Nanotechnologie gilt als eine der großen Fortschrittshoffnungen des 21. Jahrhunderts. Diese Unterrichtseinheit lädt ein, dem Begriff Nano auf die Spur zu kommen und einige wichtige Zusammenhänge für den Einstieg in die Thematik zu erkennen.Nach "Mikro" und "Mega" erfreut sich "Nano" heute in der Techniksprache großer Beliebtheit: Von der Wissenschaftssendung bis zum iPod ist das Wort allgegenwärtig. Nano ist einerseits Verheißung (weniger Krankheiten, mehr Reichtum und ein komfortables Leben ohne Kratzer im Autolack und Kalkablagerungen in der Badewanne), andererseits gibt es auch Ängste (lungengängige Partikel, mangelnde Abschätzung der Folgen). Die Annäherung an die "Nanowelt" erfolgt in dieser Unterrichtseinheit über den Begriff und die Kenntnis einiger wichtiger Anwendungsfelder der Nanotechnologie.Die Schülerinnen und Schüler überlegen zunächst im Plenum, wo ihnen das Wort Nano im Alltag begegnet ist. Anschließend tauchen sie interaktiv in die "Nanowelt" ein und erkennen, um welche Größenordnung es geht. Im nächsten Schritt erkunden sie, welche Anwendungsgebiete für Nanotechnologie es gibt, und finden exemplarisch Lösungen und Pläne aus der Materialkunde, der Medizin, und der Informationstechnologie. Eine vertiefende Beschäftigung mit der Nano-Forschung und möglichen Lösungen findet am Beispiel des Lotus-Effekts und der Frage statt, wie Insekten und andere Tiere die Schwerkraft überwinden können. Ablauf der Unterrichtseinheit Die Unterrichtseinheit nutzt Informationen und Präsentationen aus dem Internet. Umfang und fachliche Tiefe können flexibel gestaltet werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen sich ein Bild davon machen, wo sich die "Nanowelt" (Moleküle und Atome) befindet. herausfinden, welche Anwendungsfelder von Nanotechnologie es gibt. erkennen, wie in der Nanotechnologie von der Natur abgeschaut wird. einfache Phänomene wie den Lotus-Effekt kennenlernen. sich mit dem Risiken von Nanomaterialien für Mensch und Umwelt auseinandersetzen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Informationen selbstständig nach Vorgaben im Internet finden. Textinformationen auswerten. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen, Modebegriffe nach ihrem tatsächlichen Inhalt zu hinterfragen. Thema Nano! Nutzen und Visionen einer neuen Technologie Autor Michael Fiedler Fach Chemie/Biologie/Physik Zielgruppe Klasse 8/9 aller Schulformen, empfohlen für Gymnasien und Gesamtschulen Zeitraum 5 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetzugang für Einzel- und Gruppenarbeit Inhalt Das Arbeitsblatt fragt zunächst das vorhandene Wissen zum Thema Nano ab. Der Begriff dürfte für die meisten Schülerinnen und Schüler nicht neu sein. Deshalb können auf diese Weise bereits etliche Facetten des Themas deutlich werden. Das Arbeitsblatt 1 regt dazu an, nachzudenken, wo überall im Alltag der Begriff Nano auftaucht, beispielsweise iPod Nano, Fernsehsendung, allerlei Putz- und Pflegemittel, Farben. Falls die Suche nicht ergiebig genug ist, können die Schülerinnen und Schüler eine Internetrecherche anschließen. Inhalt Ein Nanometer ist 10 -9 m klein. Mithilfe einer sehr gut umgesetzten Internetseite nähern sich die Schülerinnen und Schüler diesem Maßstab an. Weitere Reiseangebote Zwei weitere "Reiseangebote" in den Nanokosmos sind technischer, zeigen das Innere eines Notebooks und einer LED-Beleuchtung. Die drei Reisen in die Nanowelt ergänzen das Arbeitsblatt 1 und bereiten das Arbeitsblatt 3 vor. nanoreisen.de Von dieser Website aus starten die Lernenden ihre Reisen in die Nanowelt. Inhalt Die Schülerinnen und Schüler finden mithilfe einer weiteren Internetseite heraus, auf welchen Feldern die Nanowelt erforscht wird: von der Materialkunde über die Medizin bis hin zur Sport- und Freizeit. Arbeitsmaterial Die Schülerinnen und Schüler lernen verschiedene Forschungsansätze und Anwendungsgebiete kennen und stellen fest, dass es sicht um eine Querschnittstechnologie handelt, die in vielen Bereichen eingesetzt werden kann. Inhalt Die Schülerinnen und Schüler finden auf einer Internetseite Informationen