Diese Unterrichtseinheit zum Ökosystem Wald befasst sich mit dem Einfluss von Bergkiefernkäfern auf das Waldökosystem in Nordamerika. Im Rahmen des Klimawandels und der damit einhergehenden Prozesse kommt es auch zu gravierenden Veränderungen in den Ökosystemen. West- und Nordamerika zählen zum natürlichen Verbreitungsgebiet des Bergkiefernkäfers, jedoch breitet er sich in den letzten Jahren auch in die borealen Wälder Kanadas aus. Insbesondere wärmere Sommer und mildere Winter begünstigen die Ausbreitung und massenhafte Vermehrung der Käfer. Mithilfe von hyperspektralen Satellitenbildern und daraus abgeleiteten Vegetationsindizes erhalten die Schülerinnen und Schüler einen Überblick über die Möglichkeiten zur Erfassung von Käferschäden. Diese Erkenntnisse werden mit Hintergrundwissen zu den Themen hyperspektrale Fernerkundung, Interaktion zwischen Käfer und Baum sowie grundlegendes Wissen über Aufbau und Funktion der Sprossachse ergänzt. Das Projekt "Fernerkundung in Schulen" (FIS) des Geographischen Institutes der Universität Bonn beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II. Dabei entstehen neben klassischen Materialien auch Anwendungen für den computergestützten Unterricht. Einordnung in den Lehrplan Der Lehrplan Biologie für die Sekundarstufe I sieht in Nordrhein-Westfalen das Inhaltsfeld "Energiefluss und Stoffkreisläufe" mit dem Bereich "Erkundung und Beschreibung eines ausgewählten Biotops (Produzenten, Konsumenten, Destruenten)" sowie das Inhaltsfeld "Angepasstheit von Pflanzen und Tieren an die Jahreszeiten" mit dem Bereich "Entwicklung exemplarischer Vertreter der Wirbeltierklassen und eines Vertreters der Gliedertiere" vor. Die Betrachtung von Wäldern aus Satellitenperspektive bietet sich innerhalb dieses Themenkomplexes besonders an, da anhand der Bilder anschaulich gezeigt werden kann, wie großflächige Vegetationsmuster unter dem Einfluss auch der kleinsten sichtbaren Lebewesen stehen und von ihnen beeinflusst werden. Die eingesetzte Methodik der zeitlichen Veränderung eines Vegetationsindexes orientiert sich dabei stark an tatsächlich in der Wissenschaft eingesetzten Techniken. Zudem wird in diesem Zusammenhang im Lehrplan Biologie die Nutzung digitaler Medien explizit gefordert. Sie sollen bei der Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten sowie bei der Darstellung und der Simulation fachlicher Sachverhalte ebenso eingesetzt werden wie bei der Suche nach Informationen, der Präsentation und der Kommunikation von Überlegungen und Ergebnissen. Zielsetzung Das Ziel der Unterrichtseinheit "Ökosystem Wald: kleiner Käfer, großer Schädling" besteht darin, grundlegende Funktionen und Zusammenhänge im Waldökosystem und durch den Klimawandel induzierte Veränderungen zu verstehen. Ferner schult die Unterrichtseinheit den Umgang mit abstrakten Darstellungen (Satellitenbild) von bekannten Landschaftseinheiten. Inhalte und Einsatz im Unterricht Hier erhalten Sie Hinweise zum Aufbau der Lernumgebung "Ökosystem Wald: kleiner Käfer, großer Schädling". Die Abbildungen veranschaulichen die Funktionen und die interaktiven Übungen zu den Themenfeldern "invasive Arten" und "Waldökosystem". Die Schülerinnen und Schüler interpretieren hyperspektrale Satellitenbilder und leiten aus ihnen den Befall mit Bergkiefernkäfern ab. beschreiben den Einfluss von Bergkiefernkäfern auf das Waldökosystem. bekommen ein Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Klimawandel, Käferbefall und Abwehrmechanismen der Bäume. Computereinsatz und technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit "Okösystem Wald: kleiner Käfer, großer Schädling" bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik durch Animation und Interaktion zu vermitteln. Den Lernenden wird der Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern als nützliches Werkzeug nähergebracht. Die interaktive Lernumgebung ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Auf Windows-Rechnern wird das Modul durch Ausführen der Datei "Kleiner_Käfer_großer_Schädling.exe" gestartet. Unter anderen