Biologie: Willkommen im Fachportal

Ziel ist es, den Lernenden einen erweiterten Horizont der Struktur-Funktions-Beziehung von photosynthetisch aktiven Strukturen in phototrophen Mikro- und Makroalgen und deren Wechselwirkungen mit dem artspezifischen Lebensraum zu erläutern. Neben den grünen Chlorophyllen und gelb-orangenen Carotinoiden in Pflanzen haben Cyanobakterien und Rotalgen zusätzliche Lichtantennenkomplexe entwickelt, die sogenannten Phycobilisome, die aus verschiedenen Phycobiliproteinen (blau: C-Phycocyanine und Allophycocyanin und rot: Phycoerythrine) bestehen. Zu diesem Zweck wurden einfach durchzuführende Experimente mit einer Unterrichtsreihe entwickelt, die den Lernenden der Sekundarstufe II die bunte Welt der Photopigmente und Phycobiliproteinen näherbringen sollen.Schon bereits etablierte Versuche zur Fest-Flüssig-Extraktion von Photopigmenten aus Zellen höherer Pflanzen öffnen den Schülerinnen und Schülern deren bunte Vielfalt und rücken das Blatt als Organ der Photosynthese in den Fokus. Analog zu diesen Methoden können Photopigmente und Phycobiliproteine aus den phototrophen Mikro- und Makroalgen gewonnen werden und ein neues Feld an Lehr-Lern-Kontexten und Relevanzen öffnen. Die dafür geeigneten und verwendeten Mikro- und Makroalgen Chlorella vulgaris (Mikroalge), Arthrospira platensis (Mikroalge) und Palmaria palmata (Makroalge) sind in schon pulverisierter Form leicht und kostengünstigen käuflich zu erwerben. Die in dem Versuchsprotokoll gewählte Methode folgt den standardisierten Versuchsschritten einer Fest-Flüssig-Extraktion. Das methodische Vorgehen kann für die Schülerinnen und Schülern anhand des Vorgehens bei dem Zubereiten von Kaffee leicht und alltagsnah erklärt werden. Für die Fest-Flüssig-Extraktion werden fünf Versuchsansätze mit den jeweiligen Extraktionsmittel (Wasser oder acetonhaltiger Nagellackentferner) gewählt, wobei alle verwendeten Materialien kostengünstig in Drogerien oder Lebensmittelgeschäften erhältlich sind und die erforderlichen Sicherheitsstandards in Schulen erfüllen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die beschriebenen Experimente auf verschiedene Bildungsniveaus zuzuschneiden. Zusammen mit dem dazu entwickelten Unterrichtskontext veranschaulichen die Experimente grundlegende chemische Konzepte in einem biologischen Kontext und führen wissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen ein. Die Experimente liefern weitere Lernkontexte, die neben der Einführung in die Methoden zur Fest-Flüssig-Extraktion auch Bezüge zur Löslichkeit von lipophilen und hydrophilen Pigmenten aus phototrophen Organismen schließen können und Lehr-Lern-Kontexte zu molekularer Polarität, zwischenmolekulare Kräfte und Löslichkeitskonzepte ermöglichen.Photopigmente nehmen eine wesentliche Rolle in der Photosynthese ein und halten demnach eine Funktionsvielfalt inne, die nahezu jeden Aspekt unseres Lebens beeinflusst. Sie können daher für Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler von chemischen und biologischen Struktur-Funktions-Zusammenhängen in der realen Welt von entscheidender Bedeutung sein und tragen demnach eine einflussreiche Rolle im Wissensaufbau zu Charakteristika der Naturwissenschaften. Im Zuge des immer weiterwachsenden Trends zur pflanzenbasierten Ernährung erhalten Mikro- und Makroalgen Einzug in die Lebensmittelregale. In der Küche findet man sie nicht nur als Gewürz, sondern spielen auch ihre Pigmente als natürliche Farbstoffe in der Lebensmittel- und Textilindustrie eine wesentliche Bedeutung. Die alltagsnahe Relevanz eröffnet zahlreiche Potentiale diese Zusammenhänge im Chemieunterricht zu verdeutlichen und den