über die Erforschung eines Phänomens in der Natur: Insekten und andere Tiere scheinen die Schwerkraft überwunden zu haben. Für die Forscherinnen und Forscher ist die Natur Lehrmeisterin. Die Lernenden erkennen damit eine wichtige Forschungsstrategie und können anhand des Beispiels nachvollziehen, wie die gewonnenen Erkenntnisse in der Nanotechnologie umgesetzt werden. Arbeitsmaterial Arbeitsblatt 4 leitet zu der Frage hin, wie es Insekten und Geckos möglich ist, scheinbar schwerelos an Decken und Wänden zu kleben. Der Link führt zu einem Text, der genau dies erklärt. Inhalt Die Schülerinnen und Schüler finden auf dem Arbeitsblatt die Anleitung für ein einfaches Experiment zum Lotus-Effekt. Arbeitsmaterial Mit Arbeitsblatt 5 erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass Wassertropfen sich auf unterschiedlichen Oberflächen unterschiedlich verhalten. Sie stellen fest, dass das Wasser vom Kohlrabiblatt rückstandsfrei abläuft, vom Salatblatt dagegen nicht. Durch Reiben wird die Oberflächeneigenschaft des Kohlrabiblatts zerstört. Inhalt Die Schülerinnen und Schüler betätigen sich in dieser Phase als Risikoforscher. Dabei sollen sie erkennen, dass Nanomaterialien - wie viele andere chemische Stoffe auch - Risiken für Mensch und Umwelt mit sich bringen können. Diese müssen systematisch erforscht werden, um unsere Sicherheit als Arbeitnehmer, Verbraucher und Bürger zu schützen. Arbeitsmaterial Arbeitsblatt 6 macht die Schülerinnen und Schüler zu Risikoforschern. Sie sollen auf der Internetseite herausfinden, wie die von Nanomaterialien eventuell freigesetzten ultrafeinen Partikel in den menschlichen Körper und in die Umwelt gelangen können. Schließlich lernen die Schülerinnen und Schüler mit Exposition und Gefährdungspotenzial die zwei wesentlichen Säulen einer Risikobeschreibung kennen.

In der Unterrichtseinheit zum Thema "Die fünf Säulen des Islam" lernen die Schülerinnen und Schüler mittels fünf lebensnaher Geschichten den Hintergrund der islamischen Praxis kennen. Die Geschichten sind systematisch aneinander gekoppelt, sodass ein einheitliches Lernen ohne Abschweifungen gewährleistet ist. Die Vermittlung von Grundwissen über den Islam gehört heutzutage zur Schulwirklichkeit jeder Schulform. Unabhängig vom Schulfach vollziehen die betroffenen Lehrkräfte diese Aufgabe durch eine althergebrachte Erläuterung der "Fünf Säulen des Islam" als gewissermaßen tiefer Einblick in die islamische Lebenspraxis. Der Nachteil dabei: Sowohl muslimische als auch nicht-muslimische Schülerinnen und Schüler erleben diese Begegnung mit dem Islam als langweilig, sodass die Qualität der erhofften Horizonterweiterung eher schlecht als recht ausfällt. Die Unterrichteinheit wurde Schülerzentriert aufgezogen, sodass verschiedene Methoden zum Einsatz kommen und die Schülerinnen und Schüler hinterfragende Diskussionsmöglichkeiten bekommen, indem sie dazu animiert werden, sinnfindende und tiefgehende Fragen zu stellen. Zudem wurden die Aufgaben so konzipiert, dass sie sowohl nach Leistungsstärke der Lerngruppe und nach Lernziele des jeweiligen Faches flexibel umsetzbar sind, als auch für die Binnendifferenzierung in der Schwierigkeitsstufe variabel gestaltet werden können. Hintergrundinformationen zur Unterrichtseinheit "Die fünf Säulen des Islam" Die Unterrichtseinheit ist in vielen Fächern einsetzbar. Weitere Informationen zur Konzeption der Sequenz finden Sie hier. Ablauf der Unterrichtseinheit "Die fünf Säulen des Islam" Die Schülerinnen und Schüler lernen die Hintergründe der islamischen Praxis anhand von fünf lebensnahen Geschichten kennen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erweitern ihren vorhandenen Erfahrungshorizont über den Islam. nehmen den Islam als eine lebendige Religion wahr. revidieren gegebenenfalls ihr negatives Islambild. schlagen neue Wege zum interreligiösen Dialog ein. bauen ihre Hemmungen und Vorurteile über Muslime ab. reproduzieren nicht nur das Wissen über die islamischen Regeln/Vorschriften, sondern können vielmehr deren Sinn und Wirkung im Leben erkennen und darüber diskutieren. können die Entstehung des Islam und die Ursprünge der islamischen Regeln erfassen. lernen den Islam als eine transparente Religion kennen. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler werden zum freundlichen und rücksichtsvollen Umgang im Gespräch animiert. werden dazu ermutigt, eigene Fragen zum Islam zu stellen. erwerben die Kompetenz zum eigenverantwortlichen Lernen und Recherchieren. erproben das kooperative Lernen. Die Lernziele des Faches Islamkunde (NRW) beziehungsweise Islamunterricht (Bayern und andere) und die Interessen der muslimischen Schülerinnen, Schüler und Eltern wurden gesondert beachtet. Zugleich wurde aber dabei bedacht, dass die Unterrichtseinheit nicht nur in Islamkunde oder im Islamunterricht einsetzbar ist, sondern auch in anderen Fächern wie evangelischer und katholischer Religionsunterricht, Ethik und Praktische Philosophie eingesetzt werden kann. Sie kann sogar in Geschichte, Gesellschaftslehre und Politik Verwendung finden. Denn das Thema "Die fünf Säulen" ist "der Bereich", auf den nicht verzichtet werden kann, wenn der Themenkomplex "Islam" behandelt wird, gleich von welcher Perspektive auch immer. Wenig Verständnis für religiöse Andersartigkeit Die Schülerschaft geht zuweilen mit den religiösen Werten der eigenen und anderer Kultur recht gleichgültig um. Während nicht-muslimische Schülerinnen und Schüler oft wenig Verständnis für die religiöse Andersartigkeit ihrer muslimischen Mitmenschen aufbringen, ist der Wissenstand der muslimischen Schülerinnen und Schüler über die eigene Religion meist gering. Wege für ein friedliches Zusammenleben ebnen Auf beiden Seiten besteht demzufolge der Bedarf nach einem neuzeitlich geprägten Zugang zum Islam, der einerseits transferfähiges Wissen für die Lebenswirklichkeit anbietet und andererseits neue Wege für das friedliche Zusammenleben ebnet. Ein großer Beitrag für die lang ersehnte Integration auf Schul- und Schülerebene, die nur dann gelingen kann, wenn das Thema aus verschiedenen Blickwinkeln differenziert behandelt wird. Von Experten entwickelt Sicherlich gibt es etliche Materialien zum Thema "Die fünf Säulen" in deutscher Sprache, aber sie betrachten das Thema von außen her und geben keine Binneneinsicht. Die Verfasser dieser Einheit dagegen agieren in diesem Zusammenhang nicht nur als muslimische Autoren, sondern auch als Pädagogen, islamische Theologen und zugleich als Islamwissenschaftler, die mehrere Erfahrungswerte in die Materialien einfließen lassen. Verwendung von Originalquellen So wurde bei der Entwicklung der Unterrichtseinheit auf die Originalquellen des Islam zurückgegriffen und die Quellen der Hadithe, die in der Unterrichtseinheit verwendet wurden, gesondert angegeben. Historische und kontextuelle Einbettung Zudem ist eine weitere Besonderheit dieser Unterrichtseinheit, dass sie die Anfänge des Islam und die Entstehungsphase dieser Religion erfassbar und erfahrbar macht. Und zwar als pädagogisch ausgearbeitetes Thema, das nicht in einem beziehungslosen, farblosen und schwerelosen Raum schwebt, sondern mit einem historischen Hintergrund unterlegt wird. Anbindung ans Curriculum Diese Unterrichtseinheit ist eine Einführung und allgemeine Betrachtung der fünf Säulen, wie es im Kerncurriculum für Islamkunde im 5. Jahrgang vorgesehen ist. Im gleichen Curriculum kommen die einzelnen Säulen verteilt auf die nachfolgenden Jahrgangstufen als seperate Themeneinheiten ebenfalls vor. Die Autoren werden demnächst nach der Vorlage des Curriculums sukzessiv weitere Unterrichtseinheiten für die einzelnen Säulen veröffentlichen. Die Schülerinnen und Schüler steigen mit einer Szene aus der Schulwirklichkeit in das Thema ein und machen anschließend eine Zeitreise bis zu den Anfängen der islamischen Historik. Währenddessen agieren sie als Beobachter, Moderator oder Kommentator der Zeitreise, um aus der eigenen Perspektive heraus mit Feststellungen, Meinungen oder Kritiken einen reproduzierten und reflektierten Wissenszuwachs zu erzielen. Da die Unterrichtssequenzen baukastenartig konstruiert sind, kann man sie auch separat in Anspruch nehmen, um gezielt