Betriebssystemen wird die Datei "Kleiner_Käfer_großer_Schädling.html" in einem Webbrowser geöffnet. Hierfür wird der Adobe Flash Player benötigt. Wichtig ist in beiden Fällen, dass die heruntergeladene Ordnerstruktur erhalten bleibt. Der jeweils aktivierte Bereich wird auf der unteren Leiste der Lernumgebung eingeblendet (Abbildung 1). Während der erste Teil einen Einblick in die Thematik liefert und eine übergeordnete Aufgabenstellung benennt, gliedert sich der Rest des Moduls in zwei Sequenzen: Der erste Teil bietet Hintergrundinformationen zum Thema "Ökosystem Wald". Im zweiten Teil werden die Schüler aktiv und wenden eigenständig Bildbearbeitungsmethoden zur Lösung von entsprechenden Aufgaben an. Den Abschluss eines jeden Bereichs bildet ein Quiz. Erst nach dem Bestehen dieser kleinen Übung wird der folgende Teil der Lernumgebung zugänglich und erscheint in der Seitenleiste. Danach ist auch ein Springen zwischen den Teilbereichen möglich. Inhalte im Überblick 1. Einleitung Nach dem Start des Lernmoduls sehen die Schülerinnen und Schüler einen Einführungskasten, der kurz in das Thema "Invasive Arten" einleitet und den Aufbau der Lernsequenz erklärt. Das Bild zeigt deutlich die Schäden, die der Bergkiefernkäfer in Colorado (USA) verursacht hat. Der erste Teil des Lernmoduls legt als Hintergrundwissen die Grundlagen für die spätere Arbeit mit den Satellitenbildern im zweiten Modulteil. In diesem Teil werden grundlegende Inhalte vermittelt, wie zum Beispiel der Unterschied zwischen multispektralen Satellitenbildern - sie enthalten nur wenige Kanäle, die bestimmte Spektralbereiche repräsentieren - und hyperspektralen Bildern, die weit über hundert verschiedene Kanäle umfassen können. So ist es mit der hyperspektralen Fernerkundung beispielsweise möglich, den Wasser- und Chlorophyllgehalts in Blättern aus dem All zu bestimmen. Nach dieser Einführung in die Fernerkundung erhalten die Schülerinnen und Schüler einen Überblick über die Lebensgewohnheiten und die systematische Einordnung des Bergkiefernkäfers. Ferner wird der Aufbau der Sprossachse von Nadelbäumen kurz erklärt. Dies ist wichtig, da die Schülerinnen und Schüler nur so nachvollziehen können, warum ein Käferbefall zum Absterben des Baumes führt. Im zweiten Modulteil stehen den Schülerinnen und Schülern mehrere Einzelbilder zur Verfügung, die verschiedene Kanäle repräsentieren. Die aufgenommenen Szenen zeigen das Gebiet rund um den Grand Lake (Rocky Mountain National Park Colorado USA). Die Bilder stammen vom amerikanischen Satellitensensor Hyperion EO-1. Ein Pixel deckt 90 qm ab; man kann also nicht viel erkennen. Erst durch die Berechnung des Vegetationsindex NDVI wird deutlich, wo gesunde Pflanzen zu finden sind: Besonders hohe NDVI-Werte deuten auf einen guten Gesundheitszustand der Vegetation hin. Durch den Käferbefall vertrocknen die Bäume und sterben sukzessive ab. Dieser Prozess geht mit einer Abnahme des Chlorophyllgehalts und somit des NDVI einher. Diese Veränderungen lassen sich gut im Satellitenbild erkennen. Es stehen insgesamt zwei EO-1 Hyperion-Bilder mit jeweils zwei Kanälen für das Jahr 2004 und 2012 zur Verfügung. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich in einem ersten Schritt mit den ungewöhnlichen Aufnahmen vertraut machen. In einem zweiten Schritt sollen sie die NDVI-Werte innerhalb der Waldgebiete berechnen und vergleichen. Dazu können sie die Differenz zwischen den beiden NDVI-Bildern (2004 und 2012) berechnen. Abschließend können sie Waldgebiete identifizieren, in denen sich der NDVI-Wert signifikant verändert hat (weiße Flächen). Die Schülerinnen und Schüler können so relativ einfach vom Käfer befallene Flächen ausmachen und quantifizieren. Ziel ist es, dass sie lernen, die im Differenzbild enthaltenen abstrakten Informationen einem konkreten Prozess (Käferbefall) zuzuordnen. Haben die Schülerinnen und Schüler die Veränderungsdetektion durchgeführt und die gestellten Aufgaben beantwortet, können sie durch Beantworten der Fragen im zweiten Quiz die Bearbeitung des Moduls abschließen.