungen und Fachwissen zu kreativem Denken und praktischem Handeln. nutzen innerhalb einer Gruppe Kooperation sowie die Konkurrenz zu den anderen Gruppen als Motivation und ermöglichen zugleich soziales Lernen. geben den Schülerinnen und Schülern Gelegenheit, Probleme selbstständig zu lösen und eigene Wege zu finden. Hans Joachim Gärtner und Volker Scharf Chemische "Egg Races" in Theorie und Praxis, Studienmaterialien des SIL Speyer Band 144, Boppard/Speyer 1994 Hans Joachim Gärtner Kreativität und Wettbewerb. Chemisches Egg-Racing in der Sekundarstufe I, NiU Chemie, 6/1997, S. 17-20 Gregor von Borstel und Andreas Böhm Bau eines Schaumlöschers mit medizintechnischen Geräten, NiU Chemie Nr. 74, 2003, S. 42-44 Hans Joachim Gärtner und Gregor von Borstel Kohlenstoffdioxid und Wettbewerb, "Egg-Races" in der Sekundarstufe I, NiU Chemie Nr. 78, 2003, S. 19-21 Die Grundstruktur der Stunde ist sehr einfach: Die Schülerinnen und Schüler erhalten die Aufgabe, mit vorgegebenen Materialien einen Feuerlöscher zu bauen und bearbeiten dieses Problem anschließend eigenständig in Teams mit zwei bis drei Personen. Die Aufgabe der Lehrperson besteht zunächst nur darin, die Problemstellung und die Rahmenbedingungen für die Experimentierphase festzulegen: Welche Materialien dürfen die Schülergruppen verwenden? Welche Bedingungen muss das Versuchsergebnis erfüllen? Welche Verhaltensregeln müssen von den Schülergruppen eingehalten werden? Experimentierphase In der anschließenden Experimentierphase sollte sich die Lehrperson zurückhalten und die Ansätze der Schülergruppen nur auf Sicherheit überprüfen, nicht aber auf Funktionalität. Entscheidend ist, dass die Planung der Versuche in den Schülergruppen erfolgt. Auch wenn die Lehrperson erkennt, dass der eingeschlagene Weg nicht unbedingt zur Lösung führt, wird dies nicht vorab diskutiert. Vielmehr sollen die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit haben, Optimierungen eigenständig durchzuführen. Lösungsbeispiel Eine Spritze kann mit einer Brausetablette und Spüli befüllt werden. Dann wird Wasser hineingezogen und der Kolben nach einiger Zeit arretiert (Abb. 2). Damit es keine Wasserschlacht gibt, wird die Aufgabe so eingeschränkt, dass man zur Lösung des Problems den Kolben nur ziehen, aber nicht drücken darf (siehe "feuerloescher_aufgabe.pdf"). Wenn man dann durch Zuhalten oder kurzzeitiges Verschließen per Dreiwege- oder Absperrhahn einen Druck in der Spritze aufbaut, kann man "mühelos" aus größerer Entfernung eine Kerze löschen. Präsentation In der abschließenden Präsentationsphase stellen die Schülergruppen ihre Ergebnisse vor und diskutieren sie im Plenum. Verschiedene Lösungswege Wir haben das Egg Race schon häufig mit Schülerinnen und Schülern und auch Lehrkräften in Fortbildungen und Workshops durchgeführt. Die Lösungswege und Ergebnisse sind vielfältig. Einige Gruppen mischen alle Substanzen in einer Spritze und benutzten diverse Schlauchverbindungen oder Hähne, um einen Druck aufzubauen. Andere mischen über eine Hahnbank die Substanzen durch Einspritzen von Wasser oder Spüli in die Spritze mit der Brausetablette oder greifen auch auf selbstgebaute Gasentwickler im Reagenzglas zurück. Hohe Motivation Insgesamt zeigen die Erfahrungen, dass alle Schülerinnen und Schüler in der Lage sind, die Aufgabe eigenständig zu lösen. Damit wenden sie bereits Erlerntes erfolgreich an und festigen so ihr Wissen. Den meisten Gruppen macht die Arbeit zudem schlichtweg Spaß. Sie erleben, dass nicht gleich der erste Versuch zum Erfolg führt, lassen sich davon aber nicht entmutigen. Dadurch erhält der Chemieunterricht eine stark positive Konnotation.

Lernende stellen im Schülerexperiment Nano-Goldpartikel her und erkennen die Farbe der Goldsole als größenabhängige Eigenschaft der Nanopartikel. Interaktive Lernumgebungen visualisieren die Reaktionen auf der Teilchenebene und ermöglichen die Untersuchung der Nanopartikel im virtuellen Elektronenmikroskop.Der erste Teil der fächerübergreifenden Unterrichtseinheit (Chemie und Physik) findet im Schul- oder Schülerlabor statt. Die Lernenden präparieren mithilfe einer Versuchsvorschrift unterschiedlich große Gold-Nanopartikel in Dispersion (Kolloidchemie). Die verschiedenen Größen der Goldpartikel werden schon bei der Präparation an der unterschiedlichen Farbe erkennbar. Der zweite Teil der Unterrichtseinheit findet im Rechnerraum statt. Die Schülerinnen und Schüler wiederholen die Präparation der Gold-Nanopartikel noch einmal im Rahmen eines virtuellen Experiments und können dabei beobachten, was auf der Teilchenebene passiert. Mithilfe eines interaktiven Lernmoduls lernen sie zudem Schritt-für-Schritt die Funktion und Betriebsweise eines Elektronenmikroskops kennen: Sie können ein virtuelles Transmissionselektronenmikroskop bedienen, die (virtuell und/oder real) hergestellten Partikel anschauen und sich davon überzeugen, dass den verschiedenfarbigen Goldsolen unterschiedlich große Nanopartikel zugrunde liegen. Kombination von Realexperiment und Computereinsatz Die Nanotechnologie und speziell die chemische Nanotechnologie bieten Schülerinnen und Schülern keinen unmittelbaren Zugang. Nanoplättchen, Nanostäbchen oder Nanopartikel lassen sich im Schülerexperiment zwar leicht herstellen, zum Beispiel durch Fällungen, jedoch lichtmikroskopisch nicht sichtbar machen. Ein Elektronenmikroskop wäre dafür erforderlich, aber eine solche Hochtechnologie-Apparatur ist für Schule und Schülerlabor viel zu teuer und zu empfindlich. Aus diesem Dilemma heraus entstand die vorliegende Unterrichtseinheit: Für die Präparation von Nanopartikeln sollen die Schülerinnen und Schüler vorzugsweise selbstständig experimentieren und damit die Faszination des Experiments erleben. Die Untersuchung der Produkte im virtuellen Elektronenmikroskop einer interaktiven Lernumgebung erfolgt nach dem Realexperiment im Rechnerraum der Schule. Eine Alternative: Außerschulische Lernorte Falls die räumlichen Möglichkeiten für das Schülerexperiment in der Schule nicht gegeben sind, kann dieser Teil der Unterrichtseinheit in einem außerschulischen Schülerlabor, zum Beispiel an einer Universität, stattfinden. Alternativ kann die Lehrperson den Versuch als Demonstrationsexperiment vorführen. In jedem Fall können die Schülerinnen und Schüler den Versuch am Rechner multimedial durchführen beziehungsweise wiederholen. Teil 1: Kolloidale Systeme Nach der (optionalen) Herstellung von Nano-Goldpartikeln werden die Vorgänge auf der Teilchenebene mithilfe einer Lernumgebung visualisiert. Teil 2: Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Schülerinnen und Schüler lernen die Funktionsweise eines Elektronenmikroskops kennen und untersuchen virtuell die Größe von Nano-Goldpartikeln. Materialien Hier finden Sie Hinweise zum Einsatz der klassischen Arbeitsblätter und der Lernumgebungen sowie detaillierte Handreichungen zu den virtuellen Experimenten. Fachkompetenz - kolloidale Systeme Die Schülerinnen und Schüler sollen die Begriffe Kolloid und Nanopartikel und ihren Zusammenhang kennen. die Dimension nanoskaliger Materialien kennen und zu bekannten Materialien anderer Dimensionen in Beziehung setzen können. den Begriff kolloidale Dispersion kennen und kolloidale Dispersionen in Zweistoffsystemen je nach Aggregatzustand der dispersen Phase und des Dispersionsmittels klassifizieren können. Methoden zur Unterscheidung zwischen "echten" Lösungen, kolloidalen Dispersionen und grobdispersen Systemen kennen. die Synthese von Goldkolloiden durchführen. wissen, dass die optischen Eigenschaften der hergestellten Goldkolloide im Zusammenhang mit der Größe der Kolloide stehen. den Begriff Koagulation/Aggregation kennen. Fachkompetenz - Transmissionselektronenmikroskop Die Schülerinnen und Schüler sollen das TEM als Werkzeug zur Visualisierung von Nanopartikeln kennen. begründen, warum Nanopartikel nicht mithilfe eines Lichtmikroskops beobachtet werden können. den Aufbau und den Strahlengang des Elektronenstrahls im TEM kennen. wissen, warum im Vakuum gearbeitet werden muss. die Bilderzeugung im TEM als Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Probe kennen. elastisch