auf einen bestimmten Aspekt in puncto Islam einzugehen. Insofern versteht sich das Gesamtkonzept in fachdidaktischer Hinsicht als pädagogisch universell anwendbar. Zunächst werden die Lernenden dort abgeholt wo sie sind, indem anhand einer Szene aus der Unterrichtswirklichkeit an ihre Vorkenntnisse und Vorstellungen angeknüpft wird. Die Lernenden sollen nicht nur die fünf Säulen des Islam erfassen und kurz definieren können, sondern auch in Bezug auf ihre lebhafte Neugierde hinterfragende, weiterführende und reflektierende Fragen stellen. Die Lernenden erfahren, wie die fünf Säulen des Islam entstanden sind und gehen der Frage nach, warum diese Pflichten für die islamische Glaubensgemeinschaft solch eine tragende Rolle spielen. Diese Unterrichtseinheit ist eine Einführung und allgemeine Betrachtung der fünf Säulen des Islam. Die Autoren werden demnächst sukzessiv weitere Unterrichtseinheiten für die einzelnen Säulen erarbeiten.

Schülerinnen und Schüler entwickeln für ein Fallkapselsystem eine Versuchsanordnung, mit der sie die Bewegung einer Stahlkugel und einer Luftblase in Glycerin mit und ohne Gravitation untersuchen können. Sie erstellen Videofilme und werten diese aus. Ein ins Wasser gefallener Stein sinkt nach unten, während eine dabei entstehende Luftblase nach oben steigt. Beide Bewegungen werden durch die Gravitationskraft verursacht. Die Auswirkungen, die ein plötzlicher Wegfall der Gravitationskraft auf die Sink- und Steigbewegung von Objekten in Flüssigkeiten hat, können Schülerinnen und Schüler mit einem Fallkapselsystem untersuchen. Als Beispiel wird die Bewegung einer Stahlkugel und einer Luftblase in Glycerin betrachtet. Mikrogravitations-Experimente können in der Schule mit einem System durchgeführt werden, dessen Aufbau in dem Beitrag Mikrogravitation - Experimente im freien Fall ausführlich beschrieben wird. Schülerinnen und Schüler verbinden mit dem Begriff Schwerelosigkeit häufig bewegungsloses Schweben im Raum. Dies lässt sich mit dem Fallkapselsystem schwer realisieren, weil frei bewegliche Objekte beim Startvorgang nahezu unvermeidlich einen Impuls erhalten und sich somit im Raum gleichförmig bewegen. Ein bewegungsloser Schwebezustand lässt sich jedoch leicht herstellen, wenn man den Körper in eine Flüssigkeit einbettet, denn dadurch wird der Anfangsimpuls des Objekts durch Reibung schnell abgebaut. Aufbau, Ergebnisse und Deutung des Versuchs Videobilder dokumentieren die Veränderungen des Verhaltens von Stahlkugel und Luftblase bei Eintritt der Mikrogravitation. Neben der Deutung der Effekte finden Sie hier weiterführende Fragen, die die Lernenden zu eigenständigem Experimentieren anregen. Die Schülerinnen und Schüler sollen ein Experimentiermodul für eine Fallkapsel konstruieren können, mit dem sie die Sinkbewegung einer Stahlkugel und die Steigbewegung einer Luftblase in Glycerin beobachten können. die Bewegung von Luftblase und Stahlkugel vor und nach dem Start der Fallkapsel mit einer Digitalkamera filmen können und aus den Videofilmen mit einem Computerprogramm Videobilder extrahieren können. die Bewegung von Stahlkugel und Luftblase in Glycerin bei normaler Gravitation mit den Kräften der Gravitation, des Auftriebs und der Reibung erklären können. erklären können, warum Stahlkugel und Luftblase bei Mikrogravitation bis zum Stillstand abgebremst werden. Thema Bewegung einer Stahlkugel und einer Luftblase in Glycerin bei normaler Gravitation und bei Mikrogravitation Autor Dr. Volker Martini Fach Physik Zielgruppe Jahrgangsstufen 9-11 Zeitraum 2 Doppelstunden oder freie Zeiteinteilung außerhalb des Unterrichts Technische Voraussetzungen Mikrogravitation - Experimente im freien Fall mit Digitalkamera; Computerprogramm zum Extrahieren von Videobildern aus einem Videofilm (MAGIX Video deluxe 15 oder vergleichbare Software) Der Versuchsaufbau ist in Abb. 1 dargestellt: Stahlkugel (1), Drahtsperre (2), Glycerin (3), Luftblase (4), Luftkammer (5), Zuflussrohr (6). Das quaderförmige Gefäß aus durchsichtigem Plastik ist mit Glycerin gefüllt. Am Boden befindet sich eine Luftkammer mit zwei