Unterrichtsmaterialien zum Thema "Verhaltensforschung"

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Schnecken: interaktive Lerneinheit

Unterrichtseinheit

Die Unterrichtseinheit zum Thema Schnecken umfasst eine Vielzahl von Arbeitsblättern sowie eine interaktive Lernumgebung, die als digitale Plattform für die Internetrecherche und verschiedene Übungen am Computer dient.Die meisten Schnecken gibt es zwar ganzjährig, aber wenn im Herbst die Erde feucht wird und die Sonne ihr Erscheinen auf ein Mindestmaß reduziert, stößt man im Garten, an Wegen oder im Wald verstärkt auf ihre Spuren. Sie werden nicht unbedingt geliebt, faszinieren aber durch ihre kunstvollen Gehäuse und bei näherem Kennenlernen durch einige außerordentliche Fähigkeiten. Die Schülerinnen und Schüler sollen in dieser Unterrichtseinheit zum Thema Schnecken im Internet gezielt Arbeitsaufträge recherchieren, ein interaktives Quiz und Puzzle am Computer lösen, interaktive Übungen (Hot Potatoes) durchführen und herkömmliche Arbeitsblätter bearbeiten, für die das Internet als Informationsquelle dient.Wegen ihrer langsamen Bewegungen und ihrer unkomplizierten Haltung eignen sich Schnecken hervorragend für erste Beobachtungsaufgaben im Unterricht. Sie brauchen lediglich ein abgedecktes Gefäß (möglichst aus Glas) mit Luftlöchern, etwas feuchte Erde und Steine und genügend Pflanzen als Nahrung (Salat, Löwenzahn). Kurzbeschreibung der Lerneinheit "Schnecken" Eine Zusammenstellung themenspezifischer Inhalte zum Thema Schnecken leitet die Kinder gezielt ins Internet. Arbeitsmaterial und interaktive Lernumgebung "Schnecken" Die 15 Arbeitsblätter der Lerneinheit "Schnecken" können Sie hier einzeln im PDF-Format herunterladen, ebenso wie die interaktive Lerneinheit. Diese können Sie damit auch ohne Internetzugang nutzen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erreichen in den Fächern Deutsch, Mathematik, Sachunterricht, Kunst, Englisch und Musik Fächerspezifische Lernziele des Projekts "Schnecken" . Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler treffen Absprachen zur Benutzung der Computer-Arbeitsplätze. treffen Absprachen zur Auswahl der Experimente. helfen sich gegenseitig. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler führen arbeitsteilige Gruppenarbeit durch (Experimente). schreiben ein Versuchsprotokoll. präsentieren Arbeitsergebnisse (mit Versuchsprotokoll). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kopieren ein Bild aus dem Internet und drucken es aus. bearbeiten die interaktive Lerneinheit am Computer und machen dabei Erfahrungen mit dem Prinzip der Verlinkung. lösen interaktive Puzzles (Drag & Drop), Lückentext und Quiz (Multiple Choice). schauen Video-Dateien im Internet an. Die Schülerinnen und Schüler ordnen Schnecken als Weichtiere ein. lernen den typischen Körperbau der Weichtiere kennen. unterscheiden Schnecken nach ihrem Aussehen (Nacktschnecken, Gehäuseschnecken) und ihrem Lebensraum (Meer, Land, Süßwasser). schauen verschiedene Schnecken an und malen eine Schnecke aus dem Internet ab. malen die wichtigsten Körperteile der Schnecke kennen. erfahren, wie Schnecken sich bewegen und führen ein Experiment dazu durch. erfahren, wozu das Gehäuse dient und woraus es besteht. finden "Schnecken" (Windungen) in der Umwelt. lernen Schnecken als Zwitter kennen. erfahren, wovon und wie Schnecken sich ernähren (Radula). lernen natürliche Feinde der Schnecken kennen. führen Versuche zu den Sinnesleistungen der Schnecke durch. Die Schülerinnen und Schüler lösen Worträtsel. vervollständigen Lückentexte. geben Antworten durch Multiple Choice. lesen eine kurze Schneckengeschichte. schreiben eine eigene Schneckengeschichte. üben Wörter mit "ck". üben Schnecken-Wörter (zusammengesetzte Nomen). entziffern Geheimschriften. Die Schülerinnen und Schüler durchstöbern eine englische Internetseite für Kinder. lernen einige englische Wörter zum Thema kennen. malen Schnecken oder kleben Schneckenbilder ein. lernen ein Singspiel zum Thema und führen es durch. führen gezielte Recherchen im Internet durch und nutzen das Internet als Informationsquelle. Schnecken und Ekelgefühle Von besonderem Interesse für diese Unterrichtseinheit sind Gehäuseschnecken. Sie haben den Vorteil, dass auch Kinder, die Ekelgefühle haben, am Schneckenhaus eine Stelle finden, die sie anfassen können. Pflege von Lebewesen Sehr wichtig ist der pflegliche Umgang mit den Tieren. Auch Schnecken sind Lebewesen und dürfen nicht gequält werden, weder direkt noch durch unsachgemäße Behandlung oder Haltung. Am Schluss der Beobachtungszeit sollen sie an ihren Fundort zurückgebracht werden. Vorkenntnisse Die Kinder sollten bereits an offene Unterrichtsformen gewöhnt sein. Kenntnisse im Umgang mit dem Internet sind nicht unbedingt nötig, da die Links direkt über die Lerneinheit angeklickt werden und keine Internetadressen eingegeben werden müssen. Der externe Link öffnet sich allerdings nicht in einem separaten Fenster, das bedeutet, man muss auf jeden Fall darauf aufmerksam machen, dass die Rückkehr zur heimischen Rechneroberfläche über den Rückwärtspfeil des Browsers erfolgt. Die Eingangsseite Die Startseite der Lernumgebung bietet den Kindern Informationen zum Einstieg ins Thema. Am linken Rand befinden sich die Links zu den Hauptseiten. Acht Hauptseiten Die acht Hauptseiten der interaktiven Lernumgebung zu Schnecken decken die folgenden Themenbereiche ab: Schnecken, Schnecken Schnecken-Sprache Schnecken-Aufgaben