und unelastisch gestreute Elektronen als Ursache für die verschiedenen Kontraste im elektronenmikroskopischen Bild kennen. Thema Herstellung und Untersuchung von Nano-Goldpartikeln Autoren Katrin Prete, Dr. Walter Zehren, Prof. Dr. Rolf Hempelmann Fächer Chemie, Physik Zielgruppe ab Klasse 9 Technische Voraussetzungen Möglichkeit für chemisches Experimentieren (optional); Rechner in ausreichender Anzahl (Partnerarbeit), mindestens ein Präsentationsrechner mit Beamer, Flash-Player 9 Dr. Walter Zehren ist Studienrat an der Saarbrücker Marienschule und teilabgeordnet an die Universität des Saarlandes. Dort leitet er das Schülerlabor NanoBioLab und hat zum Thema Forschendes Experimentieren im Schülerlabor promoviert. Rolf Hempelmann ist Professor für Physikalische Chemie und Geschäftsführender Leiter des Transferzentrums Nano-Elektrochemie an der Universität des Saarlandes. Er ist Betreiber des Schülerlabors NanoBioLab und Sprecher des Saarländischen Schülerlaborverbunds SaarLab. Umrechnung von Maßeinheiten Die Schülerinnen und Schüler müssen in der Lage sein, verschiedene Maßeinheiten (Meter, Millimeter, Nanometer) ineinander umzurechnen. Diese Kompetenzen werden im Fach Mathematik in Klasse 5 erworben. Aggregatzustände Die Lernenden benötigen Kenntnisse über Aggregatzustände und über die verschiedenen Typen chemischer Stoffgemische. Diese Kompetenzen werden im Fach Chemie in Klasse 8 erworben. Redox-Reaktionen Zum Verständnis der Synthese der Gold-Nanopartikel müssen die Schülerinnen und Schüler den erweiterten Redox-Begriff kennen: Redox-Reaktionen müssen als Elektronenübertragungsreaktionen bekannt sein. Dies wird im Fach Chemie in Klasse 9 thematisiert. Der erste Teil der Unterrichtseinheit behandelt einige Aspekte der Kolloid- und Nanochemie und besteht aus einem Experimentalteil und einer interaktiven Lernumgebung zur Herstellung von Goldsol, also einer Suspension von Gold-Nanopartikeln. Gold- und auch Silber-Nanopartikel zeigen einen interessanten Farbeffekt im sichtbaren Spektralbereich: Die resonante Anregung von Oberflächenplasmonen führt dazu, dass sich die Farbe des Metalls in Abhängigkeit von der Größe und Form der Nanoteilchen stark verändert (Abb. 1). Zum Beispiel sehen Suspensionen von kleinen Gold-Nanopartikeln in Wasser rot aus (im Gegensatz zu dem gelblichen Schimmer, den Gold normalerweise zeigt). Aggregiert man diese Partikel teilweise, so ändert sich die Farbe zu dunkelblau bis violett. Einstieg und Schülerexperiment Der erste Teil der Unterrichtseinheit gliedert sich in zwei Abschnitte. Zunächst erfolgt eine Einführung in das Thema kolloidale Systeme. Durch geeignete Aufgabenstellungen wird den Schülerinnen und Schülern zunächst die Dimension, also der Größenbereich, der Nanochemie nahe gebracht, und es werden die Begriffe Nanopartikel beziehungsweise Kolloid geklärt. Danach folgt eine Reihe von Experimenten, welche die Schülerinnen und Schüler mit den bis zur Klasse 9 erworbenen Vorkenntnissen in Eigenarbeit durchführen können. Der Einfluss des Zerteilungsgrades (des Dispersionsgrades) auf die Eigenschaften von Stoffen und die Unterscheidung zwischen echten Lösungen und kolloidalen Dispersionen können im Experiment selber entdeckt werden. Zum Abschluss werden Goldkolloide verschiedener Größen hergestellt. Die Herstellung von Goldkolloiden ist gleichzeitig die Überleitung zum zweiten Abschnitt des ersten Teils der Unterrichtseinheit, der Multimedia-Anwendung. Virtuelles Experiment, Visualisierung der Teilchenebene Die interaktive Lernumgebung zeigt zunächst noch einmal den zuvor durchgeführten Versuch zur Herstellung von Goldkolloiden. Dabei werden die Schritte der Reaktion auf der Teilchenebene visualisiert (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken), und den Schülerinnen und Schülern wird schließlich die unterschiedliche Farbe der Goldsole erklärt (Abb. 3). An die Animation zum Versuch schließt sich eine Wiederholungsphase an, in der die Lernenden interaktiv den Zusammenhang zwischen Partikelgröße und Farbe der Goldsole bearbeiten können (Abb. 4). Weiter geht es mit einer Übungsphase, in der Schülerinnen und Schüler das Gelernte anwenden. Methodenvielfalt Im ersten Teil der Unterrichtseinheit wird also mit verschiedenen Medien gearbeitet: Arbeitsblätter, Schülerexperimente und Multimedia-Anwendungen. Durch diese Methodenvielfalt wird auf die Heterogenität der Lernvoraussetzungen und der Interessen der Schülerinnen und Schüler eingegangen, wodurch möglichst viele Lernende erreicht und für die Beschäftigung mit dem Nanobereich motiviert werden sollen. Die einzelnen Schritte und Inhalte des gesamten virtuellen Experiments werden in einer Handreichung (tutorial_goldsole_virtuelles_experiment.pdf) ausführlich beschrieben und mit zahlreichen Screenshots dargestellt. Glühelektrischen Effekt, Kondensator Die Schülerinnen und Schüler müssen Kenntnisse über den Glühelektrischen Effekt und das Prinzip eines Kondensators besitzen (Physik, Oberstufen-Grundkurs). Linke-Hand-Regel Die Lernenden müssen in der Lage sein, mithilfe der Linke-Hand-Regel die magnetischen Feldrichtungen einer Spule zu bestimmen (Physik, Klasse 9). Lorentzkraft Die Schülerinnen und Schüler müssen Kenntnisse über die Bewegung von elektrischen Ladungsträgern im magnetischen Feld besitzen. Sie müssen die Richtung der Kraftwirkung der Lorentzkraft mit der Drei-Finger-Regel bestimmen können (Physik, Klasse 9). In einem interaktiven Lernmodul werden der Aufbau und die Funktionsweise des TEM Schritt-für-Schritt erläutert. Damit wird eine wichtige Methode der Nanotechnologie eingeführt. Sie erlaubt es, die zuvor im (realen und/oder) virtuellen Experiment hergestellten Nanopartikel zu visualisieren. Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, welches das Innere oder die Oberfläche einer Probe mithilfe von Elektronen abbilden kann. Da schnelle Elektronen eine sehr viel kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht haben und die Auflösung eines Mikroskops durch die Wellenlänge begrenzt ist, kann mit einem Elektronenmikroskop eine deutlich höhere Auflösung (etwa 1 Nanometer; mit einem einem Höchstleistungs-TEM bis zu 0,1 Nanometer) erreicht werden als mit einem Lichtmikroskop (typischerweise etwa 1 Mikrometer, im Extremfall bis zu 200 Nanometer). Die einzelnen Seiten, Inhalte und Funktionen der Lernumgebung zum Transmissionselektronenmikroskop (TEM) werden in einer Handreichung (tutorial_goldsole_TEM.pdf) ausführlich beschrieben und mit Screenshots dargestellt. Tutorielles System zur Funktion des TEM Die Lernumgebung erlaubt es, die hergestellten Gold-Nanopartikel "virtuell" zu untersuchen. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, wie die zuvor bereits verwendeten TEM Aufnahmen (vergleiche Abb. 4 ) entstehen. Dabei kommt eine Multimedia-Anwendung im Stil eines tutoriellen Systems zum Einsatz. Auf der Startseite wird das Thema dargestellt, und den Lernenden wird ein motivierender Einstieg in das Thema geboten. Außerdem wird auf dieser Seite ein Einblick gegeben, welche Lerninhalte nachfolgend bearbeitet werden. Informationsseiten An die Startseite knüpfen dann Informationsseiten an, auf denen den Schülerinnen und Schülern Lerninhalte durch Texte, Animationen oder Bilder präsentiert werden, die in individueller Geschwindigkeit bearbeitet werden können (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Sie können dabei auch zu vorangegangenen Lerninhalten zurückzuspringen, um nicht Verstandenes zu wiederholen. Übungen und Ergebnissicherung Die Informationsseiten bilden Themenblöcke oder "Bausteine". Nach jeweils einem Baustein schließen sich Übungsseiten an, mit deren Hilfe das Gelernte überprüft und die Lernergebnisse gefestigt werden (Abb. 6). Dabei kommen in der Regel recht kurz gehaltene Multiple-Choice-Aufgaben, Lückentexte oder Wortpuzzles zum Einsatz, an einigen Stellen allerdings auch komplexere Aufgabenstellungen. Die Übungen bieten auch die Möglichkeit zur Differenzierung - leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler, die schneller mit dem Programm fertig werden, können zusätzliche Aufgaben lösen. Den Abschluss des Programms bildet eine Lückentextübung zum TEM. Anwendungssimulation Im Anschluss an das tutorielle System folgt eine kleine Simulation. Hier haben die Schülerinnen und Schüler ein virtuelles TEM vor sich, in dem sie die Goldsole virtuell untersuchen können. Hierbei handelt es sich um eine Anwendungssimulation. Die Lernenden sollen die Handhabung des TEM prinzipiell verstehen. Dabei führen sie dieselben "Handgriffe" aus, die sie auch im Umgang mit einem realen TEM ausführen müssten (Abb. 7). Bei Fehlern - wenn zum Beispiel vergessen wird, in der Probenkammer ein Vakuum anzulegen - gibt das Programm eine entsprechende Rückmeldung ("Vorsicht, überprüfe dein Vorgehen"). 