Lernhorizont der Schülerinnen und Schüler zu erweitern. Vorkenntnisse von Lehrenden und Lernenden Spezifische Vorkenntnisse sind zur Durchführung der Unterrichtreihe vorteilhaft. Thematisch kann die Reihe in den biologischen Kontext der Photosynthese eingeordnet werden. Dabei sollten Begriffe wie beispielsweise Lichtsammelkomplexe, Photopigmente und deren Funktion im Lichtsammelkomplex höherer Pflanzen vorausgesetzt sein und das Bewusstsein der Vielfalt an phototrophen Organismen bestehen. Darüber hinaus sollten physikalische Zusammenhänge zur Optik und Begriffe wie Absorption, Absorptionsspektren, Wellenlänge verstanden sein. Im chemischen Kontext ist grundlegendes Wissen und Verständnis zu molekularen Polaritäten, zwischenmolekularen Kräften, Löslichkeitskonzepten und Chromatographie vorauszusetzen. Die Experimente zur Extraktion von Photopigmenten und Phycobiliproteinen aus Mikro- und Makroalgen folgen einem forschungsorientierten methodischen Vorgehen und stehen im Zuge der Entwicklung der Experimentierkompetenz der Schülerinnen und Schüler im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung. Die Möglichkeit besteht die beschriebenen Experimente auf verschiedene Bildungsniveaus zuzuschneiden, vielfältig auszuweiten und detaillierte Fokussierung von mehreren Themenkomplexen fachspezifisch herauszustellen. Aufgebaut ist die Unterrichtsreihe auf der Analyse der Pigmentzusammensetzung der Mikro- und Makroalgen in Abhängigkeit des verfügbarem Lichtspektrums beziehungsweise der verfügbaren Lichtqualität und Temperaturen und zielt auf die besondere Fähigkeit der Cyanobakterien zur chromatischen Adaption, um so die Photosyntheseffizienz zu steigern. Die artspezifische Pigmentzusammensetzungen werden durch die Experimente qualitativ sowie quantitativ für die Schülerinnen und Schüler sichtbar und photometrisch messbar. Voraussetzung ist die Verfügbarkeit von photometrischen Messgeräten in der Schule beziehungsweise auf das portable, modulare und kostengünstige Low-Cost-Photometer von desklab zurückgegriffen werden. Der Austausch mit Peers steht aufgrund der Gruppenarbeit oder Paararbeit, je nach Kursgröße, im Vordergrund. Bei dem Experimentieren unterstützen sich so die Schülerinnen und Schüler gegenseitig und leiten selbstständig den Experimentierprozess. Besonderheit aller Experimente ist, dass alle verwendeten Geräte, Gebrauchs- und Verbrauchsmaterialien kostengünstig in Drogerien oder Lebensmittelgeschäften erhältlich oder sogar schon im Haushalt zu finden sind. (Hinweis: Eine zusätzliche Unterstützungsmöglichkeit bei der Durchführung des Unterrichtskonzepts ist die besondere methodische Herangehensweise in Experimentierkisten, welche nicht nur als Transportmedium für alle Materialien und Geräte dient, sondern auch den Wissenstransfer zwischen Universität und Schule symbolisiert und den Transport von Wissensgut ermöglicht. Für Lehrkräfte aus Rheinland-Pfalz besteht die Möglichkeit diese Experimentierkiste auszuleihen.) Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten dazu in der Lage sein, die Unterrichtsreihe gezielt durch digitale Medien zu untermauern. Beispielsweise ist es möglich, ein digitales Laborbuch zu den Versuchsreihen anzulegen und die Datenanalyse mit einer Softwarelösung vorzunehmen. Das digitale Laborbuch kann zur Dokumentation aber auch als Interaktionstool genutzt werden und im Rahmen eines kollaborativen Doc's-Tool umgesetzt werden. Die Lehrkraft soll so in der Lage sein, die Lernende zu befähigen, digitale Medien im Rahmen der Gruppenarbeiten zu nutzen, um die Kommunikation und Kooperation innerhalb der Lerngruppe zu verbessern. Die Lernenden können in der Form des digitalen Laborbuches experimentelle Erkenntnisse und Fortschritte dokumentieren, diese kommunizieren und gemeinsam Auswertungen und Diskussionspunkte erarbeiten. Sicherzustellen sind Internetzugang und die Verfügbarkeit von Endgeräten für die Schülerinnen und Schüler. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler führen eigenständig Experimente zur Extraktion von Photopigmenten und Phycobiliproteinen aus Mikro- und Makroalgen durch und verwenden die Photometrie als analytische Methode zur Quantifizierung der Pigmentzusammensetzungen der unterschiedlichen Mikro- und Makroalgen. beschreiben die chemischen Eigenschaften und Funktionen der grünen Chlorophyllen, gelb-orangenen Carotinoiden und die sogenannten Phycobilisome, die aus verschiedenen Phycobiliproteinen (blau: C-Phycocyanine und Allophycocyanin und rot: Phycoerythrine) bestehen, im Lichtantennenkomplex von Mikro- und Makroalgen. erläutern Struktur-Funktions-Beziehung von photosynthetisch aktiven Strukturen in phototrophen Mikro- und Makroalgen und deren Wechselwirkungen mit dem artspezifischen Lebensraum. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden im Experimentierprozess zur Erkenntnisgewinnung den systematischen Umgang mit Variablen an, um den Einfluss der abhängigen Variable zu untersuchen. setzen die angewandten Methoden und experimentellen Vorgehensweisen in den einzelnen Versuchsschritten in Zusammenhang mit der dadurch implizierten Wirkung und definieren beispielsweise das Mörsern als eine Methode zum mechanischem Zellaufschluss. nutzen naturwissenschaftliche Arbeitsweisen (zum Beispiel Experimentieren, Beobachten, Messen, ...). Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stehen in der Gruppenarbeit im Austausch mit der Peer-Gruppe, wodurch ein Peer-Coaching explizit erfordert wird. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler analysieren die aus den Experimenten gewonnen Daten, interpretieren und bewerten sie, um Rückschlüsse auf die industrielle Verwendung der Mikro-/Makroalgen zu ziehen. kommunizieren Mikro-/Makroalgen als eine biotechnologische Lösung im Hinblick auf den Klimawandel. Literaturhinweise Zum Nachlesen: Zu der Versuchsreihe erscheint ein Artikel in der Zeitschrift "Journal of Chemical Education": L., Geuer; N., Erdmann; M., Lorenz; H., Albrecht; T., Schanne; M., Cwienczek; D., Geib; D., Strieth; R., Ulber; Colourful diversity - Modified methods for extraction and quantification of photopigments and phycobiliproteins isolated from phototrophic micro- and macroalgae" in der Zeitschrift "Journal of Chemical Education; Journal of Chemical Education; (2022) angenommen.

Mithilfe von Simulationen versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Aussagen über zukünftige Ereignisse in komplexen Systemen zu machen. In dieser Lernumgebung können an einem Simulationsmodell Zukunftsszenarien für den Zustand der Ostsee, eines unserer heimischen Meere, erkundet werden. Wie wirken sich menschliche Aktivitäten auf die Ostsee und ihre Organismen aus und was bedeutet dies wiederum für die Nutzung dieses Meeres in Zukunft? Inhaltliches Hauptziel dieser Unterrichtseinheit ist es, Prozesse und Zusammenhänge der wichtigsten Veränderungen der Ostsee (Erwärmung, Eutrophierung, Versauerung und Entsalzung) und deren Auswirkungen auf repräsentative Organismen des Ökosystems (Flohkrebse, Blasentang und Epiphyten) zu vermitteln. Diese Prozesse können mithilfe eines Simulationsmodells von den Lernenden untersucht werden. Ein weiteres Ziel ist es, die daraus resultierenden Herausforderungen für das Ökosystem und für die Gesellschaft (Wasserqualität, Fischerei, Tourismus) zu verstehen und zu diskutieren. Die