röhrenförmigen Öffnungen, von denen eine seitlich und die andere oben angebracht ist. Durch die seitliche Öffnung fließt Glycerin in die Kammer, welches die darin befindliche Luft durch die obere Öffnung drückt. Dort entstehen Luftblasen, die im Glycerin aufsteigen. Die Anzahl der pro Sekunde gebildeten Luftblasen hängt davon ab, wie schnell das Glycerin in die Kammer fließt. Dies lässt sich durch Röhrchen mit verschiedenen Querschnitten regulieren. In den oberen Teil des mit Glycerin gefüllten Gefäßes ragt eine Röhre, durch welche die Stahlkugel fallen kann. Die Röhre ist vor dem Start des Experiments durch einen lose angebrachten Sperrdraht verschlossen. In der Startposition des Fallkapselsystems lässt man Luftblasen im Glycerin aufsteigen und startet die Videokamera. Dann entfernt man den Sperrdraht und die Stahlkugel fällt in das Glycerin. Man wartet noch einen kurzen Moment, bis die Stahlkugel etwa die halbe Strecke im Glycerin zurückgelegt hat und lässt dann das Fallkapselsystem frei fallen. Sinkende Stahlkugel und aufsteigende Luftblase Abb. 2 zeigt Videobilder von Luftblase und Stahlkugel kurz vor und nach dem Start des Fallkapselsystems. Links ist ein Maßstab zu sehen. Auf dem ersten Bild, das 0,6 Sekunden vor dem Start aufgenommen wurde, befinden sich Luftblase und Stahlkugel seitlich gegeneinander versetzt ungefähr in der Bildmitte. Auf den drei folgenden Videobildern, die in einem zeitlichen Abstand von je 0,2 Sekunden aufgenommen wurden, ist zu erkennen, dass die Stahlkugel mit konstanter Geschwindigkeit sinkt. Auch die aufsteigende Luftblase bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit. Das vierte Bild wurde zum Zeitpunkt des Starts aufgenommen. Vergleicht man dieses Bild mit den beiden folgenden, so sieht man, dass Stahlkugel und Luftblase gleich zu Beginn der einsetzenden Mikrogravitation abrupt gestoppt werden und sich nicht mehr bewegen. Entstehende Luftblase Am unteren Rand der Videobilder sieht man die Austrittsöffnung der Luftkammer mit einer sich neu bildenden Luftblase. Anfangs vergrößert sich die Luftblase gleichmäßig von Bild zu Bild. Nach dem Start des Fallkapselsystems wächst sie schnell an und wird größer als die zuvor aufgestiegenen Luftblasen. Verhalten der Stahlkugel bei normaler Gravitation Nach dem Eintauchen der Stahlkugel in das Glycerin erfährt sie neben der Gravitationskraft eine Auftriebskraft, die ebenfalls auf die Gravitation zurückzuführen ist. Beide entgegengesetzt gerichteten Kräfte wirken in ihrer Summe nach unten. Hinzu kommt eine nach oben gerichtete Reibungskraft, die im Gegensatz zu den beiden erstgenannten Kräften geschwindigkeitsabhängig ist. Kurz nach dem Eintauchen der Stahlkugel in das Glycerin stellt sich ein Gleichgewicht der Kräfte ein, bei dem die im Experiment beobachtete gleichbleibende Geschwindigkeit erreicht wird. Verhalten der Luftblase in Glycerin bei normaler Gravitation Auch für die aufsteigende Luftblase besteht ein Gleichgewicht zwischen der nach oben wirkenden Auftriebskraft und der diesem Fall nach unten wirkenden Reibungskraft. Die auf die eingeschlossene Luft wirkende Gravitationskraft kann man vernachlässigen. Dies hat zur Folge, dass sich die Luftblase ebenfalls mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Stahlkugel und Luftblase in Glycerin bei Mikrogravitation Nach dem Start des Fallkapselsystems entfallen die Gravitationskraft und die durch sie bedingte Auftriebskraft. Die einzig verbleibende Reibungskraft bremst Stahlkugel und Luftblase schnell ab. Entstehende Luftblase bei Mikrogravitation Die Luftblase, die sich an der Austrittsöffnung der Luftkammer bildet, wächst zunächst gleichmäßig an, weil infolge des hydrostatischen Drucks Glycerin durch die seitliche Öffnung in die Kammer gepresst wird. Die unter erhöhtem Druck stehende Luft tritt durch die obere Öffnung aus, weil hier der hydrostatische Druck wegen der höheren Lage etwas geringer ist als in der seitlichen Öffnung. Nach dem Start des Fallkapselsystems verschwindet mit dem Wegfall der Gravitation auch der hydrostatische Druck im Glycerin. Die in der Luftkammer nach