Die Struktur der DNA - virtuelle Moleküle in 3D
Die hier für den Einstieg in die molekularen Grundlagen der Genetik verwendete Lernumgebung ermöglicht Schülerinnen und Schülern einen aktiv-entdeckenden Zugang zum Aufbau unserer Erbsubstanz.Dynamische Arbeitsblätter sind digitale Unterrichtsmedien, die Informationstexte, Aufgabenstellungen, Bilder und dynamische Konstruktionen auf einer Seite miteinander vereinigen. Die hier vorgestellten Arbeitsblätter enthalten Moleküldarstellungen, die es Schülerinnen und Schülern ermöglichen, aktiv mit einem 3D-DNA-Modell zu arbeiten, in dem sie verschiedene Strukturelemente ein- und ausblenden, sowie das Molekül beliebig drehen und wenden können. Technische Grundlage der 3D-Moleküle ist der kostenfrei nutzbare Molekülbetrachter Jmol (betriebssystemunabhängig). Zudem enthält die Lernumgebung eine kleine flash-basierte "Drag & Drop"-Übung. Die dynamischen Arbeitsblätter zur 3D-Struktur der DNA erlauben eine völlig eigenständige Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit dem molekularen Aufbau des Moleküls. Durch den Einsatz eines Lerntagebuchs zur Sicherung und Dokumentation des Gelernten ist ein Austausch mit Mitschülern, und insbesondere ein Eingreifen durch die Lehrkraft, nicht erforderlich.Die dynamischen Arbeitsblätter zur 3D-Struktur der DNA erlauben eine völlig eigenständige Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit dem molekularen Aufbau des Moleküls. Durch den Einsatz eines Lerntagebuchs zur Sicherung und Dokumentation des Gelernten ist ein Austausch mit Mitschülern, und insbesondere ein Eingreifen durch die Lehrkraft, nicht erforderlich. Im Rahmen der Schulzeitverkürzung nimmt das Selbstlernen der Schülerinnen und Schüler einen immer wichtigeren Stellenwert ein. Der Bedarf an geeigneten Medien steigt. Alternativ zur Bearbeitung im Regelunterricht können die Lernenden die hier vorgestellten Materialien in schulischen Selbstlernzentren, aber auch zu Hause, nutzen, um sich die Struktur der DNA selbstständig zu erarbeiten. Dynamische Arbeitsblätter sind somit eine wichtiges Medium zur geforderten Förderung des eigenständigen Lernens der Schülerinnen und Schüler. Didaktische Vorbemerkungen Dynamische Arbeitsblätter mit 3D-Molekülen entschärfen Schwächen im räumlichen Vorstellungsvermögen und ermöglichen "selbstständige Entdeckungsreisen". Technische Voraussetzungen und Hinführung Infos zu Jmol und ein Tipp zum methodischen Einstieg: Eine MindMap zur DNA bietet einen guten Startpunkt für die Arbeit mit dem Lerntagebuch. 2. Phase: Erarbeitung der Struktur der DNA Die Schülerinnen und Schüler sollen mit den Materialien selbstständig und aktiv-entdeckend arbeiten - die Lehrkraft agiert als Berater und Beobachter. 3. Phase: Eigenständige Erforschung der RNA Die Lernenden haben die Möglichkeit, ihr gerade erworbenes Wissen zur DNA auf einzel- und doppelsträngige RNA-Strukturen anzuwenden. Molekülbetrachter, Dynamischen Arbeitsblätter, DNA Lehrer-Online-Artikel und weitere Materialien und Ideen für den Unterricht zum Thema DNA im Netz. Genderaspekte der Unterrichtseinheit 3D-DNA Lesen Sie hier, warum die hier vorliegende Unterrichtseinheit als eine vorbildlich gestaltete geschlechtergerechte Unterrichtseinheit betrachtet werden kann. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Struktur der DNA kennen. erschließen sich durch eigene Untersuchungen den molekularen Aufbau der DNA. erkennen die Möglichkeiten von Molekülbetrachtern und lernen den Umgang mit diesen Werkzeugen. identifizieren in einem Ausblick die RNA mit den erworbenen fachlichen und methodischen Kenntnissen als weitere Nukleinsäure. Die DNA ist das den Schülerinnen und Schülern wohl am besten bekannte Makromolekül. Eine erste strukturelle Auseinandersetzung erfolgt zum Teil schon in der Mittelstufe, auf jeden Fall aber - und dann recht detailliert - im Biologieunterricht der Oberstufe. Und trotzdem haben die Jugendlichen dort große Schwierigkeiten, sich den Aufbau der DNA vorzustellen. Insbesondere Lernende mit einem weniger ausgeprägten räumlichen Vorstellungsvermögen haben Probleme, wenn es darum geht, sich die Struktur aus zweidimensionalen Abbildungen oder den Fischer-Projektionen eines klassischen Tafelbildes zu erschließen. Abhilfe schaffen Raummodelle der DNA, in denen die Bausteine jedoch zumeist nur angedeutet sind, was eine genaue Analyse des chemischen Aufbaus und der Verknüpfung der Bausteine erschwert. Selbstständige Entdeckungsreisen Die Möglichkeit, digitale Molekülmodelle am Bildschirm beliebig drehen und wenden zu können, den Grad der Übersichtlichkeit durch Ein- und Ausblenden oder Hervorheben bestimmter Strukturelemente zu variieren, erleichtert den Schülerinnen und Schülern das "räumliche Lesen" komplexer Strukturen enorm. Abb. 1 und Abb. 2 (Platzhalter bitte anklicken) zeigen, wie die einzelnen Schritte bei der Untersuchungen des DNA-Rückgrats aussehen könnten: Die Starteinstellung zeigt einen DNA-Ausschnitt in "wireframe"-Darstellung. Durch einen Klick auf einen vorgegeben Button "Zucker" werden die Ribose-Bausteine durch die "stick"-Darstellung hervorgehoben (Abb. 1). Danach kann durch einen Klick auf den Button "Phosphat" das komplette DNA-Rückgrat hervorgehoben und durch die Entfernung der Wasserstoffatome in eine übersichtliche Visualisierung überführt werden (Abb. 2). Hier kann die hervorgehobene Struktur durch Drehen, Wenden und Zoomen weiter untersucht werden. Ein strukturiertes Vorgehen durch didaktisch angepasste Hilfsmittel in der Moleküldarstellung und die Vorgabe von detaillierten Beobachtungsaufträgen unterstützt die Lernenden auf ihrer selbstständigen Entdeckungsreise. Animationen erlauben ein besseres Verständnis von eher schwer zu vermittelnden Prinzipien und Begriffen, wie zum Beispiel der Antiparallelität der DNA-Einzelstränge. Eine "Erfindung" aus der Mathematik Der Einsatz Dynamischer Arbeitsblätter und deren Verzahnung mit der Nutzung des Lerntagebuchs hat sich im Mathematikunterricht bereits bewährt. Eine Vorreiterrolle spielen hier die Materialien und Publikationen des Lehrstuhls für Mathematik und ihre Didaktik der Universität Bayreuth. Die Erfahrungen zum Einsatz Dynamischer Mathematik lassen sich auf den Einsatz analoger Arbeitsblätter mit 3D-Molekülen im Chemie- und Biologieunterricht übertragen. Die Lernumgebung dieser Unterrichtseinheit besteht aus HTML-Seiten, die mit jedem gängigen Browser betrachtet werden können. Im Gegensatz zu dem Molekübetrachter Chime ist Jmol als Java-Applikation plattformunabhängig und eine Open-Source-Anwendung. Jmol liegt als Applet in eine Webseite eingebettet vor. Dies wird beim Aufruf der Webseite vom Webserver geladen und erfordert daher keine lokale Installation. Die einzige Bedingung für die Nutzung von Jmol-Darstellungen ist, dass der