1. Partikel mit Potenzial: Nanoteilchen und Kolloide Das erste Arbeitsblatt (1_nanoteilchen_groessenvergleiche.pdf) führt die Begriffe Nanoteilchen und Kolloide ein. Der Text beginnt mit den Begriffsbestimmungen. Daran knüpfen sich fünf Aufgaben an, die den Schülerinnen und Schülern helfen sollen, sich die Dimensionen der Nanowelt in Relation zur Lebenswelt zu veranschaulichen: Die Lernenden sollen die Dimension des Nanometers durch Vergleiche mit Gegenständen aus ihrem alltäglichen Erfahrungsbereich erfassen. Nur durch diese Vergleiche ist es möglich, die winzigen Dimensionen zu verdeutlichen. Unbekanntes wird auf Bekanntes zurückgeführt und kann besser gelernt und verstanden werden. Aufgabe 3 ermöglicht es den Lernenden mit einem kleinen Experiment, sich selbst die Größe zu veranschaulichen und die Ergebnisse direkt zu sehen. Die Dimension des Nanometers wird im Experiment natürlich nicht erreicht, dennoch wird sie erlebbar und besser vorstellbar. 2. Eigenschaften von Nanopartikeln und Kolloiden Das zweite Arbeitsblatt (2_eigenschaften_nanoteilchen_kolloide.pdf) soll die Veränderung der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften eines Stoffs in Abhängigkeit von seinem Zerteilungsgrad veranschaulichen. Die Verkleinerung eines Stoffes in nanoskalige Dimensionen führt zu völlig neuen Werkstoffeigenschaften. In der ersten Aufgabe wird zunächst veranschaulicht, dass mit zunehmendem Zerteilungsgrad die Oberfläche eines Stoffes wächst und somit eine viel größere Oberfläche reagieren kann. Die Auswirkung einer größeren Oberfläche auf die Reaktionsgeschwindigkeit kennen die Schülerinnen und Schüler aus Standard-Experimenten des Chemieunterrichts, wie zum Beispiel der Verbrennung eines Eisennagels gegenüber der Verbrennung von Stahlwolle. In einem Versuch sollen die Lernenden nun entdecken, dass sich mit zunehmendem Zerteilungsgrad auch physikalische Eigenschaften verändern, wie zum Beispiel das magnetische Verhalten eines Stoffs. Die Reaktionsgleichung wird auf den Arbeitsblättern angegeben, da sie mit dem den Schülerinnen und Schülern zu Verfügung stehenden Vorwissen nicht aufgestellt werden kann, von diesen aber zum Verständnis der Reaktion benötigt wird. Zusätzlich wird der Begriff des Hydrats kurz vorgestellt, da als Ausgangsstoffe Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat und Eisen(II)-Chlorid-Tetrahydrat eingesetzt werden und der Hydrat-Begriff aus dem Unterricht in dieser Form nicht geläufig ist. 3. Unterscheidung zwischen echten und kolloidalen Dispersionen Mit dem dritten Arbeitsblatt (3_dispersionen.pdf) lernen die Schülerinnen und Schüler den Tyndall-Effekt als eine Möglichkeit kennen, zwischen echten Lösungen und kolloidalen Systemen zu unterscheiden. In einem Versuch werden verschiedene Lösungen beziehungsweise Dispersionen mithilfe des Tyndall-Effektes identifiziert. Mit der Aufgabe, für die Dispersionen das Dispersionsmittel und die disperse Phase anzugeben, wird an das Vorwissen der Lernenden angeknüpft, da die Einteilung von Stoffgemischen bereits in Klasse 8 erlernt wird. 4. Herstellung von Goldkolloiden Das vierte Arbeitsblatt (4_goldkolloide.pdf) beschreibt einen Versuch zur Herstellung von Gold-Nanopartikeln unterschiedlicher Größe. Zum Einstieg werden Verwendungsmöglichkeiten von Gold-Nanopartikeln aufgezeigt und hervorgehoben. Durch die Herstellung von Gold-Nanopartikeln wird mit der Farbe eine weitere spezifische Stoffeigenschaft angesprochen. Sie ändert sich mit zunehmendem Zerteilungsgrad von dem charakteristischen Goldgelb bis hin zu Rot. Hierbei handelt es sich um einen Größenquantisierungseffekt (englisch "quantum size effect"): sehr kleine Teilchen unterliegen mit abnehmender Teilchengröße zunehmend den Gesetzen der Quantenmechanik, woraus sich die Änderung der Eigenschaften von Nanopartikeln im Vergleich zu grobkristallinen Stoffen der gleichen chemischen Zusammensetzung erklärt. Die einführenden Texte dienen zur Motivation der Schülerinnen und Schüler, in einem Experiment selbst Gold-Nanopartikel herzustellen. 5. Arbeitsblatt und interaktive Lernumgebung Für die Bearbeitung der Aufgabenstellungen des fünften Arbeitsblatts (4_2_goldkolloide.pdf) kann die Flash-Lernumgebung zur Herstellung von Goldkolloiden herangezogen werden. Die Aufgabe greift auf bereits vorhandenes Wissen zurück, wie zum Beispiel den erweiterten Redox-Begriff, und fungiert auch als Ergebnissicherung für neu erlernte Inhalte. Die Fragen können nach der Arbeit mit der Lernumgebung beantwortet werden. Teilweise müssen Lerninhalte aus den vorangegangenen Arbeitsblättern angewendet werden, sodass durch zusätzliche Wiederholung eine Festigung des Gelernten gewährleistet werden kann. Einsatzmöglichkeiten Das virtuelle Experiment zur Herstellung verschiedenfarbiger Goldsole veranschaulicht die Vorgänge auf der Teilchenebene. Mit ihm wird auch erarbeitet, dass die Farbe der Goldsole von der Größe der Nano-Goldpartikel abhängig ist. Die Lernumgebung kann flexibel eingesetzt werden: Schülerexperiment und virtuelles Experiment Nach der experimentellen Herstellung von Goldsolen im Schülerversuch (im Chemielabor der Schule oder in außerschulischen Schülerlaboren) kann die Lernumgebung zur Herstellung von Goldsolen zur "virtuellen Wiederholung" und insbesondere zur Darstellung der Vorgänge auf der Teilchenebene genutzt werden. Lernende experimentieren nur "virtuell" Besteht keine Möglichkeit, den Versuch als Schülerexperiment durchzuführen, können die Lernenden die Herstellung von Goldsolen auch ausschließlich am Rechner durchführen - im Idealfall in Partnerarbeit im Computerraum der Schule. Präsentation per Beamer Alternativ oder zusätzlich zur Bearbeitung im Computerraum kann die Lehrperson die Flash-Animationen zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs im Fachraum per Beamer einsetzen. Die Lehrperson oder einzelne Schülerinnen und Schüler können den Prozess dann noch einmal für alle beschreiben. Einsatzmöglichkeiten Dieses Lernmodul ist für die Einzel- oder Partnerarbeit am Rechner konzipiert. Alternativ können die Animationen und interaktiven Übungen aber auch zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs (Beamerpräsentation) genutzt werden. Die Lernumgebung zum TEM kann natürlich auch in anderen unterrichtlichen Zusammenhängen - unabhängig von der Herstellung von Goldsolen - zum Einsatz kommen. Prete, Katrin Visualisierung von Nanopartikeln mittels TEM und STM, aufgearbeitet als eine mediengestützte Unterrichtseinheit, Wissenschaftliche Staatsexamensarbeit, Saarbrücken 2009 Zehren, Walter Forschendes Experimentieren im Schülerlabor , Dissertation, Saarbrücken 2009 Sepeur, Stefan Nanotechnologie - Grundlagen und Anwendungen, Vincentz Network, Hannover 2008 Dörfler, Hans-Dieter Grenzflächen und kolloid-disperse Systeme, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg 2002 Hempelmann, Rolf; Zehren, Walter; Mallmann, Matthias Nanotechnologie im Schulunterricht, NanoBioNet Newsletter II/2008, nanotechnologie aktuell 2, 88-91 (2009) Walter Zehren ist Studienrat an der Saarbrücker Marienschule und teilabgeordnet an die Universität des Saarlandes. Dort leitet er das Schülerlabor NanoBioLab und hat zum Thema Forschendes Experimentieren im Schülerlabor promoviert. Rolf Hempelmann ist Professor für Physikalische Chemie und Geschäftsführender Leiter des Transferzentrums Nano-Elektrochemie an der Universität des Saarlandes. Er ist Betreiber des Schülerlabors NanoBioLab und Sprecher des Saarländischen Schülerlaborverbunds SaarLab.