wie vor unter Druck stehende Luft bläht die Luftblase weiter gegen einen geringeren Widerstand auf, der jetzt im Wesentlichen von der Oberflächenspannung des Glycerins herrührt. Wegen der fehlenden Auftriebskraft bewegt sie sich nicht mehr nach oben. Die folgenden Fragen geben den Schülerinnen und Schülern Anregungen für vertiefende Untersuchungen. Von besonderer Bedeutung sind Fragen, die durch eigenständiges Experimentieren beantwortet werden können: Mit welcher Geschwindigkeit sinkt die Stahlkugel? Wie groß ist die Viskosität des verwendeten Glycerins, wenn man das Reibungsgesetz von Stokes zugrunde legt? Welche Temperatur hat das Glycerin? Gilt das Reibungsgesetz von Stokes auch für die Luftblase? Wie ändert sich das Verhalten von Stahlkugel und Luftblase, wenn man das Glycerin mit Wasser verdünnt? Die aufsteigenden Luftblasen verursachen in der Flüssigkeit eine Strömung. Wie lässt sich diese nachweisen? Beeinflusst die Strömung das Sinkverhalten der Stahlkugel? Wie ändert sich die Strömung in der Flüssigkeit beim Übergang zur Mikrogravitation? Verwendet man statt Glycerin Wasser, so sind die Luftblasen kurz nach dem Verlassen der Luftkammer nicht kugelförmig. Welche Formen treten auf und wie ändern sich diese Formen beim Übergang zur Mikrogravitation? Wenn die Luftblasen im Glycerin die Oberfläche erreichen, bilden sich halbkugelförmige Luftblasen, die auf der Oberfläche schwimmen. Was geschieht mit diesen Luftblasen beim Übergang zur Mikrogravitation? Neues entdecken So erfahren Schülerinnen und Schüler beispielhaft die unschätzbare Bedeutung von Experimenten, wenn es darum geht, komplexe Vorgänge besser verstehen zu können. Zudem ist die Chance groß, dass sie bei der Untersuchung der Fragen auch auf ganz neue Effekte stoßen.

In dieser Unterrichtseinheit werden am Beispiel Insulin Proteindatenbanken und kostenlose Molekülbetrachter wie RasMol vorgestellt. Diese Datenbanken bieten die Möglichkeit, mithilfe des Computers Aspekte der Struktur-Funktionsbeziehung auf molekularer Ebene so anschaulich darzustellen, wie dies im Unterricht mit keinem anderen Hilfsmittel möglich ist.Möchte man die Raumstruktur eines Proteins in einem Molekülmodell darstellen, so benötigt man die Raumkoordinaten jedes einzelnen Atoms. Polypeptidsequenzen, für die diese Raumkoordinaten bereits bekannt sind, werden in der Regel in Datenbanken im Internet veröffentlicht. Von dort kann man sie auf den eigenen Rechner laden und als 3D-Molekülmodell visualisieren. Diese Unterrichtsheit zeigt am Beispiel des Insulins, wie am Rechner 3D-Molekülmodelle visualisiert werden können. In diesem Zusammenhang wird auch die Fragestellung nach dem Einsatz von Schweineinsulin und gentechnisch verändertem Insulin beim Menschen erörtert. Die Arbeit mit der Proteindatenbank schafft ein Bewusstsein dafür, wie wichtig das Internet als Drehscheibe für Biodaten und die freie Zugänglichkeit von Forschungsergebnissen für die tägliche Arbeit der weltweiten Wissenschaftsgemeinschaft ist. 3D-Computermodelle im Unterricht Der vollständige Weg von der Peptidsequenz zum dreidimensionalen Computermodell eines Proteins ist schwierig zu vermitteln, da sehr viele mathematische und physikalische Details in ihm stecken. Die räumliche Darstellung eines Proteins, zum Beispiel eines Stoffwechselenzyms oder eines Transportmoleküls wie des Sauerstoff bindenden Myoglobins, ist jedoch sehr wichtig für das Verständnis seiner Funktion. Dies soll auch der Lehrer-Online-Artikel Die dreidimensionale Hämoglobinstruktur verdeutlichen. Die räumliche Struktur von Substratbindungsstellen steht in direkter Beziehung zur Raumstruktur der Substrate (Schlüssel-Schloss-Prinzip) und damit zur Substratspezifität der Enzyme. Auch die Wirkung kompetitiver Hemmstoffe oder allosterischer Regulatoren können mithilfe einer interaktiven 3D-Struktur der Biomoleküle besser verdeutlicht werden, als dies durch andere Lehrmittel möglich ist. Arbeit mit Datenbanken im Biologie-Unterricht Die in den beiden Arbeitsblättern gestellten Aufgaben sollen zum einen dazu beitragen, die Wichtigkeit von Proteindatenbanken