Computer über eine aktuelle Version der Java-Engine verfügt. Jmol als Download Das 3D-Molekülbetrachtungsprogramm Jmol ist als Java-Applikation plattformunabhängig und als Open-Source-Anwendung kostenlos. Strukturierung des Vorwissens per MindMap Üblicherweise wird im Biologieunterricht durch das Transformationsexperiment von Griffith und Avery die DNA als Erbsubstanz identifiziert. An dieser Stelle empfiehlt es sich, jede Schülerin und jeden Schüler eine MindMap zum Thema DNA erstellen zu lassen. Auf diese Weise werden sich die Lernenden darüber klar, was sie über den Aufbau der Erbsubstanz wissen - beziehungsweise, was sie meinen zu wissen. Durch die Organisation des eigenen Wissens bekommen sie eine bessere Struktur in ihren nun folgenden, selbstständigen Lernprozess. Darüber hinaus bietet die MindMap einen guten Startpunkt für die Arbeit mit dem Lerntagebuch. Reflexion des Lernprozesses per Lerntagebuch Das Lerntagebuch ist ein Instrument, mit dessen Hilfe der eigene Lernprozess systematisch reflektiert wird. Darüber hinaus dokumentieren die Schülerinnen und Schüler, was sie thematisch gelernt haben. Es dient somit auch ganz wesentlich als Protokollheft der Sicherung des Gelernten. Die eigene MindMap zur DNA bildet die erste Seite des persönlichen Lerntagebuchs. An dieser Stelle ist es wichtig, die Funktion und die Arbeit mit einem Lerntagebuch zusammen mit den Lernenden zu thematisieren, insbesondere in Lerngruppen, die im Umgang mit Lerntagebüchern oder Portfolios noch ungeübt sind. Vorgabe von Beobachtungsaufträgen Eine Lenkung der Aufmerksamkeit der Schülerinnen und Schüler erfolgt lediglich durch den formalen Aufbau der Arbeitsblätter. Jede Seite richtet den Blick auf einen anderen Aspekt der DNA-Struktur. Die vorgegebenen Beobachtungsaufträge sorgen dafür, dass die Schülerinnen und Schüler mit den wesentlichen Informationen konfrontiert werden. Arbeitsaufträge sowie die schriftliche Fixierung ihrer Beobachtungen zwingen die Lernenden zu einer intensiven, mehrkanaligen Verarbeitung der Thematik. Abb. 3 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt einen Screenshot eines typischen Arbeitsblattes: Die Arbeitsaufträge im unteren Feld sind durch Piktogramme als Beobachtungsaufgaben (Auge) und Schreibaufgaben (Stift) gekennzeichnet. Aktiv entdeckendes Lernen Die eigenständige Dokumentation im Lerntagebuch und die aktive, konstruktive Arbeit an den 3D-Molekülmodellen lassen die Beschäftigung mit der DNA zu einer Entdeckungsreise werden. Durch Drehen und Wenden, Zoomen und Hervorheben bestimmter Strukturen, durch Einfügen und Löschen von Wasserstoffatomen oder Wasserstoffbrückenbindungen wählt jeder Jugendliche die Herangehensweise an sein Forschungsobjekt. Dabei bieten einige Informationsboxen (Popups) weitere nützliche Informationen, wie zum Beispiel eine Definition des Begriffs Elektronegativität oder eine Übersicht wichtiger funktioneller Gruppen aus der organischen Chemie. Diese Informationsboxen können durch einen Klick auf die "i"-Piktogramme aufgerufen werden, die sich hinter den jeweiligen Aufgaben befinden (Abb. 4, rechts unten), Besonders hilfreich ist es, wenn jedem Lernenden ein eigener Computerarbeitsplatz zur Verfügung steht. Ist dies nicht möglich, so ist eine Partnerarbeit zu empfehlen. Hier findet dann ein kooperatives Lernen mit einem Partner statt, das sehr fruchtbar sein kann, infolgedessen die