Materialien wurden an der Kieler Forschungswerkstatt im Rahmen des Kiel Science Outreach Campus in Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Bereichen Meeresökologie, Medienpsychologie und Fachdidaktik entwickelt. Zur Webseite der Simulation und zu den Materialien gelangen Sie über den Link am Ende dieser Seite. Um einen authentischen Einblick in die Wissenschaft zu geben, basiert das Modell einer Computersimulation auf echten wissenschaftlichen Daten. Es ist ratsam, vor dem Einsatz der Simulation die einzelnen Prozesse der Veränderungen (Erwärmung, Versauerung, Eutrophierung und Salzgehaltsunterschiede) mit ihren Auswirkungen auf das Ökosystem Ostsee inhaltlich zu behandeln, da in der Simulation (zumindest im zweiten Schritt) diese vier Veränderungen inklusive ihrer gegenseitigen Abhängigkeiten gleichzeitig untersucht werden. Darüber hinaus werden auf Grundlage der veränderten Variablen direkt mögliche Auswirkungen auf das Gesamtsystem (Wasserqualität, Fischerei und Tourismus) gezeigt. Zur Vermeidung von Desorientierung und um eine kognitive Überlastung zu vermeiden, bearbeiten die Schülerinnen und Schüler ein begleitendes Skript, in dem sie die Ergebnisse ihrer Arbeit zusammenfassen. Diese Aufgaben stehen sowohl als digitales (eingebettet in die Website der Simulation) als auch analoges Format zur Verfügung. Um den Lernenden eine eigenständige Bearbeitung auch ohne Anleitungen der Lehrkraft zu ermöglichen, steht auf der Website unter dem Reiter "Anleitung" eine Schritt-für-Schritt-Erklärung zur Verfügung. Zunächst müssen sich die Lernenden kurze informative Audiodateien zu jeder Variable (= Veränderungen und Organismen) der Simulation anhören, bevor der interaktive Modus aktiviert wird. Dadurch wird ein grundlegender und gleicher Informationsstand gewährleistet. Danach können sie in einem interaktiven Modus selbstbestimmt mit der Simulation interagieren. Die Benutzeroberfläche ermöglicht es, die verschiedenen Veränderungen durch Bewegen eines Schiebereglers einzustellen und zu manipulieren. Die Lernenden können in Echtzeit beobachten, wie sich die von ihnen vorgenommenen Änderungen auf die Populationen der drei Organismen auswirkt. Um das Lernen mit der multidimensionalen Struktur der Simulation zu unterstützen, wurden Elemente wie Toolboxen mit Informationen über jede Veränderung und die verschiedenen Organismen implementiert. Die Schülerinnen und Schüler lernen zu Beginn anhand des (digitalen) Skripts mithilfe von Texten, Abbildungen und Videos die einzelnen Variablen der Simulation kennen. Anschließend sollen sie einzelne Veränderungen der Ostsee in unterschiedlichen Ausprägungen simulieren und die Auswirkungen auf die Organismen beobachten, beschreiben und erklären. Die Auswirkungen auf die Organismen werden dabei direkt in Wechselwirkung dargestellt. Das bedeutet, dass auch indirekte Auswirkungen sichtbar sind. Zum Beispiel führt ein geringerer Salzgehalt zu einer geringeren Population von Flohkrebsen (direkte Auswirkung), was wiederum zu einer Zunahme von Epiphyten führt und sich somit negativ auf die Entwicklung von Blasentang auswirkt (indirekte Auswirkungen). Anschließend müssen die Lernenden mehrere Parameter gleichzeitig verändern und die Auswirkungen auf der Ebene der Organismen untersuchen und beschreiben. Weitere Auswirkungen können mit einem dreistufigen Smiley-System am unteren Rand des Bildschirms gleichzeitig beobachtet werden. Auf diese Weise werden die Wechselwirkungen und Zusammenhänge der verschiedenen Veränderungen und Organismen mit zunehmender Komplexität erforscht. Schließlich diskutierten die Lernenden in ihrer Gruppe die Auswirkungen auf der systemischen