Wird Schokolade schon bald zur Mangelware? In dieser Unterrichtseinheit beschäftigen sich die Lernenden mit dem Rückgang der Kakaoerträge und erkennen dabei, warum die Bestäubung durch Insekten so wichtig für unsere Lebensmittelproduktion ist. Europäer lieben Schokolade - sie verschlingen mehr als die Hälfte des weltweiten Bedarfs! Die schlechte Nachricht ist, dass mehr Kakao gegessen wird, als produziert werden kann. Somit könnte Schokolade bald ein seltenes und kostbares Gut werden, da die Bauern Probleme haben, den Bedarf zu decken. Die Schülerinnen und Schüler nutzen ihr vorhandenes Wissen über Bestäubung, um über die Gründe des Rückgangs der Kakaoerträge auf einer Plantage zu diskutieren. In einem Rollenspiel, in dem ein Treffen zur Aufbringung finanzieller Mittel nachgestellt wird, lernen sie anschließend, warum wissenschaftliche Forschung so teuer ist. Bezug zum Lehrplan Biologie Beziehungen im Ökosystem: Die Bedeutung der Pflanzenreproduktion durch Insektenbestäubung für die Ernährungssicherheit der Menschen Chemie Erde und Atmosphäre: Die Erde als Quelle begrenzter Ressourcen Wissenschaftliches Arbeiten Gesprochene Sprache: Klare und präzise Artikulation wissenschaftlicher Konzepte Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Schokolade adé" Der Ablauf der Unterrichtseinheit "Schokolade adé?" ist auf dieser Seite übersichtlich für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, warum die Bestäubung durch Insekten so wichtig für unsere Lebensmittelproduktion ist. verstehen, warum wissenschaftliche Forschung so teuer ist. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben. Aus für Schokolade? Die Lehrkraft präsentiert den Artikel "Aus für Schokolade?" (Folie 2) und fragt die Schülerinnen und Schüler nach ihren ersten Gedanken zu diesem Thema. Abhängig von zeitlichen Vorgaben und dem Alter der Lernenden könnte über allgemeine Punkte gesprochen werden, zum Beispiel ob die Menschen ihren Kakaokonsum reduzieren sollten, über mögliche Gründe für den weltweiten Rückgang der Kakaoerträge oder welche wirtschaftlichen, umweltbedingten und gesellschaftlichen Auswirkungen dies mit sich bringt. Rollenspiel Die Schülerinnen und Schüler schlüpfen in die Rolle von Kakaoproduzentinnen und Kakaoproduzenten (Folie 3). Die Lehrkraft betont das Ausmaß der entstandenen Situation: Sollten die Kakaoerträge weiter sinken, werden die Produzentinnen und Produzenten nicht in der Lage sein, ausreichend Schokolade herzustellen, was sich negativ auf die Gewinne auswirkt und dazu führen könnte, dass sie ihre Jobs verlieren. Darüber hinaus verdeutlicht die Lehrkraft den Lernenden die Lernziele dieser Unterrichtseinheit (Folie 4). Gründe für den Schotenmangel Auf der Plantage wachsen nur sehr wenige Schoten aus Blüten heran (Folie 5). Die Schülerinnen und Schüler erörtern paarweise mit den Informationen über Kakaoblüten und ihrem Wissen über Bestäubung Gründe für den Schotenmangel. Dabei können sie folgende Punkte erarbeiten: Fehlende Fliegen (möglicherweise liegt die Plantage zu weit vom Regenwald entfernt); durch die Blütenform können die Fliegen nicht hineinschlüpfen; der Duft ist nicht stark genug oder die Fliegen mögen ihn nicht; die Pollen bleiben nicht an den Fliegen kleben; die Staubbeutel produzieren nicht genügend Pollen oder eine Befruchtung findet nicht statt Wissenschaftliche Forschung Die Lehrkraft stellt die nächste Aufgabe vor (Folie 6). Der Plantagenbesitzer ist zu dem Schluss gekommen, dass wissenschaftliche Forschung über Bestäubung notwendig ist, was jedoch Geld kostet. Die Lernenden bilden Gruppen von je sechs Personen und spielen ein Treffen zur Aufbringung finanzieller Mittel nach. Die Lehrkraft bestimmt in jeder Gruppe drei Schülerinnen und Schüler, die als Spendensammlerinnen oder Spendensammler des Kakaoproduzenten agieren. Mithilfe von Arbeitsblatt 1 (Folie 8, SI1) bereitet die Gruppe das Treffen vor. Geldgeberinnen und Geldgeber Die anderen drei Schülerinnen oder Schüler spielen die Geldgeberinnen oder Geldgeber. Die Lernenden legen fest, wer als Vertreterin oder Vertreter eines Wohltätigkeitsverbands, der Regierung und von einem Großunternehmen auftritt und arbeiten mit Arbeitsblatt 2 (Folie 9, SI2). Sollte es Gruppen mit mehr als sechs Schülerinnen oder Schülern geben, legt die Lehrkraft zwei Schülerinnen oder Schüler fest, die eine Rolle eines Geldgebers übernehmen. Die Lernenden haben 10 Minuten Zeit zur Fertigstellung ihrer Vorbereitung und dem Ausfüllen des obersten Kästchens auf dem Informationsblatt. Treffen Nun finden die Treffen statt. Die Schülerinnen und Schüler treffen paarweise aufeinander: Eine Spendensammlerin oder eine Spendensammler und eine Geldgeberin oder ein Geldgeber. Während des Treffens stellen die Geldgeberinnen und Geldgeber ihre Fragen und füllen das untere Kästchen auf ihrem Informationsblatt aus. Anschließend kommen die Gruppen wieder zusammen und die Geldgeberinnen und Geldgeber legen offen, wie viel Geld sie spenden und warum. Die Spendensammlerinnen und Spendensammler addieren das gesammelte Geld, um herauszufinden, ob die Forschung durchgeführt werden kann. Die Lehrkraft bittet die Lernenden, zwei Sätze darüber zu notieren, weshalb wissenschaftliche Forschung so teuer ist. Die Antworten werden in der Klasse diskutiert und es sollte darüber gesprochen werden, warum wissenschaftliche Forschung nur selten von nur einer einzigen Person durchgeführt wird.

Schülerinnen und Schüler kennen es aus eigener Erfahrung: In der Schule wird man im Klassenraum oft müde, wenn die "Luft“ verbraucht ist. Dieses Phänomen ist der Ausgangspunkt des hier vorgestellten WebQuest. Die Ergebnisse der Recherchen zum Thema Luft werden auf Plakaten festgehalten und in der Klasse vorgestellt und diskutiert. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich in Partner- oder Kleingruppenarbeit zunächst mit den allgemeinen Aspekten des Themas und den Eigenschaften von Luft auseinander. Ihnen wird deutlich, aus welchen Bestandteilen Luft besteht und wie sich dieses Stoffgemisch zusammensetzt. Sie sollen erkennen, dass Luft auch "schmutzig" werden kann. In diesem Zusammenhang werden auch Luftschadstoffe behandelt. Abschließend versuchen die Lernenden die Ausgangsfrage (Müdigkeit im Klassenzimmer) zu beantworten. Ihnen soll bewusst werden, dass Klassenräume regelmäßig gelüftet werden müssen, um im Unterricht ?fit? bleiben zu können. Der WebQuest ist für die Klasse 6 konzipiert, sodass eine genaue Arbeitsanleitung für die Lernenden unbedingt nötig ist. Aus diesem Grund sind die Arbeitsaufträge in dem WebQuest-Dokument sehr präzise formuliert. Die Lehrperson soll während der Bearbeitung lediglich Hilfestellungen leisten und Anregungen geben und sich nicht in die Diskussion der Schülerinnen und Schüler einmischen. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Der Ablauf der Internetrecherche, die Arbeit in Kleingruppen sowie die Entwicklung und Präsentation eines Plakats werden hier kurz skizziert. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen sich über die Zusammensetzung und die Bedeutung von Luft informieren. die gesellschaftliche Relevanz von Luftverschmutzungen erkennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Computer gezielt zur Informationsbeschaffung verwenden. relevante Inhalte aus Online-Dokumenten erarbeiten und diese auf ihre Aufgabenstellung beziehen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen zu ihren Diskussionsergebnissen gemeinsam ein Plakat entwerfen und präsentieren. die Vorstellungen und Ideen der anderen Gruppen aufmerksam verfolgen und abschließend miteinander vergleichen. Thema WebQuest "Luft" Autorinnen Julia Elsen, Prof. Dr. Julia Michaelis Fach Chemie Zielgruppe Klasse 6 Zeitraum 6 Stunden (je 2 Stunden Recherche, Plakaterstellung und Diskussion) Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss pro Arbeitsgruppe (2-4 Personen) Prof. Dr. Julia Michaelis von der Didaktik der Chemie der Universität Oldenburg betreute Julia Elsen bei der Bachelorarbeit "Warum WebQuest? - Erstellung von WebQuest-Materialien mit unterschiedlichen Kompetenzschwerpunkten". Das WebQuest-Dokument wurde mit PowerPoint erstellt. Sie können die Datei "webquest_luft.ppt" (siehe "Download") herunterladen und editieren. Die Hyperlinks sind nur im Präsentationsmodus aktiv. Schülerinnen und Schüler können mit dem Dokument auch arbeiten, wenn es auf der Festplatte ihres Arbeitsrechners liegt (Internetanschluss vorausgesetzt). Anleitungen zur Erstellung von WebQuests mit PowerPoint finden Sie im Internet. Alltagsbezug Der WebQuest thematisiert die allgemeinen fachlichen Grundlagen zur Zusammensetzung und zur Bedeutung von Luft für den Menschen. Durch die Übertragung der Lufteigenschaften auf einen lebensnahen Bezug (Luftqualität im Klassenraum) wird die Relevanz des Themas für die Lernenden deutlich. Außerdem wird das Thema Luftverschmutzung berücksichtigt. So treten auch die gesellschaftliche und ökologische Dimension und die Zukunftsrelevanz des Themas hervor. Fächerverbindende Bezüge Die Unterrichtseinheit bietet auch Bezüge zur Biologie. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich sowohl mit der Umweltverschmutzung als auch mit der Gesundheit des Menschen auseinander. Die Gesundheitsaspekte können im Biologieunterricht in der Thematik "Auswirkungen von Umweltverschmutzungen und deren Auswirkungen auf den Menschen" aufgegriffen werden. Internetrecherche Die Schülerinnen und Schüler setzen sich in dem WebQuest in Partner- oder Kleingruppenarbeit mit dem Thema "Luft" auseinander. Dabei soll jedes Kind wichtige Inhalte und Ergebnisse festhalten, um sich später zusammen mit den Mitschülerinnen und Mitschülern darauf zu einigen, welche Informationen bei der Erstellung des Plakats übernommen werden sollen. Diskussion und Entwicklung des Plakats Auf der Basis der Recherchen sollen die Lernenden ihre Ergebnisse über Zusammensetzung und Bedeutung der Luft sowie über die Luftverschmutzung zusammentragen. Danach verständigen sie sich über die wichtigsten Ergebnisse und halten diese auf einem Plakat fest. Die angefertigten Plakate werden im Anschluss an die Gruppenarbeiten den Mitschülerinnen und Mitschülern im Rahmen einer kleinen Ausstellung präsentiert und im Plenum diskutiert.