Schnecken-Kunst Snails Schnecken-Musik Schnecken-Experimente Spiel und Spaß Zudem enthält die interaktive Lernumgebung sieben intern verlinkte interaktive Hot-Potatoes-Übungen und 45 externe Links. Arbeitsanweisungen Die Arbeitsanweisungen auf den meisten Arbeitsblättern zur Unterrichtseinheit "Schnecken" beziehen sich auf direkt aufrufbare Internetseiten, was natürlich einen Internetzugang voraussetzt. Diese Arbeitsblätter sind besonders gekennzeichnet, auch auf dem Deckblatt. Die internen Links dagegen können offline bearbeitet werden. Die einzelnen Seiten sind frei wählbar, müssen also nicht in einer bestimmten Reihenfolge abgerufen werden - die Schülerinnen und Schüler entscheiden nach Neigung. Arbeits- und Sozialformen Organisation des Unterrichts und Zeitraum der Arbeit hängen unmittelbar von der Anzahl der vorhandenen Computer-Arbeitsplätze ab und davon, ob sie in einem Netzwerk gemeinsamen Zugang zum Internet haben. Sinnvoll hat sich auf jeden Fall Partnerarbeit erwiesen, da sich zum einen so die Zahl der auf einen Computer wartenden Kinder halbiert und zum anderen die zusammenarbeitenden Kinder sich gegenseitig unterstützen können. Eine Einteilung der Paare kann nach den folgenden Kriterien erfolgen: freie Wahl, Zufallsprinzip durch Ziehen von Kärtchen, Festlegung durch die Lehrkraft. Die Experimente wiederum sind sinnvollerweise im arbeitsteiligen Gruppenunterricht zu erarbeiten. Dazu sollten die einzelnen Experimente so verteilt werden, dass zum Schluss zu jedem ein Ergebnis im Plenum präsentiert werden kann. Die Kinder sollen dabei ihr Versuchsprotokoll (schnecken_ab15_protokoll.pdf) zu Hilfe nehmen oder Plakate mit den wichtigsten Informationen herstellen. Auch hier müssen Absprachen getroffen werden, da die Anzahl der Terrarien und Schnecken begrenzt sein sollten. Koordination der Computer-Nutzung Wichtig ist die Organisation des Unterrichtsablaufs: Absprachen bezüglich der Computer-Nutzung müssen getroffen werden, da nicht alle gleichzeitig am Rechner sitzen können. Vorschläge der Kinder sollten aufgegriffen werden, weil sie erfahrungsgemäß die Einhaltung eigener Vorschläge auch selbst überprüfen. Tägliches Feedback Wichtig sind außerdem eine gemeinsame Einführung und Erklärung der Handhabung der interaktiven Lerneinheit zu Schnecken sowie ein tägliches Feedback, bei dem exemplarisch einige Gruppensprecherinnen und -sprecher über ihre Arbeit und etwaige Probleme berichten, für die dann gemeinsam Lösungswege gesucht werden. Vertiefende Themen und weitere Übungen Als zusätzliches Angebot können im Bedarfsfall weitere Arbeitsblätter zu Schnecken zur Verfügung gestellt werden, die die in der Lerneinheit angesprochenen Themen vertiefen: Zum Beispiel Tierlexika, Sachbücher zum Thema anschauen, weitere Wortschatzübungen, Übungen zur Rechtschreibung, eine Diktat-Vorbereitung zum Thema, Rätsel zu Schnecken erfinden (beispielsweise: Wer hat ein Haus ohne Fenster und Türen? Wer geht aus und bleibt immer zuhause?), Sachaufgaben. Der fächerübergreifende Ansatz ermöglicht es, den normalen Stundenplan für die Projektdauer außer Kraft zu setzen. Sicherheitseinstellungen beachten Je nachdem welche Sicherheitseinstellungen die jeweiligen Rechner haben, ist es möglich, dass beim Aufruf des interaktiven Quiz eine Sicherheitswarnung erscheint. Dies geschieht beispielsweise, wenn das Öffnen von Popups blockiert ist. Über den Menüpunkt "Extras", "Popupblocker deaktivieren" können Sie Popups zulassen. Weitere Informationen zu Popups und welche Einstellungen die Kinder schrittweise vornehmen müssen, wenn die Sicherheitswarnung erscheint, finden Sie im folgenden Download. Zur Erfolgskontrolle heftet jedes Kind seine fertigen Arbeitsblätter und gelösten Aufgaben aus der Unterrichtseinheit zum Thema Schnecken in einem Hefter ab. Dieser wird nach Abschluss des Projekts eingesammelt und von der Lehrkraft überprüft. Anatomie und Bewegung Schnecken gehören zu den Weichtieren. Sie haben einen wenig gegliederten Körper, der aus Kopf und dreiteiligem Rumpf (Mantel, Eingeweidesack und Fuß mit Kriechsohle) besteht (Ausnahme: Nacktschnecken). Landschnecken besitzen zwei Fühlerpaare, von denen die oberen die Augen tragen, die unteren sind Tastfühler. Das Gehäuse dient zum Schutz vor Kälte, Trockenheit und Feinden. Es besteht aus Kalk und wächst durch Anlagerung von Kalkringen, zu erkennen an den Gehäuserillen. Die Schnecke bewegt sich durch wellenförmige Muskelbewegungen, die gut erkennbar sind. Dabei rutscht sie auf einer zähen Schleimschicht, die sie außerdem vor Verletzungen schützt und ihr Austrocknen verhindert, vorwärts. Der Schleim ermöglicht der Schnecke das Kriechen auf glatten und steilen Flächen. Nahrungserwerb Die meisten Schnecken ernähren sich von Pflanzenteilen. Die Teile werden vom Kiefer abgerissen und von der Radula (Zunge mit vielen Zähnchen) geraspelt. Durch die Riechzellen in den Fühlern und am Fuße kann die Schnecke Nahrung unterscheiden. Sexualität Die meisten Schnecken sind Zwitter, das heißt, sie begatten sich gegenseitig. Sie legen circa vier Wochen nach der Begattung 50 bis 70 Eier ab und vergraben sie in einer Erdmulde. Die jungen Schnecken schlüpfen nach weiteren vier Wochen. Gehäuseschnecken sind nach dem Schlüpfen schon mit einem weichen Gehäuse ausgestattet, das später hart wird. Die Willkommensseite gibt den Schülerinnen und Schülern eine Einweisung in den Umgang mit der Lerneinheit. Sie stellt die Navigation vor und gibt Verhaltenstipps.