in der Hinsicht auf die Vergleichsmöglichkeiten (Zugehörigkeit eines Proteins zu einer "Proteinfamilie") von Sequenzen zu zeigen. Zum anderen soll die Medienkompetenz der Schülerinnen und Schüler - der Zugang zu einer Datenbank und der Umgang mit einem Visualisierungsprogramm - geschult werden. Die Arbeit mit Originaldaten, die Forscherinnen und Forscher im Internet veröffentlicht haben und die täglich von der weltweiten Wissenschaftsgemeinschaft genutzt werden, wirkt auf die Lernenden motivierend. Außerdem entwickeln sie ein Bewusstsein dafür, wie wichtig es für die modernen Biowissenschaften ist, dass Forschungsergebnisse frei zur Verfügung stehen und welche Rolle dabei das Internet spielt, das als Informationsquelle aus dem täglichen Forschungsbetrieb der Molekularbiologen nicht mehr wegzudenken ist. Unterrichtsverlauf "Proteinmodelle im Unterricht" Die Schülerinnen und Schüler sollten bereits Kenntnisse über Aminosäuren, den Aufbau der Peptidbindung, Primär- und Sekundärstrukturen sowie Wechselwirkungen zwischen den Peptidketten haben und mit dem Computer sicher umgehen können. Gegebenenfalls muss eine Einführung in RasMol und die Nutzung einer Datenbank eingebaut werden. Je nach Schwierigkeitsgrad des Unterrichts und der Vorbildung der Lernenden können die Methodik der Röntgenstrukturanalyse und der Kernmagnetischen Resonanz (NMR) genauer analysiert werden. Fachlicher Hintergrund Informationen zum Weg von der DNA-Sequenz bis zur Tertiärstruktur eines Proteins und Infos zu dem für die Visualisierung im Unterricht benötigten Molekülbetrachter RasMol Die Schülerinnen und Schüler verstehen am Beispiel des Insulins den Zusammenhang zwischen der in einer Proteindatenbank gespeicherten Datei und der Umsetzung als Proteinmodell im Computer. können eine Sequenz aus einer Datenbank abrufen. können mit einem einfachen Visualisierungsprogramm wie RasMol umgehen. können die Vor- und Nachteile verschiedener Darstellungsarten (Kugelstabmodell, Proteinrückgrat und raumfüllendes Kalottenmodell) erkennen und diese mithilfe eines Programms umsetzen. erarbeiten grundlegendes Wissen über den 3D-Aufbau (die Tertiär- und Quartärstruktur) von Proteinen. können Struktur-Funktionsbeziehungen begreifen und erklären. können Methoden zur Strukturaufklärung von Proteinen verstehen und wiedergeben. Aus der durch die DNA-Sequenz definierten Primärstruktur des Proteins lassen sich Sekundärstrukturbereiche (Faltblätter, Helices, ungeordnete Schleifen) vorhersagen, die durch Wechselwirkungen zwischen den Peptidbindungen und den Seitenketten der Aminosäuren entstehen. Um aber eine Aussage über die - wie es im Fachjargon so schön heißt - Struktur-Funktionsbeziehungen machen zu können, zum Beispiel im Zusammenhang mit den Eigenschaften des katalytischen Zentrums eines Enzyms, benötigt man noch die 3D-Struktur des Proteins in Verbindung mit weiteren Daten, wie zum Beispiel der spezifischen Bindung von Substraten oder Hemmstoffen. Erst dann können Aussagen über die Proteinfunktion auf der molekularen Ebene gemacht werden. Zur Aufklärung der vollständigen räumlichen Anordnung einer nativen Polypeptidkette, seiner Tertiärstruktur, muss zunächst ein hochreiner Proteinkristall "gezüchtet" werden. Hat man ein geordnetes Proteinkristallgitter erreicht, kann dieses mithilfe der Röntgenstrukturanalyse untersucht werden. Die Röntgenstrahlen werden beim Durchtritt durch den Kristall (Wellenlänge im Ångström-Bereich, 1Å = 0,1 nm) gebeugt. Das entstehende Beugungsmuster wird entweder von einem elektronischen Detektor aufgefangen (Diffraktometer) oder mithilfe eines Films sichtbar gemacht. Durch ein mathematisches Verfahren (Fourier-Transformation) erhält man eine Elektronendichtekarte, aus der die Raumkoordinaten für jedes einzelne Atom im Kristall bestimmt werden können. Einfacher hat man es, wenn das Protein zu einer bereits bekannten Proteinfamilie gehört und eine starke Homologie zu einem Protein aufweist, dessen 3D-Struktur bereits aufgeklärt ist. Dann kann die Struktur des "neuen" Proteins durch eine Modellierung abgeleitet werden. Das Züchten von