Diese Unterrichtseinheit stellt zunächst Bakterien und Viren als Krankheitserreger dar und fokussiert anschließend die Infektionsausbreitung. Die Einheit kann sowohl im klassischen Präsenz-Unterricht als auch in digitalen Lernszenarien (E-Learning, Homeschooling) eingesetzt werden.Ob Bakterien oder Viren: Vorbeugen ist besser als heilen. Zwei der wichtigsten Vorsorgemaßnahmen sind Hygiene und Impfungen. Nach einer Einführung in den Themenbereich "Bakterien und Viren als Krankheitserreger" nimmt die vorliegende Unterrichtseinheit daher die Infektionsausbreitung und deren Verhinderung in den Fokus. Im Anschluss an die Unterrichtseinheit bietet es sich an, dass die Schülerinnen und Schüler auf Grundlage des Erlernten einen Hygieneleitfaden erstellen. Die Unterrichtseinheit basiert auf Auszügen des Materialpakets "Antibiotika: Der Wettlauf mit den Keimen" des Fonds der Chemischen Industrie (FCI). Damit die Einheit nicht nur gemeinsam im Präsenz-Unterricht sondern von den Schülerinnen und Schülern auch selbstständig zu Hause durchgeführt werden kann, wurden methodische Hinweise für beide Szenarien ergänzt und Arbeitsaufträge, wo nötig, angepasst. Thematischer Hintergrund Medizinerinnen und Mediziner sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können den Wettlauf mit den Keimen nur durch stetige Entwicklung neuer Wirkstoffe gewinnen. Derzeit arbeiten weltweit eine Reihe großer und mehr als 40 kleine und mittlere Unternehmen an neuen Antibiotika und anderen antibakteriell wirksamen Medikamenten. Gleichzeitig halten Viren - wie etwa jeden Winter die Influenza-Viren oder derzeit das neuartige Corona-Virus SARS-CoV-2 - die Wissenschaft, Medizin und unsere gesamte Gesellschaft auf Trab. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen arbeiten mit Hochdruck sowohl an Medikamenten zur Heilung der durch Viren verursachten Krankheiten sowie an Impfstoffen zur Immunisierung von Risikogruppen und ganzer Gesellschaften, die die Ausbreitung der Infektionen stoppen oder zumindest verlangsamen sollen. Lehrplanbezug Die Unterrichtseinheit "Bakterien und Viren: Krankheitserreger und Infektionsausbreitung" richtet sich an Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I (Klasse 7 bis 9) in den Fächern Biologie und Chemie. Sie knüpft an das Inhaltsfeld "Kommunikation und Regulation" und den Themenbereich "Krankheitserreger erkennen und abwehren" des Kernlehrplans an. Hinweise zur Methodik Die Unterrichtseinheit kann sowohl im regulären Präsenz-Unterricht wie auch im digitalen Remote-Unterricht (Homeschooling) durchgeführt werden. Die methodischen Hinweise im Ablaufplan enthalten jeweils Vorschläge für beide Unterrichtsszenarien. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Bestandteile von Bakterien und Viren. erarbeiten und analysieren Bakterien-Strukturmodelle. erkennen, warum Antibiotika nicht gegen Viren wirken. lernen das Prinzip der Vermehrung von Bakterien kennen und können es mithilfe eines Versuchs praktisch nachvollziehen. Methodenkompetenz nutzen Modelle und Modellvorstellungen für die Erkenntnisgewinnung. vergleichen Modelle von Viren und tierischen Zellen. führen einen Modellversuch zur Infektionsausbreitung durch.

Am Beispiel einer Signalkette erkennen Schülerinnen und Schüler, wie molekularbiologische Grundlagenforschung die Entwicklung neuer und innovativer Medikamente ermöglichen kann. Mehr als 200.000 Menschen sterben in Deutschland pro Jahr an Krebserkrankungen. Bei der Behandlung kommen neben Bestrahlungen Chemotherapien zum Einsatz. Die dabei verwendeten Wirkstoffe schädigen insbesondere die sich schnell teilenden Tumorzellen. Aber auch gesunde Zellen werden angegriffen. Schwere Nebenwirkungen sind die Folge. Wissenschaftler und Mediziner arbeiten an der Entwicklung von Wirkstoffen für eine zielgenauere Krebstherapie. Die soll nicht nur weniger belastende Behandlungsmethoden, sondern zukünftig auch die Bekämpfung heute noch schwer therapierbarer Tumore ermöglichen. Ziele der Unterrichtseinheit Die zentrale Botschaft dieser Unterrichtseinheit ist: Krebs entsteht durch den Verlust negativer Kontrollen, die Wachstum und Teilung von Zellen in gesunden Geweben streng überwachen. Die Vielfalt der daran beteiligten zellulären Nachrichtensysteme ist unglaublich komplex und zurzeit nur ansatzweise durchschaubar. Zudem variieren die vielen miteinander vernetzten Signalketten und ihre Störungen von Zelltyp zu Zelltyp, von Tumor zu Tumor. Dies macht den Kampf gegen Krebszellen so schwierig. In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler einen zentralen Mechanismus der Signaltransduktion und die vereinfachte Darstellung eines Signalwegs kennen. Dabei begegnen ihnen "Schalter", die in vielen molekularbiologischen Bereichen von zentraler Bedeutung sind (GTP-bindende Proteine, Konformationsänderungen, Phosphorylierungen). MS Wissenschaft 2011 Im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2011 "Forschung für unsere Gesundheit" zeigt die Mitmachausstellung an Bord der MS Wissenschaft "Neue Wege in der Medizin" unter anderem Exponate zum Thema "Im Kampf gegen Krebs - von der Grundlagenforschung zum Medikament". Zu sehen sind dabei auch Animationen von Prof. Dr. Axel Ullrich vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried. Die Filme visualisieren die zellulären Signalsysteme, die Thema dieser Unterrichtseinheit sind. Zudem zeigen sie, wie neuartige Krebsmedikamente wirken und Tumore durch eine Hemmung der Angiogenese - die Neubildung von Blutgefäßen - "aushungern" sollen. Die Darstellungen sind sehr vereinfacht. Anschaulichkeit steht im Vordergrund und nicht die wissenschaftliche Korrektheit im Detail. (Die hier verwendeten Grafiken stammen aus den Animationen.) Vom 19. Mai bis zum 29. September ist das umgebaute Binnenfrachtschiff unterwegs und macht in 35 Städten Halt. Ein Besuch der Ausstellung bietet eine ideale Ergänzung zur Behandlung des Themas im Unterricht. Informationen zum Tourplan und zur Gruppenanmeldung finden Sie auf der Webseite von Wissenschaft im Dialog (siehe Zusatzinformationen). Molekularbiologische Grundlagen Wachstumsfaktor-Rezeptoren werden von vielen Krebszellen überproduziert. Sie setzen eine fatale Signalkette in Gang, die Ansatzpunkte für neuartige Krebsmedikamente bietet. Materialien Schülerinnen und Schüler lernen allgemeine Eigenschaften biologischer Signalsysteme kennen und identifizieren strategische Ziele für die Entwicklung von Wirkstoffen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Einblick in Regulationsmechanismen auf molekulare Ebene gewinnen. Mechanismen der Krebsentstehung und -entwicklung kennenlernen. allgemeine Eigenschaften biologischer Signalkaskaden am Beispiel der Rezeptor-Tyrosinkinasen kennenlernen. Wirkungsmechanismen neuartiger Krebsmedikamente verstehen. Die Unterrichtseinheit kann in das Wahlmodul "Krebs: Auslösende Faktoren, molekulare Mechanismen der Entstehung, Aspekte der Gesundheitserziehung, Zellzyklus und Apoptose" integriert werden. Eigenschaften von Krebszellen sollten bereits bekannt sein. Die Bedeutung der Bildung von Blutgefäßen (Angiogenese) für das schnelle Wachstum von Tumoren kann - falls nicht schon geschehen - im Rahmen dieser Unterrichtseinheit behandelt werden. Kenntnisse zur Apoptose sind hilfreich, aber nicht erforderlich. Fehlfunktionen verursachen Krankheiten Molekulare Regulationsmechanismen sind die Voraussetzung für Differenzierung und Organbildung und erhalten die Lebensfähigkeit eines Organismus. Wichtige Stellschrauben dieser molekularen Nachrichtensysteme sind Botenstoffe, die über das Blut oder die Gewebsflüssigkeit transportiert werden oder diffundieren. Sie binden nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an spezifische Rezeptoren auf der Oberfläche der Zielzellen und aktivieren komplexe Signalketten im Zellinneren. Diese steuern die Genaktivität und beeinflussen Eigenschaften und Verhalten der Zelle. Fehlfunktionen dieser Nachrichtensysteme haben fatale Folgen. Sie sind die Ursache aller Krebserkrankungen und vieler anderer Krankheiten. Wachstumsfaktoren binden an Rezeptor-Tyrosinkinasen Der Epidermale Wachstumsfaktor (epidermal growth factor, EGF) ist ein wichtiger Botenstoff. Die Bindung des Polypeptids an seinen Rezeptor stimuliert die Ausbildung verschiedener Zelltypen sowie Wachstum und Teilung der Zellen (Proliferation). Der EGF-Rezeptor (epidermal growth factor receptor, EGFR) gehört zur Familie der Rezeptor-Tyrosinkinasen. Diese einander sehr ähnlichen Transmembranmoleküle kommen beim Menschen auf allen Zellarten vor. Sie bestehen aus einem extrazellulären Bereich, der den Botenstoff bindet, einem die Membran durchquerenden Abschnitt und einem intrazellulären Bereich. Der intrazelluläre Bereich besitzt eine Kinase-Domäne mit ATP-Bindungsstelle. Kinasen sind Enzyme, die Phosphatgruppen von ATP auf die Hydroxylgruppen (-OH) anderer Moleküle übertragen. Tyrosinkinasen phosphorylieren Proteine und verändern dadurch deren Aktivität. Sie übertragen die Phosphatgruppe dabei auf die Hydroxylgruppe der Aminosäure Tyrosin. Aktivierung des Wachstumsfaktor-Rezeptors Die Bindung des Wachstumsfaktors an seinen Rezeptor bewirkt eine Änderung der Proteinstruktur. Aufgrund dieser Konformationsänderung lagern sich die Rezeptoren paarweise zusammen (Dimerisierung). Die intrazellulären Bereiche der Rezeptor-Dimere können sich dann über ihre Kinase-Aktivität gegenseitig phosphorylieren. Danach sind die Rezeptoren "scharf" und initiieren komplexe intrazelluläre Signalketten. Dies erfolgt sehr schnell: Bereits eine Sekunde nach der Bindung des Botenstoffs ist die intrazelluläre Signalkette aktiviert. Abb. 1 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt ein Rezeptor-Dimer (rot und gelb) mit gebundenem