  • Biologie / Ernährung & Gesundheit
  • Primarstufe

Der Storchenzug im Internet

Unterrichtseinheit

Der Zug der Weißstörche fasziniert alle Altersgruppen. Im Internet kann man die Vögel auf ihrer Reise von Norddeutschland nach Afrika oder nach Spanien verfolgen. Auf hochauflösenden Karten sieht man, wo sie sich gerade befinden. Die Vergleiche verschiedener Individuen und ihrer Zugwege aus verschiedenen Jahren zeigen spannende Abweichungen vom klassischen Schulbuchwissen und liefern viele Anregungen für eigene Fragestellungen und Untersuchungen.Was suchen Störche aus deutschen Feuchtgebieten am Südrand der Sahara? – Im Storchenzug-Projekt werden Weißstörche auf ihrem Flug nach Afrika und zurück über die Satellitentelemetrie verfolgt. Mithilfe kleiner Sender auf dem Rücken und GPS (Global Positioning Systems) werden die Tiere tagesaktuell geortet. Der NABU beziehungsweise die NAJU bieten darüber hinaus einen täglichen Blog mit Kommentaren und viele geografische und landestypische Informationen zur Reiseroute an. Die in dieser Unterrichtseinheit vorgestellten Materialien und Arbeitsblätter geben Anregungen zur offenen Erforschung des Vogelzugs für Schülerinnen und Schüler verschiedener Klassenstufen: Für die Klassen 5 und 6 kann man eher phänomenologisch affektive Lehrziele verfolgen, in der Oberstufe systematisch ökologischen, verhaltens- und evolutionsbiologischen Fragen nachgehen. Einsatz der Arbeitsblätter und Inhalte Bei den hier angebotenen Materialien handelt sich um offene Arbeitsblätter , die zu differenzierter Arbeit mit dem Thema Storchenzug anregen sollen. Ausgehend von konkreten Fragen oder offenen Problemstellungen wird erwartet, dass sich die Lernenden eigene Wege suchen, die Fragen zu beantworten und weitere Fragen zu stellen. Endgültige Antworten und abschließende "Merksätze" sind nicht beabsichtigt. Die Lehrkraft muss sich in die Rolle des "Mitforschers" begeben und allenfalls Hilfen geben, einen Gedanken zu formulieren und Ergebnisse als solche zu erkennen, wie zum Beispiel diese: "Der Weg nach Südafrika kann direkt oder über den Tschad führen." "Auf dem Wegzug machen die Störche im Tschad oder im Sudan drei bis vier Wochen Pause, auf dem Rückzug geht es in einem Rutsch nach Hause." "Penelope zog in den drei beobachteten Jahren jedes Mal auf einem etwas anderen Weg." Mögliche Themen Der Vogelzug kann in verschiedenen inhaltlichen Zusammenhängen behandelt werden, darunter die folgenden: Überwinterung Arten- und Biotopschutz Orientierung Methoden der Erforschung von Tierwanderungen Flugleistungen Das Storchenzugprojekt bietet in außergewöhnlich anschaulicher und ansprechender Weise eine Fülle aktueller Daten über den Vogelzug. Die Probleme der "wandernden Tiere", der Energieeffizienz beim Fliegen, der Evolution des Zugverhaltens können damit vertiefend behandelt werden. Affektive Lehrziele und neue Medien – virtuelle Begleitung vertrauter Individuen Ein emotionaler Aspekt der Vogelkunde kam bisher bei den traditionellen Unterrichtsmethoden durch die Winterfütterung oder durch die Beobachtung von wegziehenden und heimkehrenden Arten ins Spiel. Mit der Online-Verfolgung von Störchen kann man nun einen unmittelbaren Bezug zu einzelnen Tieren aufbauen, der an die Alltagserfahrung Jugendlicher anknüpft: Man "begleitet" namentlich bekannte Individuen auf ihrer Reise. Seit der Saison 2009/2010 wird während der Brutzeit an einem Storchennest eine Webcam eingerichtet. Die Schülerinnen und Schüler können sich mit "ihrem Patentier" somit schon im Sommer anfreunden. Auf der Website Storchennest.de bietet der NABU (Naturschutzbund Deutschland e. V.) ausführliches Bildmaterial an. So können mit der virtuellen Begleitung alle oben genannten Themen behandelt und mit affektiven Lehrzielen verbunden werden. Überraschende Ergebnisse Die Störche verhalten sich überhaupt nicht schematisch, sondern bieten zahlreiche Anlässe zu Fragen: "Warum biegt Penelope nach Westen in Richtung Tschad ab?" "Peterchen macht zwei Wochen Pause – was findet er während dieser Zeit zu fressen?" "Welche Rolle spielt das Wetter?" Die von den Lernenden untersuchten Daten sind authentisch und die Ergebnisse zum Teil auch für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler neu ( Berthold, Querner 2002 ). Wetter, physische Geographie und politische Situation Wichtige Zusatzinformationen können von den Lernenden über das Internet gesammelt und ausgewertet werden, zum Beispiel Wetterdaten oder Satellitenbilder. Entfernungen können mithilfe von Online-Flugstreckenrechnern bestimmt werden. Geografische Fragen stellen sich fast automatisch bei der Verfolgung der Störche. So können politische und physische Themen aufgegriffen werden. Das zeigt die Aussage eines am Telemetrieprojekt beteiligten Forschers: "Mit Sendern