Ebene und diskutieren mögliche Maßnahmen zum Schutz der Ostsee. Die Simulation "Ostsee der Zukunft" kann aufgrund der ausführlichen Erläuterungen auch ohne weitere ökologische Vorkenntnisse verwendet werden. In diesem Fall ist es jedoch ratsam, die Lernenden zu einer aufmerksamen Lektüre der erklärenden Informationen aufzufordern. Ansonsten wird unter Umständen ein systemisches Verständnis der komplexen Zusammenhänge nicht erreicht. Für ein vertiefendes Verständnis der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf ein Ökosystem wird daher der Einsatz der Simulation als Vertiefung oder Transfer einer Unterrichtseinheit zum Thema Ökosystem Ostsee empfohlen. Besonders ratsam ist dabei die Behandlung der abiotischen und biotischen Faktoren im Ökosystem Ostsee. Die Unterrichtseinheit lässt sich vor allem in den Fachanforderungen der Sekundarstufe II des Fachs Biologie im Themenbereich Ökologie einordnen. Ein Einsatz ist auch im Fach Geografie am Ende der Sekundarstufe I im Themenbereich Ozeane möglich. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Nutzung der browserbasierten Lernumgebung stellt keine besonderen technischen Anforderungen an die Lehrkraft. Die Lernumgebung sollte allerdings im Vorfeld hinsichtlich der Vorkenntnisse und Fähigkeiten der Lernenden – auch solcher mit besonderen Bedürfnissen – reflektiert (5.1) und gegebenenfalls mit Unterrichtselementen ergänzt werden, die eine Teilhabe aller ermöglicht. Der Einsatz dieser Lernumgebung sollte unter Berücksichtigung der Lerngruppe in eine entsprechende thematische Einheit (Ökosysteme, Anthropozän, Nachhaltigkeit, Meer, ...) eingebettet werden (2.1). Bei der geplanten Nutzung der Simulation im Rahmen einer Gruppenarbeit stellt die Unterstützung gemeinschaftlichen/kollaborativen Lernens in Gruppen (3.3) einen wichtigen Aspekt dar, um allen Teilnehmenden Lernfortschritte zu ermöglichen. Je nach konkretem Einsatz der Simulation in offeneren Kontexten – wie zum Beispiel flipped classroom oder Projektarbeit – ist selbstgesteuertes Lernen (3.4) erforderlich beziehungsweise muss ermöglicht werden. Eine aktive Einbindung der Lernenden (5.3) wird über die Kontextsetzung eines tatsächlich existenten und stärker zu werden drohenden Umweltproblems in der Ostsee erreicht. Bei der Erarbeitung von Handlungsoptionen müssen die Lernenden dabei begleitet werden, ihr in der Lernumgebung erworbenes Wissen auf komplexe Zusammenhänge anzuwenden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben verschiedene anthropogene Einflüsse auf das Ökosystem Ostsee. nennen drei Organismengruppen der Ostsee und deren Eigenschaften. verwenden und interpretieren aus einer modellhaften Simulation gewonnene Daten. können verschiedene Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf die Ostsee erklären. entwickeln und bewerten Handlungsoptionen für den Schutz der Ostsee. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren Informationen und Daten, interpretieren und bewerten sie kritisch. bewerten und nutzen digitale Lernmöglichkeiten. nutzen digitale Medien (hier: eine Simulation) für die Meinungsbildung und Entscheidungsfindung. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler eignen sich themenorientiert disziplinäres und interdisziplinäres Wissen zum systemischen Verständnis eines komplexen Problems an. treffen Vorhersagen auf Grundlage einer digitalen Simulation. wenden erworbenes Wissen auf ein "epochaltypisches Schlüsselproblem" (die Auswirkung anthropogener Veränderungen von Ökosystemen auf die Lebensgrundlagen) an. erlangen/festigen Teilkompetenzen des kritischen Denkens. entwickeln in Co-Agency mit Lehrpersonen mögliche Handlungsoptionen.