Botenstoff (hellblau) in der Zellmembran. Im Fall des EGF-Rezeptors wird ein Wachstumsfaktormolekül von zwei Rezeptoren gebunden. Andere Rezeptor-Tyrosinkinasen binden je ein Botenstoffmolekül pro Rezeptor (dieser Fall ist auf dem Arbeitsblatt der Unterrichtseinheit dargestellt, "ab_2_signalkette_bauelemente.pdf"). Das intrazelluläre Nachrichtensystem wird in Abb. 1 durch das Netzwerk unter der Zellmembran angedeutet. Die Grafik ist - wie alle Abbildungen in dieser Unterrichtseinheit - ein Screenshot aus einer Animation Prof. Dr. Axel Ullrich vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, die auch auf der MS Wissenschaft "Neue Wege in der Medizin" zu sehen ist. Überproduktion von Wachstumsfaktor-Rezeptoren in Krebszellen Bereits in den 1990er Jahren des vergangenen Jahrhunderts entdeckte man, dass Krebszellen vieler Tumore auf ihrer Oberfläche wesentlich mehr EGF-Rezeptoren als gesunde Zellen tragen. Zudem wiesen Tumore höhere EGF-Konzentrationen als gesunde Gewebe auf. Patienten, die zugleich Rezeptor und Wachstumsfaktor vermehrt bilden, haben besonders schlechte Heilungschancen (schnelles Tumorwachstum, verstärkte Bildung von Metastasen). Wissenschaftler erforschen die Nachrichtensysteme, mit denen Signale von der Zelloberfläche in das Zellinnere und in den Zellkern übermittelt werden. Das Verständnis dieser Signalketten und ihrer Fehlfunktionen ist der Schlüssel für die gezielte Entwicklung neuartiger Krebsmedikamente. Rezeptor-Tyrosinkinasen wie der EGF-Rezeptor spielen bei der Krebsentstehung eine wichtige Rolle und stehen im Fokus der Molekularbiologen und Mediziner. Rezeptor-Tyrosinkinasen stimulieren Wachstum und Teilung der Zellen. In gesundem Gewebe wird ihre Aktivität von hemmenden Kontrollmechanismen streng reglementiert. In Krebszellen haben diese negativen Kontrollinstanzen ihre Wirkung verloren. Die Rezeptor-Tyrosinkinasen sind immer aktiv und verursachen die unkontrollierte Vermehrung von Krebszellen (Proliferation). die Bildung von Blutgefäßen, die den Tumor mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgen (Angiogenese). die Hemmung des programmierten Zelltods (Apoptose), einem "Notfallprogramm", mit dem sich entartete Zellen selbst zerstören. die Wanderung von Zellen und somit die Bildung von Tochtergeschwülsten (Metastasen). Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München haben den ersten zielspezifischen Anti-Krebs-Wirkstoff entwickelt, der in die zelluläre Signalkette eingreift: Trastuzumab oder Herceptin (Handelsname). Die Substanz, ein monoklonaler Antikörper, wurde im Jahr 2000 in der Europäischen Union zugelassen. Er bindet an der Zellaußenseite an eine Rezeptor-Tyrosinkinase, die als Wachstumsfaktor-Rezeptor fungiert und in Krebszellen überproduziert wird. Durch die Bindung des Antikörpers wird die Bindung des Botenstoffs und so die Übertragung des Signals in die Zelle unterbunden (Abb. 2). Dies führt dazu, dass sich die Tumorzellen sich durch Apoptose - einem Notfallprogramm für die Selbstzerstörung entarteter Zellen - selbst zerstören können. Zudem führt die Antikörperbindung zur Rekrutierung von Immunzellen, die die Tumorzellen angreifen (Abb. 3). Ein weiterer Effekt von Herceptin ist auch die Hemmung der Angiogenese, also der Bildung von Blutgefäßen, die den Tumor mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgen. Für das schnelle Tumorwachstum ist der Anschluss an die Versorgungssysteme des Organismus eine wichtige Voraussetzung. Von den Krebszellen ausgesendete Botenstoffe stimulieren die Blutversorgung des Tumors. Der Einfluss von Herceptin auf das Nachrichtensystem der Krebszellen wirkt dem entgegen - der Tumor muss "hungern". Wirkstoffe mit einem geringen Molekulargewicht können in das Zellinnere gelangen und dort Zielmoleküle des zellulären Signalsystems angreifen. Eine solche Substanz wurde ebenfalls am Max-Planck-Institut für Biochemie entwickelt: Das Medikament Sunitinib (Handelsname Sutent, Zulassung in der Europäischen Union im Jahr 2006) verhindert die Bindung von ATP an die Kinase-Domäne der Rezeptor-Tyrosinkinasen (kompetitive Hemmung). In Abb. 4 ist Sutent orange, ATP grün dargestellt. Der Wirkstoff verhindert die für die Signalübertragung entscheidende Autophosphorylierung des Rezeptors. Wie Herceptin soll auch Sutent sowohl das Wachstum der Krebszellen, anti-apoptotische Mechanismen und auch die Neubildung von Blutgefäßen hemmen, die das schnelle Wachstum des Tumors ermöglichen (Abb. 5). Während der monoklonale Antikörper Herceptin per Infusion verabreicht werden muss, können Patienten den niedermolekularen Wirkstoff Sutent in Tablettenform zu sich nehmen. Die Kombination verschiedener Wirkstoffe ist ein wichtiger Schritt, um das Wettrennen gegen die schnelle Wandlungsfähigkeit von Krebszellen gewinnen zu können. Nachdem Rezeptor-Tyrosinkinasen als strategische Ziele für die Krebstherapie identifiziert waren, suchte man nach Substanzen, die an die ATP-Bindungsstelle der Kinasen binden und so die Enzymaktivität kompetitiv hemmen. In einem ersten Schritt wurden aus zehntausenden Molekülen diejenigen ausgewählt, deren Struktur (theoretisch) die Kriterien für eine Affinität zu der ATP-Bindungsstelle erfüllten. Die Vorauswahl wurde einem Wirkstoffscreening unterzogen. Die Strukturen der erfolgreichsten Substanzen wurden mithilfe der medizinischen Chemie weiter optimiert. Das Ergebnis, Sutent, bindet jedoch nicht nur an eine Rezeptor-Tyrosinkinase, sondern an die ATP-Bindungsstelle von mehr als 150 Kinasen! Die Substanz wirkt also als "Breitband-Kinase-Hemmer". Wissenschaftler versuchen heute, unter diesen Kinasen diejenige(n) zu identifizieren, auf die die anti-Krebs-Wirkung von Sutent zurückzuführen ist. In dem darauf folgenden Schritt gilt es dann, die Struktur des Wirkstoffs so zu verändern, dass er nur noch die für die Krebsbekämpfung relevanten Kinasen hemmt. Durch die Erhöhung der Spezifität können die Dosierung des Wirkstoffs und so auch die Nebenwirkungen reduziert werden. Herceptin und Sutent sowie viele andere Medikamente helfen heute, die Lebensqualität und die Überlebenschancen von Krebspatienten zu erhöhen. Wie weit die oben so klar beschriebenen Wirkungen und Zusammenhänge tatsächlich den zellulären Abläufen entsprechen, ist jedoch noch nicht vollständig erforscht. Ein Sieg über den Krebs ist noch nicht greifbar. Dies liegt an der Diversität der Krebszellen, ihrer Wandlungsfähigkeit und der Vielfalt der in ihnen außer Kontrolle geratenen Regulationsmechanismen. Ansatzpunkte für eine gezielte Krebstherapie Das erste Arbeitsblatt (ab_1_therapie_ansatzpunkte.pdf) weist auf den Zusammenhang zwischen der Überproduktion von Wachstumsfaktoren sowie ihrer Rezeptoren und der Bösartigkeit von Tumoren hin. Die Lernenden gliedern die Ereigniskette (Signal, Signalübertragung, Signalwirkung) und identifizieren strategische Angriffspunkte für eine gezielte Krebstherapie. Sie erkennen, dass für die Umsetzung die molekularen Grundlagen des zellulären Nachrichtensystems erforscht werden müssen. Die Signalkette "downstream" des Rezeptors Mit dem zweiten Arbeitsblatt lernen Schülerinnen und Schülern Details der Signalkette kennen, die von einer Rezeptor-Tyrosinkinase angestoßen wird. Sie sollen die im Arbeitsblatttext (ab_2_1_signalkette.pdf) beschriebene Abfolge der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Proteinen bildlich umsetzen (Partner- oder Kleingruppenarbeit). Die Vorgabe grafischer Elemente (ab_2_2_signalkette_bauelemente.pdf) sorgt dabei für einen "gemeinsamen Nenner" innerhalb des Kurses. Methodisch kann hier - je nach Gegebenheiten und Lerngruppe - ganz unterschiedlich vorgegangen werden. Schülerinnen und Schüler können die vorgegeben Bausteine der Signalkette zum Beispiel ausschneiden und "zusammenpuzzeln". Ergebnisse können dann mit entsprechenden Folienfragmenten am Tageslichtprojektor vorgestellt und im Plenum diskutiert werden. Schließlich kann die Lehrkraft eine Folie mit dem vollständigen Signalweg auflegen (ab_2_2_signalkette_bauelemente_loesung.pdf). Bei entsprechender technischer Ausstattung kann die Signalkette von den Lernenden von auch digital visualisiert werden - zum Beispiel als PowerPoint-Animation. Ähnlich wie in der Unterrichtseinheit Waffen im Kampf gegen AIDS können, aufbauend auf die Textarbeit, die fachlichen Inhalte mit der Kreativtechnik "Storyboard" intensiv reflektiert werden. Allgemeine Eigenschaften biologischer Nachrichtensysteme Bei der Übung kommt es natürlich nicht darauf an, Details der Signalkette zu vermitteln (von der die Darstellung ohnehin nur einen Ausschnitt zeigt). Vielmehr sollen Schülerinnen und Schüler ein Gefühl für die Natur komplexer biologischer Nachrichtensysteme entwickeln. Sie sollen erkennen, wie das Signal innerhalb der Zelle kaskadenartig vervielfältigt wird, indem ein aktiviertes Protein viele weitere Proteine aktiviert - wie bei einer Telefonkette (so zumindest stellt man sich das vor - experimentell belegt ist dies zurzeit noch nicht). Zudem sollen sie prinzipielle und in vielen biologischen Prozessen wiederkehrende "Schalter" für die Aktivität von Proteinen kennen lernen. Ein G-Protein und seine Zusammenarbeit mit einem membranständigen Rezeptor begegnet den Lernenden zum Beispiel auch bei der Signaltransduktion in den Sehzellen der Netzhaut. So lernen sie ein wichtiges Prinzip der Biologie kennen: Die Mehrfachverwertung bewährter molekularer Module und Konzepte in ganz verschiedenen Kontexten. Schließlich sollen die Schülerinnen und Schüler auf der Basis des von ihnen erstellten "Signal-Organigramms" argumentieren, warum es sinnvoll ist Wirkstoffe gegen Krebs zu entwickeln, die die Aktivierung der Rezeptor-Tyrosinkinase unterbinden und die nicht weiter "downstream" ansetzen.