versehene Störche sind im Libanon, in Israel und in Ägypten besonders gefährdet, da sie wegen der kleinen Antennen als 'Spione' angesehen und beschossen werden". Höhenkarten, Wetterdaten und Geoinformationssysteme (GIS) werden als Werkzeuge benutzt, um die Biologie "unserer Störche" zu verstehen.Die Schülerinnen und Schüler vollziehen die Zugwege von Oststörchen und Weststörchen mit ihren Varianten nach. erforschen die Unterschiede zwischen Individuen und Zugjahren. übertragen die Zugstrecken genau und differenziert in Karten – und dies unter Beachtung von Meerengen und Gebirgspässen! bestimmen die Leistungen der Störche auf ihrem Zug: Höhen, Strecken, Geschwindigkeiten. nehmen Entfernungsschätzungen und -messungen mithilfe des Atlas und von Entfernungsrechnern aus dem Internet vor. gewinnen einen Bezug zur physischen und politischen Geografie des Zugwegs. gehen mit geografischen Längen und Breiten um. stellen Bezüge zwischen dem Verhalten der Störche und ihren Lebens- und Ruheräumen her.

  • Biologie  / Geographie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Simulation einer Ameisenstraße mit NetLogo

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit erkunden die Schülerinnen und Schüler mit einer agentenbasierten Simulationsumgebung das Verhalten von Ameisen und entdecken dabei, wie die einzelnen Tierchen im Zusammenspiel mit zahlreichen Artgenossen das Phänomen einer Ameisenstraße erzeugen.Viele Schülerinnen und Schüler sind im Wald schon einmal einer Ameisenstraße begegnet. Liegt in der Nähe eines Ameisenhaufens etwas Futter, zum Beispiel ein kürzlich verendeter Regenwurm oder ein verloren gegangenes Stückchen Kuchen, stellt sich am Futterplatz bald ein emsiges Kommen und Gehen ein. Auf einer wohldefinierten Route eilen die Arbeiterinnen herbei und kehren futterbeladen zum Nest zurück. Im Rahmen dieser Unterrichteinheit kommt das kostenlose Simulationswerkzeug NetLogo zum Einsatz. Die Schülerinnen und Schüler erleben das zentrale systemtheoretische Konzept der "Selbstorganisation" am Beispiel von Futter suchenden Ameisen. Von Selbstorganisation spricht man, wenn auffällige raum-zeitliche Strukturen aufgrund der Wechselwirkung zahlreicher Systemteile selbstständig entstehen, ohne dass dazu ein übergeordneter "Koordinator" oder "Organisator" notwendig ist. Mögliche Themenfelder Die Simulation der Ameisenstraße kann beispielhaft das Prinzip der Selbstorganisation veranschaulichen, zum Beispiel im Rahmen der Ökologie oder bei der Behandlung von Hyperzyklen (Entstehung des Lebens). Zudem kann die Simulation das Thema Staaten bildende Insekten "würzen". Unterrichtsverlauf und Arbeitsmaterial (I) Mit der Simulation "Game of Life" lernen die Schülerinnen und Schüler das Grundprinzip der agentenbasierten Modellierung kennen. Nach der Beobachtung einer realen Ameisenstraße steigen sie in die virtuelle NetLogo-Ameisenwelt ein. Unterrichtsverlauf und Arbeitsmaterial (II) Die Schülerinnen und Schüler experimentieren weitgehend selbstständig mit der virtuellen Ameisenstraße. Vor dem Start der Experimente sollen konkrete Erwartungen formuliert werden. Unterrichtsverlauf und Arbeitsmaterial (III) In der Diskussionsphase kann - falls die Zeit reicht - auch die Aussagekraft von Simulationen prinzipiell hinterfragt werden. Zum Abschluss sollte auf jeden Fall der Bogen zum Thema "Selbstorganisation" gespannt werden. Die Schülerinnen und Schüler kennen das Grundprinzip der agentenbasierten Modellierung (Agenten, Regeln und Zeitschritte). lernen das Phänomen und den Begriff der Selbstorganisation kennen erkennen, dass eine kleine Parameterveränderung an einem komplexen System unerwartet große Auswirkungen und umgekehrt eine große Parameterveränderung praktisch keine Auswirkung haben kann. lernen, dass einem Experiment immer eine Phase der Erwartungsbildung vorausgeht und eine Phase der Interpretation folgt. Den nächstliegende Zugang zur NetLogo-Simulation der Ameisenstraße im Unterricht bietet sicher das Thema Ameisen oder andere Staaten bildende Insekten (Bienen, Hummeln, Wespen, Termiten). Unterrichtseinheiten zu diesen Themen können mit der Ameisensimulation "gewürzt" werden. Eigenschaften komplexer Systeme lassen sich in der Biologie gut an ökologischen Systemen studieren. Die meisten Lehrmittel nähern sich der Thematik der "Selbstorganisation" zunächst mit Hilfe des verwandten Begriffs der "Selbstregulation" an (zum Beispiel "Biologie heute SII" [Schroedel], Ausgabe 1997: S. 134f, Ausgabe 2004: S. 242f; "Biologie Linder" [Metzler], Ausgabe 1998, S. 80f; "Biologie Oberstufe" [Cornelsen], Ausgabe 2001, S. 336f.) Beim Vorgang der Selbstregulation halten sich aufgrund der Interaktion der Systemteile wichtige Zustandsvariablen in bestimmten oberen und unteren Grenzen, so dass die Struktur