Arbeit mit dem Lerntagebuch allerdings einen anderen Schwerpunkt erhält. Es dient dann mehr als Protokollheft. Die neue Rolle der Lehrkraft Die Arbeit mit dem dynamischen Arbeitsblatt bedarf keiner (lehrenden) Einflussnahme der Lehrkraft. Sie fungiert primär als Helfer bei technischen Problemen, insbesondere beim Kennenlernen der möglichen Funktionen des Jmol-Menüs. Als Lernberater beobachtet die Lehrerin oder der Lehrer darüber hinaus kontinuierlich den Lernprozess der Schülerinnen und Schüler. Dazu gehört auch die Durchsicht der Lerntagebücher am Ende der Unterrichtseinheit. Anhand der dynamischen Arbeitsblätter zum Thema " Desoxyribonukleinsäure (DNA) - Die Struktur unserer Erbsubstanz" gewinnen die Schülerinnen und Schüler einen Überblick über den Bau der DNA. Zunächst lernen sie die Bausteine der DNA einzeln kennen, werden dann durch ein strukturiertes Vorgehen an deren Verknüpfung, den doppelhelikalen Aufbau, das Zuckerphosphat-Rückgrat und Basenpaarungen herangeführt. Die Lernumgebung enthält folgende Seiten zum Thema DNA: 1. Die Bausteine der DNA Die Lernenden untersuchen den Aufbau der vier Basen, der Desoxyribose und der Phosphorsäure. 2. Die räumliche Struktur der DNA Hier machen sich die Schülerinnen und Schüler grob mit der Gesamtstruktur der DNA vertraut. 3. Zucker- und Phosphatgruppen Das Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA wird erkundet. 4. Die Nukleobasen I Die Schülerinnen und Schüler untersuchen und vergleichen den chemischen Aufbau der Purin- und Pyrimidin-Basen. 5. Die Nukleobasen II Die Anordnung und Verteilung der Basen in der Gesamtstruktur der DNA wird untersucht. 6. Nukleoside und Nukleotide I Die Lernenden erkunden die 3D-Strukturen von Adenosin und Adenosinmonophosphat. 7. Nukleoside und Nukleotide II Eine Grafik veranschaulicht die Syntheseschritte von den Einzelbausteinen der DNA bis hin zur Polynukleotidkette. 8. Basenpaarung und Wasserstoffbrückenbindung Die Schülerinnen und Schüler erkunden in der Gesamtstruktur der DNA die Lage der Wasserstoffbrücken. 9. Die Strangenden Die Begriffe 5'-Ende, 3'-Ende und Antiparallelität werden veranschaulicht. Mit dem Arbeitsblatt zu den Strangenden endet die Betrachtung des molekularen Aufbaus der DNA. Die beiden noch folgenden Seiten bieten bereits einen Ausblick auf den Aufbau der RNA (siehe "Eigenständige Erforschung der RNA"). Das vorletzte dynamische Arbeitsblatt der Lernumgebung ("Ausblick I") zeigt die Struktur einer linearen, einzelsträngigen RNA. Zumeist wird diese im Biologieunterricht direkt im Anschluss an den Aufbau der DNA behandelt. Der Ausblick bietet somit die Möglichkeit, dass die Schülerinnen und Schüler ihr gerade erworbenes Wissen auf eine neu dargebotene Struktur anwenden, Gemeinsamkeiten und Unterschiede herausarbeiten. Dafür ist sorgfältiges Arbeiten und "genaues Hinschauen" von Nöten. Eine Infobox mit Erklärungen zur Struktur dient der Überprüfung der eigenen Arbeit. Diese Arbeit bedarf auch der intensiveren Auseinandersetzung mit dem Jmol-Menü, da hier bis auf den Reset-Button keine Buttons zu Verfügung stehen. Gleiches gilt für die Seite "Ausblick II". Hier ist ein doppelsträngiger Ausschnitt aus einer t-RNA dargestellt (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Die Aufgabe der Lernenden ist es, eine Aussage darüber zu treffen, ob es sich bei dem Molekül um DNA oder RNA handelt. Es bedarf somit einer