In dieser Unterrichtseinheit wird die Löslichkeit von Gasen in Wasser mithilfe einfacher medizinischer Spritzentechnik untersucht und durch die kritische Hinterfragung von Werbeaussagen zu einem sauerstoffhaltigen "Powergetränk" kontextnah erarbeitet.Ausgehend von der Werbung für ein sauerstoffhaltiges Getränk wie ?Active O2? wird in der Sekundarstufe I untersucht, wie viel Sauerstoff sich in Wasser lösen kann. In der Oberstufe kann man anhand der Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser das Prinzip von Le Chatelier einführen und dieses dann auf das sauerstoffhaltige Getränk übertragen. Sämtliche Experimente lassen sich kostengünstig, sicher und unkompliziert mit medizintechnischen Geräten durchführen. Die Verknüpfung mit der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler ermöglicht neben einer Einführung der Löslichkeit von Gasen auch Berechnungen zu den Gasgesetzen oder zum Massenwirkungsgesetz. Dabei liefert der motivierende Aufhänger des Modegetränks ?Active O2? die Gelegenheit zur kritischen Auseinandersetzung mit Werbeaussagen. Klasse 9 und 10: Was ist dran am "Powergetränk"? Die Schülerinnen und Schüler untersuchen die in einem Getränk gelösten Gase, bestimmen die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser und hinterfragen die Werbeversprechen zum "Powergetränk". Jahrgangsstufe 11: Le Chatelier und die Kohlensäure Ausgehend vom Kontext "Kohlensäure in Getränkeflaschen" werden die Möglichkeiten zur Beeinflussung der chemischen Gleichgewichts untersucht, bevor das sauerstoffhaltige "Powergetränk" kritisch bewertet wird. Die Schülerinnen und Schüler sollen gemäß der Bildungsstandards (PDF-Download) im Kompetenzbereich "Fachwissen" die Löslichkeit von Gasen in Abhängigkeit verschiedener Parameter kennen lernen und diese beeinflussen (F3). gemäß der Bildungsstandards im Kompetenzbereich "Erkenntnisgewinnung" Versuche eigenständig entwickeln, durchführen und gegebenenfalls optimieren (E1-E5 und E8). gemäß der Bildungsstandards im Kompetenzbereich "Kommunikation" im Team Versuche durchführen, dokumentieren und fachsprachlich korrekt präsentieren (K3, K5 und K6). gemäß der Bildungsstandards im Kompetenzbereich "Bewertung" erkennen, dass wissenschaftlich anmutende Behauptungen in der Werbung häufig suggestiv wirken und zu bewerten sind. gemäß der Bildungsstandards im Kompetenzbereich "Bewertung" in die Lage versetzt werden, ihr Konsumverhalten kritisch zu hinterfragen (B3-6). Thema Das Prinzip von Le Chatielier - einmal anders Autor Gregor von Borstel Fach Chemie Zielgruppe Klasse 9 und 10, Jahrgangsstufe 11 Zeitraum Klasse 9 und 10 (Löslichkeit von Sauerstoff): 1 Stunde Jahrgangsstufe 11 (Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff): 2 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Abspielmöglichkeit für Videoclips, Kunststoffspritzen und Zubehör Planung Tabellarischer Verlaufsplan für Das Prinzip von Le Chatelier - einmal anders (Klasse 9 und 10 ) sowie Das Prinzip von Le Chatelier - einmal anders (Jahrgangsstufe 11) Gregor von Borstel und Andreas Böhm Le Chatelier einmal anders, Gleichgewichtsverschiebungen am Kontext Sprudelwasser, Naturwissenschaft im Unterricht Chemie, Heft 96, Sicher Experimentieren, 6/2006, S. 34-37 Gregor von Borstel und Andreas Böhm "Active O2" - Powerstoff mit Sauerstoff, kontextorientierte Prüfung von Werbeaussagen, MnU 59/7 (15.10.2006), S. 413-415 Seit 2001 ist "Active O2" auf dem Markt. Es handelt sich um ein "Sauerstoffwassergetränk", das, verglichen mit einem konventionellen Mineralwasser, mit der 15-fachen Menge an Sauerstoff angereichert ist. Nach den Angaben des Herstellers wird der Sauerstoff unter Veränderung der physikalischen Parameter Druck und Temperatur und unter starker Verwirbelung in das Wasser eingebracht. Der Sauerstoff ist dann physikalisch im Wasser gelöst. Nach dem Öffnen der Flasche dauert es überraschend lange, bis er langsam entweicht und sich ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt. "Active O2" ist gegenwärtig in der Sport- und Outdoor-Szene als "Powerstoff zum Auftanken" sehr gut positioniert und somit vielen Schülerinnen und Schülern bekannt. Ausgehend von der Werbung für das Getränk wird die Frage aufgeworfen, warum es so beliebt ist und was sich konkret hinter der Werbeaussage verbirgt, es enthalte 15-mal mehr Sauerstoff als herkömmliches Mineralwasser. Damit ist der Anreiz gegeben, das Getränk einmal genauer zu untersuchen. Active-O2-Homepage Auf der Webseite wirbt der Hersteller für die Vorzüge des Produktes. Partner- oder Gruppenarbeit Experimentell können die Schülerinnen und Schüler die Werbeaussage mit sehr einfachen medizintechnischen Plastikgeräten in Partner- oder Gruppenarbeit untersuchen: Welches Gas ist im Getränk gelöst? Alles Gas wird durch Auskochen aus dem Getränk ausgetrieben und aufgefangen. Das gewonnene Gas untersucht man durch einfache Nachweisreaktionen darauf, ob es sich im Wesentlichen um Sauerstoff handelt. Lösen von Sauerstoff in Wasser Einen etwas anderen Weg beschreitet man, wenn die Schülerinnen und Schüler untersuchen lässt, wie viel Sauerstoff sich tatsächlich bei Raumtemperatur und Normaldruck in Wasser löst. Austreibung und Nachweis gelöster Gase Das Gas kann direkt aus einer Getränkeflasche ausgetrieben werden. Will man die Flasche nicht öffnen, stülpt man über den Flaschenverschluss ein Stück eines abgequetschten, alten Fahrrad- oder Silikonschlauchs zur Abdichtung und durchbohrt Schlauch und Verschluss mit der Kanüle. Die Kanüle verbindet man gasdicht mit mehreren leicht laufenden Luer-Lock Spritzen zum Auffangen des Gases. Die Flasche wird dann im Wasserbad erwärmt. Um zu überprüfen, ob man neben Sauerstoff auch Kohlenstoffdioxid freisetzt, leitet man etwas Gas pneumatisch in ein Reagenzglas um und führt die Glimmspanprobe durch. Dann spritzt man den Rest des aufgefangenen Gases mithilfe einer flexiblen Kunststoffkanüle durch wenige Milliliter Kalkwasser. Prinzipiell kann man durch Überleiten über heißes Kupfer oder Eisen den freigesetzten Sauerstoff auch quantitativ erfassen. Wie viel Sauerstoff löst sich in Wasser? Sehr leicht kann man auch ohne Glasgeräte herausfinden, wie viel Sauerstoff sich bei Raumtemperatur und Normaldruck in einer vorgegebenen Menge Wasser löst. Dazu werden zwei Spritzen gasdicht miteinander verbunden. In die eine füllt man 40 Milliliter abgekochtes und auf Zimmertemperatur abgekühltes Wasser, in die andere im Überschuss Sauerstoff. Das Gas wird solange durch das Wasser gedrückt, bis sich kein weiteres löst. Verblüfft stellen die Schülerinnen und Schüler fest, dass dies in der Regel nur ein Milliliter ist. Damit wird die Aussage, dass in der Flasche 15-mal mehr Sauerstoff als in normalem Wasser enthalten sind, zugleich begreifbar und hinterfragt. Die Ergebnisse werden vorgestellt und festgehalten. Um wieder auf das Eingangsproblem zurückzukommen ("Wie ist die Werbeaussage zum ?Powergetränk' zu bewerten?"), kann man zum Vergleich ausrechnen, wie viel Sauerstoff man mit einem tiefen Atemzug aufnehmen kann. Vereinfachend geht man von einem maximalen Lungenvolumen von fünf Litern und einem Sauerstoffanteil in der Atemluft von 20 Prozent aus. Basierend darauf kann der mögliche Wirkungsgrad des Powergetränks bezüglich der Sauerstoffversorgung des Organismus über den Verdauungstrakt eingeschätzt, und auf die Frage hingelenkt werden, ob sich der Kauf des Getränkes aufgrund des versprochenen Sauerstoffgehaltes überhaupt "auszahlen" kann. Um den Slogan "Der Powerstoff mit Sauerstoff" weiter zu hinterfragen bietet es sich auch an, im Internet die Informationen des Getränkeanbieters mit seriösen Aussagen zu vergleichen (im Unterricht oder als Hausaufgabe). Zum Abschluss kann den Schülerinnen und Schülern die Frage gestellt werden, welche Auswirkungen die gefundenen Ergebnisse auf ihr Verbraucherverhaltens haben werden. Bei der Herleitung des für viele Sachverhalte grundlegenden Prinzips von Le Chatelier steht zunächst die Frage im Mittelpunkt, welche Parameter die Lage eines dynamischen Gleichgewichts beeinflussen. Herkömmlicherweise greift man in der Schule auf Versuche mit Stickstoffdioxid oder Kobaltchlorid zurück, die aufgrund der toxischen beziehungsweise kanzerogenen Eigenschaften nicht von den Schülerinnen und Schülern durchzuführen sind. In dieser Unterrichtseinheit werden die Möglichkeiten zur Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts am Kontext Kohlensäure eingeführt. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten dabei die meisten Versuche mit einfachen Plastikmaterialien aus der Medizintechnik völlig eigenständig (unter der Voraussetzung, dass sie mit dem Einsatz medizinischer Spritzentechnik im Chemieunterricht vertraut sind). Im Rahmen dieser als "Egg Race" bezeichneten Unterrichtsform können die Lernenden Experimente selbstständig entwickeln und so eigene Wege finden. Egg Races und Robinsonaden - kreatives Experimentieren Allgemeine Informationen und verschiedene Egg-Race-Ideen für den Chemieunterricht auf der Website des Autors. Spritzentechnik "ChemZ" Unterrichtsideen und Informationen zu der hier eingesetzten Spritzentechnik auf der Website des Autors. Filme zur Spritzentechnik und zum Kohlenstoffdioxid Videos zum Umgang mit medizinischer Spritzentechnik für Ungeübte (Lehrkräfte, Schülerinnen und Schüler) auf der Website des Autors. 1. Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid unter Normalbedingungen Der Einfluss von Druck und Temperatur auf die Löslichkeit von Gasen ist den meisten Schülerinnen und Schülern prinzipiell vertraut - zum Beispiel über Sodastreamer oder aufgewärmte Sprudelflaschen im Sommer. Was noch fehlt, ist eine quantitative Erfassung dieser Faktoren. Ausgehend vom Sprudelwasser wird die Frage aufgeworfen, wie viel Kohlenstoffdioxid sich in Wasser lösen kann. Mithilfe eines einfachen Versuchs untersuchen die Schülerinnen und Schüler dies zunächst unter Standardbedingungen (CO2_le_chatelier.pdf, Versuch 1). Die in den Schülerversuchen ermittelten Ergebnisse liegen in der Regel bei 20 bis 22 Milliliter gelöstem Kohlenstoffdioxid pro 25 Milliliter Wasser und damit nahe am Literaturwert. Die Ergebnissicherung beinhaltet zugleich die Frage, was beim Lösen passiert. Wenn man dazu die entsprechenden Reaktionsgleichungen festhält, lässt sich im Anschluss diskutieren, welche Parameter das Gleichgewicht beeinflussen könnten. Aufbauend auf Alltagserfahrungen mündet die Hypothesenbildung (Temperatur, Druck, pH-Wert) in weitere Versuche, die mit medizinischer Spritzentechnik durchgeführt werden können (CO2_le_chatelier.pdf, Versuche 2 bis 5). 2. Einfluss der Temperatur Die Schülerinnen und Schüler erstellen mit dem aus dem ersten Experiment bekannten Versuchsaufbau eine Messreihe mit abgekochtem Wasser unterschiedlicher Temperatur. Heißes Wasser wird in einer Thermoskanne bereitgestellt und mit bereits erkaltetem gemischt, um die gewünschten Wassertemperaturen zu erhalten. Aus Sicherheitsgründen sollte das verwendete Wasser nicht heißer als 50 Grad Celsius sein! Heizungsrohrisolierungen aus dem Baumarkt, die über die Spritzen gezogen werden können, gewährleisten, dass die Wassertemperatur während des Versuchs nur um wenige Grad abnimmt. 3. Einfluss von Druck Zur Untersuchung des Einflusses von Druck gibt man etwas Sprudelwasser in eine Spritze, verschließt diese und erzeugt durch Ziehen des Stempels einen Unterdruck. Etwas weiter geht die Variante mit Indikator (Unisol 113 für pH 1 bis 13, steht in den meisten Schullaboren zur Verfügung). Dazu wird eine Spritze wie folgt präpariert: Man zieht den Stempel maximal heraus und durchbohrt ihn mit einem erhitzten Nagel. Später wird der Nagel dann als "Riegel" benutzt, um den Stempel bei Unterdruck zu fixieren (siehe Grafik im Arbeitsblatt CO2_le_chatelier.pdf). Danach zieht man in diese Spritze zehn Milliliter abgekochtes Wasser mit Indikator (wenig) und sprudelt Kohlenstoffdioxid durch das Wasser, bis die Farbe gerade nach gelb umschlägt (etwa fünf Milliliter). Überschüssiges Kohlenstoffdioxid wird verworfen, und die Flüssigkeit auf zwei Spritzen verteilt. Beide Spritzen werden verschlossen. Eine dient später dem Farbvergleich. Der Stempel der präparierten Spritze wird maximal herausgezogen (Erzeugung eines Unterdrucks) und fixiert. Die Lösung wird geschüttelt. Zu beobachten ist das Ausperlen von Gas sowie ein deutlicher Farbwechsel, der auf eine Erhöhung des pH-Wertes von etwa 3 auf 5 zurückgeführt werden kann. Die Schülerinnen und Schüler schlagen bei der Untersuchung des Einflusses von Druck in der Regel zunächst vor, per Überdruck eine größere Löslichkeit des Gases zu erreichen. Die damit einhergehende pH-Wert Erniedrigung solle über einen Indikator sichtbar gemacht werden. Dies lässt sich in der Praxis jedoch nicht umsetzen, so dass man den hier beschriebenen, umgekehrten Weg der Druckerniedrigung und der Beobachtung von ausperlendem Gas wählen sollte. 4. Einfluss des pH-Wertes Auch in dieser Versuchsreihe wird mit abgekochtem Wasser gearbeitet, das durch Zugabe von Natronlauge/Salzsäure leicht sauer/alkalisch gemacht wurde. Man kann 0,1 bis 1-molare Lösungen verwenden. In 1-molarer Natronlauge löst sich mehr als zweieinhalb Mal soviel Kohlenstoffdioxid wie in abgekochtem Wasser. Auch wenn die Gefahr der Verätzung bei 0,1-molaren Lösungen auch sehr gering ist, müssen - wie bei allen Versuchen - die Sicherheitsvorschriften beachtet werden. Sollten Sie sich für den Einsatz höher konzentrierter Lösungen mit deutlicheren Ergebnissen entscheiden, müssen die Schülerinnen und Schüler insbesondere bei der Verwendung der Natronlauge auf die Verätzungsgefahr hingewiesen werden. 5. Gelöste Stoffe Wenn die Zeit reicht, können die Schülerinnen und Schüler auch noch den Einfluss gelöster Stoffe auf die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser untersuchen. Dabei bietet es sich an, eine Messreihe mit verschieden konzentrierten Kochsalzlösungen durchzuführen. Wenn die Schülerinnen und Schüler im Umgang mit medizinischer Spritzentechnik noch nicht geübt und der Egg-Race-Unterrichtsform noch nicht verraut sind, können sie "klassisch" mit Versuchsanleitungen versorgt oder unterstützt werden. Im Anschluss an die Sicherung der Ergebnisse erfolgt eine Verallgemeinerung. Anknüpfungspunkte bietet der Kalkkreislauf in Natur und Technik, der außerdem als Klausuraufgabe denkbar wäre. Zudem kann auch auf den Einfluss der Weltmeere auf den natürlichen Kohlenstoffdioxidkreislauf und den Treibhauseffekt eingegangen werden. Einen bewährten Schlusspunkt des Themas stellt die Untersuchung des vielen Schülerinnen und Schülern bekannten "Powergetränks Active O2" dar. Wie in den Ausführungen zur Bearbeitung des Themas in Klasse 9 und 10: Was ist dran am "Powergetränk"? beschrieben, können die Lernenden auch hier mithilfe medizinischer Spritzentechnik völlig eigenständig ermitteln, wie viel Gas in einer Getränkeflasche gelöst ist und wie viel Sauerstoff sich unter Normalbedingungen in Wasser löst. Die im Chemieunterricht sich selten bietende Gelegenheit des Transfers von Vorwissen zur kritischen Hinterfragung von Werbeaussagen sollte auf jeden Fall genutzt werden.