des Systems nicht zerstört wird. Beispiele hierzu reichen vom pH-Wert des Blutes bis zur Tragekapazität eines Ökosystems für eine bestimmte Tierart. Typischerweise gibt es in den Lehrbüchern zur Selbstregulation ein Kapitel über die Dynamik von Populationsgrößen. In aller Regel wird das berühmte Schneehasen/Luchs-Beispiel angeführt, das auch in der Lehrer-Online-Unterrichtseinheit Das biologische Gleichgewicht verwendet wird. Dieses Beispiel zeigt schön, wie die beiden Populationsdichten von Luchs und Hase sich selber gegenseitig regulieren. Durch die Selbstregulation entsteht ein zeitlich geordnetes (zyklisches) Muster, die berühmten phasenverschobenen Schwingungen. Der Bezug zum Thema der Selbstorganisation ist am Rande zwar bereits gegeben, steht aber noch nicht im Zentrum. Soll nicht das Thema der Selbstregulation, sondern der Selbstorganisation im Mittelpunkt des Unterrichts stehen, bietet sich das hier vorgestellte Beispiel der Ameisenstraßen an. Es zeigt auch - stellvertretend für alle Systeme mit vielen interagierenden Elementen - dass kleine Änderungen in den Anfangsbedingungen große Auswirkungen auf das Systemverhalten haben können. Einen anderen Zugang zum Thema Selbstorganisation bietet das Themenfeld "Entstehung des Lebens". So wird in einigen Schulbüchern (zum Beispiel "Biologie Linder") der Hyperzyklus nach Eigen/Schuster als Beispiel für eine Selbstorganisation beschrieben. Hier könnte die Unterrichtseinheit zum Thema der Ameisenstraßen als einführendes Beispiel für selbstorganisierende Systeme dienen, da dieses Phänomen den Schülerinnen und Schülern natürlich vertrauter ist als ein molekularer Hyperzyklus. Hyperzyklen Welche Voraussetzungen müssen für eine Entstehung lebender Systeme gegeben sein? Infos auf der Website von Botanik online, einem Angebot des Fachbereichs Biologie der Uni Hamburg. In dieser Phase geht es noch nicht um die Ameisenstraße, sondern um eine kompakte Hinführung zur Modellierumgebung NetLogo. In einem Lehrervortrag präsentiert die Lehrperson NetLogo (zum Beispiel wichtige Bildschirmelemente) und die wesentlichen Konzepte (Agenten, Zeitschritt, Regeln). Anschließend experimentieren die Schülerinnen und Schüler im Computerraum selbstständig mit dem "Game of Life" und notieren sich ihre Beobachtungen. Falls kein Computerraum zur Verfügung steht, geht die Lehrperson durch die Beispiele, indem sie NetLogo und das "Game of Life" über den Beamer zeigt. In Anbetracht der doch recht trockenen Materie ist es sicher sinnvoll, das Thema mit der direkten Anschauung einer natürlichen Ameisenstraße auf dem Schulhausareal zu beginnen (falls möglich Untersuchung eines Kunstnestes). Mit dem Eindruck der Futter sammelnden Ameisen im Hinterkopf kann die Lehrperson mit der Klasse den Schritt von der bloßen Anschauung und Beschreibung des Phänomens zu der Suche nach einer plausiblen Erklärung machen. Vorschläge werden gesammelt. Meistens fällt das Stichwort "Duftstoff" ziemlich bald. Hier kann die Lehrperson einen Kontrast schaffen, indem sie die Überlegungen bewusst in eine Richtung lenkt, in der ein "Organisator" (zum Beispiel die Ameisenkönigin) gebraucht wird: Die Erstentdeckerin könnte beispielsweise mit ihren Antennen allen anderen Ameisen Winkel und Distanz zur Futterquelle auf den Kopf trommeln oder in Analogie zur Bienensprache "vortanzen". An diesem Punkt nimmt die Unterrichtseinheit von der Ideensammlung kommend eine recht pragmatische Abkürzung direkt zu einer bereits fertig in NetLogo umgesetzten Idee eines virtuellen Ameisenvolkes (ameisenstrasse.nlogo). Spannend ist jetzt der Vergleich mit den Ideen, die im Zusammenhang mit Duftstoffen gesammelt wurden. Welche Regeln wurden bereits genannt, welche sind offenbar zusätzlich erforderlich? War unser Modell zu einfach gestrickt? In Einzelarbeit sollen die Schülerinnen und Schüler den Text unter dem Abschnitt 2.1 des 2. Arbeitsblattes (ameisenstrasse_ab2_ants), "Regeln der virtuellen Ameisenwelt", sehr genau lesen. Hier werden Regeln kurz und knapp formuliert. Auf jeden Fall soll die Lehrperson im Plenum noch einmal Schritt für Schritt die Regeln durchgehen und einzelne Begriffe wie "Verdunstungsrate" oder "Pheromon" sowie die Laufskizze (Abb. 2 auf dem Arbeitsblatt) erläutern. Experimente Die Schülerinnen und Schüler führen insgesamt vier verschiedene Experimente durch, die auf dem 2. Arbeitsblatt genau beschrieben werden. Einsatz der Simulation im Computerraum (Gruppenarbeit) In meinem Unterricht hat es sich bewährt, nach jedem Experiment innezuhalten und die Ergebnisse zu besprechen (siehe Verlaufsplan "Ameisenstraße" ). Erfahrungsgemäß ist das Arbeitstempo in den Gruppen allerdings recht unterschiedlich. Das kann zu Spannungen führen, wenn eine Gruppe warten muss (wo es doch so spannend wäre, weiterzufahren!). In