Rekapitulation der Eigenschaften, Unterschiede und Gemeinsamkeiten der beiden Nukleinsäuren und somit einer (Um)Strukturierung des erworbenen Wissens. Diese letzte Seite der Lernumgebung kann aufgrund des erhöhten Schwierigkeitsgrades im Sinne einer Binnendifferenzierung eingesetzt werden. Möglicherweise ist bei der späteren Behandlung der t-RNA im Kontext der Translation ein Rückgriff auf diese Struktur möglich und für die räumliche Vorstellung der Schülerinnen und Schüler hilfreich. Die Wahl von Leistungskursen wird - so zeigen Umfragen - fast ausschließlich von den Interessen der Schülerinnen und Schüler bezüglich des Faches und des Gegenstandes bestimmt (vergleiche Stürzer et al., 2003: 135f.). Es kann also davon ausgegangen werden, dass in dieser fortgeschrittenen Phase der Schullaufbahn ein großes und selbst gewähltes Interesse an den Fächern Biologie und Chemie bei den Schülerinnen und Schülern, die dieses Fach gewählt haben, besteht. Im Fach Biologie sind die geringsten Unterschiede zwischen Jungen und Mädchen im Hinblick auf die Fächerwahl in den Naturwissenschaften zu finden. Die Unterrichtseinheit "Die Struktur der DNA - virtuelle Moleküle in 3D" kann als eine vorbildlich gestaltete geschlechtergerechte Unterrichtseinheit betrachtet werden. Jungendomäne klassische Naturwissenschaften? Klassische Naturwissenschaften wie Chemie und Physik und auch Mathematik und Technik werden als Jungendomäne klassifiziert, weil Jungen häufiger neben besseren Leistungen auch eine höhere Motivation und ein besseres Selbstkonzept für diese Fächer aufweisen. Lehrpersonen und auch Eltern erwarten von Jungen bessere Leistungen in den sogenannten harten Naturwissenschaften. Die Kompetenzen der Mädchen hingegen werden in diesem Bereich geringer eingeschätzt und eingefordert. Biologie ist attraktiv für Mädchen und Jungen Biologie gilt in dem Sinne nicht als "harte" Naturwissenschaft und wird teilweise sogar als "Mädchenfach" innerhalb der Naturwissenschaften bezeichnet. Aus einigen Studien (unter anderem aus "The Third International Mathematics and Science Study") geht hervor, dass Mädchen bessere Leistungen in Biologie erzielen als Jungen. Aus der Studie "GENUS - Geschlechtergerechter Naturwissenschaftlicher Unterricht in der Sekundarstufe I" (Faulstich Wieland et al., 2008) geht hervor, dass für Mädchen "das Fach Biologie mit Abstand das attraktivste naturwissenschaftliche Fach [ist], gefolgt von Chemie. (…) Für die männlichen Jugendlichen stehen die Fächer Biologie und Naturwissenschaften/Technik zu gleichen Anteilen an erster Stelle, dann folgen die Fächer Chemie und Physik" (Läzer, 2008: 95). Biologie ist also sowohl für Mädchen wie auch für Jungen das attraktivste naturwissenschaftliche Fach, was einen guten Anknüpfungspunkt auch für die Weckung oder Verstärkung von Interesse an Chemie bietet. Kriterien einer geschlechtergerechten Unterrichtsgestaltung Wie in der Unterrichtseinheit beschrieben wird, braucht diese Unterrichtseinheit keine direkte Instruktion durch die Lehrkraft. Vielmehr stehen die Lehrpersonen beratend und helfend den Schülerinnen und Schülern zur Seite. Bei soviel "Freiraum" und "Freiheit" der Unterrichtsgestaltung ist es besonders wichtig, zu Beginn über Kriterien einer geschlechtergerechten Gestaltung nachzudenken, da nur zu Beginn der Unterrichtseinheit Lehrende und Lernende in ihren Rollenbezügen aufeinander