Proteinkristallen für die Röntgenstrukturanalyse ist keine triviale Angelegenheit. Um zum Erfolg zu kommen, wurden Proteinkristalle sogar schon im Weltraum gezüchtet, denn unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit sind die Voraussetzungen für die Herstellung fehlerfreier Kristalle besonders günstig. Insbesondere Membranproteine lassen sich nur schwer kristallisieren. In solchen Fällen kann die Struktur eines Proteins mittels NMR auch in Lösung ermittelt werden. Hierbei ergibt sich jedoch keine eindeutige Struktur, da sich die Atome des Proteins in diesem Zustand bewegen (siehe "Zusatzinformationen" auf der Startseite des Artikels). Die Raumkoordinaten von Proteinen werden in Form langer Listen in Online-Datenbanken gespeichert. Von dort kann man sie als Textdateien auf den eigenen Rechner laden und mit einem geeigneten Programm visualisieren. Ein solches Programm ist zum Beispiel das im Internet für schulische Zwecke frei erhältliche RasMol. Die Software bietet die Möglichkeit, aus den Koordinatenangaben der Datenbank dreidimensionale Proteinmodelle zu erstellen, die man um ihre Achsen rotieren lassen oder mit der Maus anfassen und beliebig drehen und wenden kann. Auch ein "Hineinzoomen" in die Moleküle ist möglich. Mit RasMol können Proteine in verschiedenen Darstellungsformen visualisiert werden (Kugelstabmodell, Proteinrückgrat und raumfüllendes Kalottenmodell). Heteroatome, Wasserstoffbrücken oder gebundene Wassermoleküle lassen sich oft anzeigen. Ein Nachteil des Programms ist, dass die Befehlssprache englisch ist und dass die Arbeit nur über die "Command line" läuft, die nicht sehr nutzerfreundlich ist. Empfehlenswert ist es, sich eine Liste der vom Programm erkannten Kommandos auszudrucken. Der vollständige Weg von der Peptidsequenz zum dreidimensionalen Computermodell eines Proteins ist schwierig zu vermitteln, da sehr viele mathematische und physikalische Details in ihm stecken. Die räumliche Darstellung eines Proteins, zum Beispiel eines Stoffwechselenzyms oder eines Transportmoleküls wie des Sauerstoff bindenden Myoglobins, ist jedoch sehr wichtig für das Verständnis seiner Funktion. Dies soll auch der Lehrer-Online-Artikel Die dreidimensionale Hämoglobinstruktur verdeutlichen. Die räumliche Struktur von Substratbindungsstellen steht in direkter Beziehung zur Raumstruktur der Substrate (Schlüssel-Schloss-Prinzip) und damit zur Substratspezifität der Enzyme. Auch die Wirkung kompetitiver Hemmstoffe oder allosterischer Regulatoren können mithilfe einer interaktiven 3D-Struktur der Biomoleküle besser verdeutlicht werden, als dies durch andere Lehrmittel möglich ist. Die in den beiden Arbeitsblättern gestellten Aufgaben sollen zum einen dazu beitragen, die Wichtigkeit von Proteindatenbanken in der Hinsicht auf die Vergleichsmöglichkeiten (Zugehörigkeit eines Proteins zu einer "Proteinfamilie") von Sequenzen zu zeigen. Zum anderen soll die Medienkompetenz der Schülerinnen und Schüler - der Zugang zu einer Datenbank und der Umgang mit einem Visualisierungsprogramm - geschult werden. Die Arbeit mit Originaldaten, die Forscherinnen und Forscher im Internet veröffentlicht haben und die täglich von der weltweiten Wissenschaftsgemeinschaft genutzt werden, wirkt auf die Lernenden motivierend. Außerdem entwickeln sie ein Bewusstsein dafür, wie wichtig es für die modernen Biowissenschaften ist, dass Forschungsergebnisse frei zur Verfügung stehen und welche Rolle dabei das Internet spielt, das als Informationsquelle aus dem täglichen Forschungsbetrieb der Molekularbiologen nicht mehr wegzudenken ist. Die Schülerinnen und Schüler sollten bereits Kenntnisse über Aminosäuren, den Aufbau der Peptidbindung, Primär- und Sekundärstrukturen sowie Wechselwirkungen zwischen den Peptidketten haben und mit dem Computer sicher umgehen können. Gegebenenfalls muss eine Einführung in RasMol und die Nutzung einer Datenbank eingebaut werden. Je nach Schwierigkeitsgrad des Unterrichts und der Vorbildung der Lernenden können die Methodik der Röntgenstrukturanalyse und der Kernmagnetischen Resonanz (NMR) genauer analysiert werden.