diesem Fall lohnt es sich bei den schnellen Gruppen zuerst zu kontrollieren, ob die Aufgaben der Arbeitsblätter auch mit ganzen (!) Sätzen beantwortet wurden und auf den für die Antworten vorgesehenen Linien nicht nur hingeworfene Stichworte zu finden sind. Wenn ersteres der Fall ist, dann dürfen die schnellen Gruppen in der "NetLogo Models Library" (kostenloser Download zusammen mit der NetLogo-Software aus dem Internet) stöbern und dort nach Lust und Laune Modelle ausprobieren. Hierbei können sie beliebig viele Knöpfe drücken und schauen, was passiert. Wenn die Lehrperson dann mit der Plenumsphase beginnt, muss sie allerdings sehr darauf achten (Rundgang an den Bildschirmen vorbei!), dass die geöffneten Modelle aus der Library wieder geschlossen werden. Die "Freaks" kleben sonst an ihren Privatspielereien mit anderen Modellen und verpassen die Plenumsrunde. Lehrerdemonstration per Beamer Steht statt eines Computerraums nur ein Computer für die Lehrperson mit Beamer zur Verfügung, kann der Takt natürlich sehr viel genauer vorgegeben werden. Die Experimentierphase ist zu vergleichen mit auf dem Lehrerpult vorgeführten Chemieexperimenten und dazwischen eingestreuten schriftlich formulierten Fragen. Leider geht dabei das Schülerexperiment mit NetLogo verloren. Nach der Erfahrung des Autors sorgt aber die Spannung bei den einzelnen Experimenten dafür, dass diese Phase nicht als eintöniger Lehrervortrag wahrgenommen wird. Die schriftlich gestellten Fragen und die selbst eingefügten Antworten wirken dem effektiv entgegen. Was ist der Witz beim Experiment? Das Ziel dieser Phase ist ein Rhythmus, der die Schülerinnen und Schüler immer wieder durch dieselben Stationen des Erkenntnisgewinns führt: Erwartung Experiment durchführen Ergebnisse, Beobachtungen Interpretation neues Experiment planen Erwartung ... Die Herausforderung für die Lehrperson besteht darin, dafür zu sorgen, dass die Schülerinnen und Schüler nicht einfach den Startknopf der Simulation drücken, ohne zuvor konkrete Erwartungen zu formulieren und auf das Arbeitsblatt zu schreiben. Die Verlockung ist zwar groß, muss aber rigoros unterbunden werden. In der Sekundarstufe II lohnen sich explizite Bemerkungen, dass der "Witz" des Experimentierens ohne Nachdenken verloren gehe und dass nur Kinder gleich alle Knöpfe drücken, um zu sehen, ob irgendwo "ein Lämpchen leuchtet". Die Schülerinnen und Schüler halten sich mit diesem tieferen Verständnis für das Vorhaben dann meistens an das Konzept. Oberfläche der Simulation Die Position des Ameisennestes (lila) befindet sich in der Mitte der virtuellen Ameisenwelt. Rundherum befinden sich drei Futterquellen in verschieden großen Distanzen zum Nest (türkis, hell- und dunkelblau). Nach dem Start krabbeln die virtuellen Ameisen aus dem Nest und erkunden die Umgebung. Stoßen Sie dabei auf eine Futterquelle, gehen sie auf direktem Weg zum Nest zurück und hinterlassen dabei einen Duftstoffschweif (hohe Duftstoffkonzentrationen = weiß, niedrige Duftstoffkonzentrationen = grün). Mit den Schiebereglern können die Zahl der Ameisen, die Diffusions- und die Verdunstungsrate des Duftstoffes (=Pheromon) variiert werden. Das Modell geht davon aus, dass die Ameisen winzige flüssige Tröpfchen absetzen. Das scheint in der realen Welt auch so zu sein. Ist ein Tröpfchen abgesetzt, geht es rasch in die Gasphase über. Die Geschwindigkeit für diesen Prozess nennt man Verdunstungsrate. In der Gasphase verteilen sich die Pheromonmoleküle aufgrund der Braunschen Molekularbewegung im Raum. Diesen Prozess, bei dem sich jeder Stoff so lange in einem bestimmten Volumen verteilt, bis seine Konzentration überall gleich ist, nennt man Diffusion. Dazu braucht es also keinen "Wind", es braucht nur die Eigenbewegung der Pheromonmoleküle. Die Pheromonkonzentration lässt sich mit einem Schalter auch komplett abstellen. Wenn man mit dem Mauszeiger in das Diagrammfenster "Verbleibendes Futter je Quelle" geht und die Kurvenverläufe abfährt, werden die Werte der jeweiligen Koordinaten angezeigt (Futtermenge und Zeit). Dadurch lässt sich die Simulation bereits ad-hoc quantitativ auswerten. Für eine tiefer gehende Datenanalyse ist ein Datenexport in ein Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) möglich. Diskussion Die Diskussion im Plenum nach dem letzten Experiment geht auf mögliche Artefakte ein. Dies ist ein wichtiges, aber heikles Thema, mit dem jede Modelliererin und jeder Modellierer zwangsläufig in Kontakt kommt. Es lohnt sich, hier mit der Klasse eine Diskussion über den Wirklichkeitsgehalt von Computermodellen zu führen (falls die Zeit reicht). Die Diskussion kann ohne Weiteres mit offenen Fragen enden, denn auch in der wissenschaftlichen Auseinandersetzung wogen die Argumente für und wider Computermodelle