treffen. Gleiche Ausgangsbedingungen schaffen Als Lehrkraft sollten Sie deshalb darauf achten, dass zu Beginn der Unterrichtseinheit gleiche Ausgangsbedingungen für alle Schülerinnen und Schüler bestehen. Erklären Sie die Software und geben Sie eine Einführung in Jmol. Schärfen Sie Ihre "Gender-Brille" bei der Bildung der Lerngruppen, damit ein ausgewogenes Geschlechterverhältnis innerhalb einer Gruppe anzutreffen ist. Beobachten und Reflektieren Die Arbeit mit den dynamischen Arbeitsblättern und den Aufgaben, die bearbeitet werden sollen, können beobachtet werden. Wer bedient den Computer, wer reflektiert die Beobachtung? Wie arbeitet die Gruppe zusammen? Sind Geschlechterstereotype ersichtlich? Nutzen Sie als Lehrperson die Zeit, während die Schülerinnen und Schüler mit den dynamischen Arbeitsblättern experimentieren und verschaffen Sie sich einen Überblick über mögliche geschlechtsspezifische Arbeitsverteilungen, Zuschreibungen et cetera innerhalb der Schulklasse. Reflektieren Sie als Lehrperson selbst, ob Sie bewusst oder unbewusst einigen Schülerinnen und Schülern Merkmale zuschreiben, die mit Gender-Klischees verbunden sind. Die thematische Verbindung von Schule und Alltag birgt Möglichkeiten, das Interesse der Schülerinnen und Schüler zu wecken. Durch die Einführung der DNA in ihrem Bezug zu Alltags- und Lebensphänomenen - dass alle Lebewesen Träger einer DNA sind - können das Interesse der Lernenden geweckt und ihre Motivation gesteigert werden. Die Möglichkeiten zum selbstständigen Arbeiten der Schülerinnen und Schüler im Schulgebäude wie auch am heimischen Computer ist positiv zu sehen, denn: "Eigenes Handeln und spielerisches Ausprobieren von Wirkungen und Möglichkeiten wecken Entdeckerfreude und Verständnis. Praktische Arbeit wirft Fragen auf, lässt Zusammenhänge erkennen, und attraktive Produkte, die zuhause vorgezeigt werden können, motivieren zur Mitarbeit" (Uhlenbusch, 1992: 119). Die Lernenden werden mit spannenden Darstellungen der 3D-Arbeitsblätter durch das Material geleitet und angeregt, auch sich auch darüber hinaus mit dem Thema auseinanderzusetzen. Die 3D-Arbeitsblätter entsprechen dem neuen Design und regen dazu an, auch im häuslichen Umfeld zu zeigen, was und wie in der Schule gelehrt wird. Lerntagebuch Die Führung eines Lerntagebuchs beziehungsweise eines Portfolios zur Reflexion des Lernprozesses ist ein Bestandteil der Unterrichtseinheit. Als Lehrkraft sollten Sie von Anfang an darauf achten, dass alle Schülerinnen und Schüler wissen, was in dem Lerntagebuch beziehungsweise Portfolio von ihnen erwartet wird. Durch klare Aussagen zu Umfang, Inhalt sowie Art und Weise der Aufmachung können gleiche Bedingungen für die Lernenden geschaffen werden. Schreiben am Computer Häufig sind es Mädchen "die von sich aus sagen, sie wollen bei einem Experiment die Schreibtätigkeit übernehmen" (Freese, 2008: 66). Schreiben, Reflektieren, kreativ sein sind Eigenschaften, die Mädchen zugeschrieben werden und der selbstbewusste Umgang mit dem Computer gilt eher als jungenspezifisch. Achten Sie darauf, dass Sie solche Zugänge einerseits ernst nehmen als Motivation, achten sie andererseits aber auch darauf, dass ein Wechsel in den Tätigkeiten stattfindet und das Lerntagebuch von allen Schülerinnen und Schülern geführt wird, unabhängig davon, ob in Gruppen oder Einzeln gearbeitet wurde, und dass die Arbeit am Computer rotiert.