hin und her. Leitfragen für die Diskussion sind zum Beispiel: Würden Ameisen in der Realität wirklich auf eine zeitverschwenderische Weise hin- und herlaufen? Wovon hängt das Simulationsresultat am konkreten Beispiel ab? Ist es nur ein Kunstprodukt (= Artefakt)? Woher kommt die Formulierung der Ameisenregeln, insbesondere die Geradeaus-Lauf-Regel? Können wir eine Ameise fragen, wie sie denkt? Können wir von Modellen prinzipiell etwas lernen? Was bringen Computermodelle überhaupt? Zu diesen Fragen gibt es einen didaktisch großartig aufgebauten Artikel von John D. Sterman. Die Lektüre lohnt sich, wenn die Lehrperson hier den Schülerinnen und Schülern den Wert von Computersimulationen fundiert darlegen möchte. Der Artikel liegt nur in englischer Sprache vor: Sterman, J.D. (1994) Learning in and about complex systems. System Dynamics Review Vol. 10, nos. 2-3 (Summer-Fall). pp. 291-330. Abschlussphase Am Ende der Unterrichtseinheit ist es wichtig, den Bogen nochmals zum Konzept der "Selbstorganisation" zu spannen. Der Punkt "Ordnung ohne Organisator" ("order for free" oder "the invisible hand" sind dazugehörige amerikanische Schlagworte) muss noch einmal speziell herausgehoben werden. Falls noch Zeit bleibt, können selbstorganisierte Phänomene aus den Sozialwissenschaften besprochen werden, zum Beispiel die Segregation von schwarzer und weißer Bevölkerung in amerikanischen Städten oder "Staus aus dem Nichts", wie sie im Straßenverkehr entstehen. Zu dem letztgenannten Beispiel lassen sich diverse Applets und Animationen aus dem Internet nutzen: Dress, A. , Hendrichs, H., Küppers, G. (1986) (Hrsg.) Selbstorganisation - Zur Entstehung von Ordnung in Natur und Gesellschaft, Piper, München Camazine, S., J. L. Deneubourg, N. R. Franks, J. Sneyd, E. Bonabeau, and G. Theraulaz (2001) Self-organization in Biological Systems. Princeton University Press, Princeton Mikhailov, A.S. and Calenbuhr, V. (2002) From Cells to Societies: Models of Complex Coherent Action. Springer, Berlin Resnick M. (2000) Turtles, termites and traffic jams. MIT Press Hölldobler B., Wilson E. O. (1995) Ameisen. Die Entdeckung einer faszinierenden Welt. Birkhäuser Verlag, Basel

  • Biologie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Ethologische Phänomene beim "Clicker-Training"

Unterrichtseinheit

"Click and Treat", so heißt eine moderne Methode der Tiererziehung. Sie basiert auf grundlegenden ethologischen Phänomenen, die in der Schule anschaulich und lebensnah erarbeitet oder vertieft werden können. Mithilfe von Informationen aus dem Internet bereiten die Lernenden ein Experiment zur Funktionsweise des Clicker-Trainings vor und führen es mit einem Hund durch.Clicker-Training wird seit einigen Jahren in der Hundeerziehung immer häufiger eingesetzt. Es basiert auf der Grundlage der operanten Konditionierung. Bekannt wurde es vor allem durch die amerikanische Zoologin Karen Pryor, die es im Delfin-Training (hier wird mit einer Hochfrequenzpfeife gearbeitet) einsetzte. Der Clicker, ein "Knackfrosch", der ein kurzes und charakteristisches Klick-Klackgeräusch erzeugt, wird als konditionierender (sekundärer) Bestärker eingesetzt. In der hier vorgestellten Unterrichtseinheit können die Prinzipien der Konditionierung auf das Beispiel "Pfote geben" übertragen und eventuell mithilfe eines Experiments zum "Zeigestock-Berühren" zum Clicker-Training im Unterricht handlungsorientiert nachvollzogen werden." Weiterführende Internet-Adressen helfen bei der Bearbeitung der Aufgabenblätter.Unterrichtliche Voraussetzung ist die Behandlung der klassischen und operanten Konditionierung. Am Beispiel des Clicker-Trainings können die Schülerinnen und Schüler einerseits theoretische Grundlagen (klassische und operante Konditionierung, positive Bestärkung, Lernen am Erfolg) vertiefen, andererseits können sie anhand eines praktischen Beispiels einen Versuch durchführen und auswerten. Infos zum Clicker-Training Durchführung eines Clicker-Trainings am Beispiel eines Hundes, der das Pfote-Geben lernt. Der Clicker "überbrückt" die Zeitspanne zwischen dem Ausüben des belohnten Verhaltens und dem Erhalt der Belohnung. Arbeits- und Informationsblätter Was ist "Click and Treat"? Entwicklung und Durchführung eines Clicker-Experiments und ein Informationsblatt für Lehrkräfte. Die Schülerinnen und Schüler sollen mithilfe von Internet-Recherchen die Methode des Clicker-Trainings kennen lernen. ihr Wissen über klassische und operante Konditionierung sowie sekundäre Bestärker am Clicker-Training anwenden. den Vorteil des Clicker-Trainings mit seinem sekundären Bestärker (und als gewaltfreie Erziehung) erkennen. ein eigenes Experiment mithilfe von Informationen aus dem Netz entwickeln und durchführen. die wissenschaftliche Arbeitsweise trainieren. Titel Ethologische Phänomene am Beispiel des Clicker-Trainings Autorin Andrea Mannebach Fach Biologie Zielgruppe Sek II Zeitraum 2 bis 3 Stunden Technische Vorausetzungen Pro Arbeitsgruppe ein PC mit Internetanschluss Sonstige Voraussetzungen Clicker und ein Hund zur Durchführung des Experiments Pryor, Karen Positiv bestärken - sanft erziehen: die verblüffende Methode, nicht nur für Hunde Kosmos, Stuttgart 1999 ISBN 3-440-07695-4 Pietralla, Martin Clickertraining für Hunde Kosmos, Stuttgart 2000 ISBN 3-440-08012-9 Das Tier, zum Beispiel der Hund, wird zunächst auf das Klicken konditioniert, indem er etwa 20 Mal nach einem Klick, also dem Klick-Klack-Geräusch, eine Belohnung (zum Beispiel ein Futterstück) erhält. Danach klickt (und belohnt) man nur noch für ein bestimmtes Verhalten des Hundes. Soll der Hund lernen die Pfote zu geben, streckt man ihm seine Hand entgegen. Er wird nun verschiedene Verhaltensweisen ausführen, zum Beispiel die Hand mit der Schnauze anstupsen, sich hinsetzen oder -legen, bellen, jaulen oder auch gar nichts tun. Aber irgendwann wird er auch die Hand mit der Pfote anstupsen. Genau in diesem Augenblick, wenn der Hund seine Pfote hebt, wird geklickt und danach erhält der Hund seine Belohnung. Streckt man die Hand wieder aus, wird der Hund wie zuvor verschiedene Verhaltensweisen ausführen. Sobald er erneut die Hand mit der Pfote berührt, klickt man wieder. Nach jedem Erfolg wird es schneller gehen. (Unser eigener Hund hat auf diese Weise innerhalb von fünf Minuten das Pfote geben gelernt.) Wieso wird der Clicker als "Brücke" zwischen Verhalten und Belohnung eingesetzt? Arbeitet man nur mit Belohnung, also mit einem primären Bestärker, sollte die Belohnung erfolgen, während das Verhalten ausgeübt wird. Dies würde allerdings schwierig, wenn der Hund ein Verhalten in einer bestimmten Distanz zum Trainer ausführen soll (zum Beispiel den Befehl "Sitz" in Entfernung ausführen). Das Clicker-Signal verbindet in diesen Fällen das gewünschte Verhalten mit der späteren Belohnung. Beim Training mit Delfinen wird dies sehr deutlich. So kann man bei Delfin-Dressuren beobachten, dass der Trainer zum Beispiel nach einem erfolgreichen Sprung sofort mit einer Hochfrequenz-Pfeife "bestätigt" und das Tier, das nicht in unmittelbarer Nähe ist, erst danach zum Trainer schwimmt und sich die Belohnung abholt. Die Belohnung erfolgt also nicht sofort unmittelbar nach dem Sprung, dafür aber der Pfiff (beim Clicker-Training das Klick-Geräusch) als sekundärer Bestärker. Ohne Pfeife müsste der Trainer sich ständig im Wasser aufhalten ;-). Aber auch wenn sich das Tier in der Nähe befindet, kann mit einem "Klick" der Zeitpunkt des richtigen Verhaltens sehr viel genauer "getroffen" werden als mit einem primären Bestärker. Das Klick-Geräusch ermöglicht darüber hinaus ein immer wiederkehrendes, gleichbleibendes Signal. Das Beispiel des Hundetrainings ist sehr lebensnah und kann von den Hundebesitzern unter den Schülerinnen und Schülern einfach nachvollzogen werden (die Lehrkraft, eine Schülerin oder ein Schüler können zu diesem Zweck ihren Hund mit in den Unterricht bringen). Der Aufbau eines entsprechenden Experiments ist sehr leicht möglich und kostengünstig (ein Clicker kostet nur wenige Euro). Die Lernenden können ihr Wissen auf andere Verhaltensweisen übertragen und somit das Wissen um ethologische Phänomene im Alltag einsetzen. Arbeitsblatt 1: Einarbeitung Inzwischen ist eine Vielzahl von wissenschaftlicher Literatur zum Clicker-Training vorhanden. Auch im Internet finden sich sehr ansprechende und informative Seiten, die im Unterricht von Schülerinnen und Schülern zur selbstständigen Erarbeitung genutzt werden können (siehe "Zusatzinformationen" auf der Startseite des Artikels). Diese Onlineressourcen finden die Lernenden auf den Arbeitsblättern. Das erste Arbeitsblatt dient der Erarbeitung des Themas Clicker-Training sowie dem Transfer der - zuvor erarbeiteten - theoretischen Grundlagen der operanten Konditionierung auf ein Praxisbeispiel. Hier ist insbesondere der Effekt des sekundären Bestärkers von Bedeutung und sollte von den Schülerinnen und Schülern erarbeitet werden. Arbeitsblatt 2: Entwicklung und Durchführung eines Clicker-Experiments Das zweite Arbeitsblatt dient der wissenschaftspropädeutischen, eigenständigen Entwicklung eines biologisch-ethologischen Versuchs mit seinen entsprechenden Rahmenbedingungen sowie der Anwendung des Clicker-Trainings auf die Praxis, das heißt der Erziehung eines Hundes zum Pfote-Geben mithilfe des Clicker-Trainings. Das Informationsblatt zeigt, wie ein von den Schülerinnen und Schülern entworfenes Experiment zum Clicker-Training sowie der entsprechende Beobachtungsbogen (siehe Arbeitsblatt 2) aussehen kann.

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