Die entwickelte Unterrichtsreihe nutzt den eukaryotischen Organismus S. cerevisiae (Bäckerhefe), aufgrund seiner einfachen Kultivierungsbedingungen, zum Wissensaufbau zu biologischen Schlüsselbegriffen in den Themen Fermentation und mikrobielle Kinetik. Übergeordnetes Ziel ist das Erlernen von methodischen Strukturen zum wissenschaftlichen Arbeiten, bei der mithilfe von Versuchsreihen der Einfluss eines Parameters auf ein biologisches System untersucht wird. Dieser systematische Umgang mit Variablen innerhalb einer Versuchsreihe trägt zur Kompetenzförderung im Bereich Erkenntnisgewinnung im Rahmen der naturwissenschaftlichen Grundbildung bei. Wie gelingt der beste Pizzateig? Dieser Frage folgt das Unterrichtskonzept mit spannenden und einfachen Experimenten mit Hefe zu den Themen Fermentation und mikrobielle Kinetik . Der Versuchsaufbau ist für alle Hefe-Experimente identisch, kann aber in unterschiedlicher Komplexität durchgeführt und ausgewertet werden. Dadurch ist die Unterrichtsreihe sowohl in der Sekundarstufe 1 als auch 2 einsetzbar. Die Experimente bauen auf einen Grundversuch auf und können durch weitere Untersuchungen und Variation von Parametern ein vertiefendes Wissen innerhalb des Themas Enzymkinetik ermöglichen. Nach einer thematischen Einführung wird im Grundversuch die allgemeine grundlegende Aussage getroffen, dass Hefe ein wässriges Medium mit einem Substrat (Saccharose) und spezifisch günstige Temperaturbedingungen zwischen 35 °C bis 45 °C zum Wachstum benötigt. Diese Annahme wird mithilfe einer Versuchsreihe zu den Auswirkungen der Parameter Temperatur und Substrat auf das Hefewachstum untersucht. In der darauffolgenden Unterrichtsstunde folgen drei aufbauende Experimente (Versuch 1 bis 3), welche das Wissen zu Enzymen , deren Funktion und Kinetik als Biokatalysatoren erweitern. Bezüglich den Schwerpunkten Temperaturabhängigkeit, Substratspezifität und Substratkonzentration werden Datensätze mit den Experimenten generiert, die analytisch in einer Nachbereitungsstunde ausgewertet werden. Die beobachteten Reaktionen werden mit der Michaelis-Menten-Kinetik veranschaulicht. Dies ist möglich, da die Hefezellen vereinfacht als Biokatalysator angesehen werden können. In den Experimenten wird über die Bildung des Schaums (beziehungsweise des Kohlenstoffdioxids) auf das Wachstum geschlossen. Eine höhere Schaumbildungsrate liegt einer höheren $$CO_2$$ - Bildung zugrunde, was folglich ein verstärkter Stoffwechsel und mehr Zellen bedeutet. Die Hefe-Aktivität wird somit durch die Ausdehnung der Ansatzvolumina messbar und muss über einen Zeitraum von circa 10 Minuten in regelmäßigen Abständen dokumentiert werden. In Zusatzversuchen (Versuche 4 bis 6) können weitere Parameter wie der Einfluss unterschiedlicher Lösemittel (Wasser und Öl), die Auswirkung beim Zusatz von Salz und die Enzymkonzentration (Menge an Hefe) untersucht werden. Der Kontext zum Pizzabacken oder Backen von Hefeteigprodukten bietet alltagsnahen und altersgerechte Einstiegsmöglichkeiten für die Bildungsgänge der Sekundarstufe 1 und 2 dar. Mit der Plattform "Kniffelix" kann die Unterrichtsreihe durch ein digitales Lernangebot mit dem "Pizza-Rätsel" erweitert werden. Diese digitale Begleitung der Hefeversuche stellt Ergänzungen in Form von weiteren praktischen Aufgaben, Lernvideos, interaktiven digitalen Aufgaben zu den Versuchsreihen bereit. Das Thema "Hefe" im Biologie-Unterricht Die Stoffwechselleistung der Hefe macht sich der Mensch schon seit Jahrtausenden zunutze, beispielsweise beim Bierbrauen und Brotbacken. Heute gehört der Mikroorganismus Hefe zu den "Fabriken der Zukunft" und steht im Interesse der Forschung und Industrie zur Produktion von biotechnologischen Produkten wie Impfstoffe, Medikamente oder Chemikalien. Die Relevanz der Thematik steckt somit in der historisch wachsenden Bedeutung der Hefe in vielfältigen Forschungsfeldern sowie in der Jahrtausendlangen Verwendung zur Herstellung von Teigwaren in der heimischen Küche und alkoholischen Getränken. Vorkenntnisse Spezifische Vorkenntnisse der Lernenden sind nicht notwendig. Die theoretischen Hintergründe zu den Experimenten schaffen grundlegendes Wissen, wodurch sich die Experimente als Einstiegsthema zur Enzymkinetik eignen. Vorkenntnisse zur Zellatmung und alkoholischen Gärung können vorteilhaft sein und können durch wesentliche Erkenntnisschritte in der analytischen Auswertung der Experimente verdeutlicht werden. Didaktisch-methodische Analyse Die Experimente folgen einem forschungsorientierten methodischen Vorgehen und stehen im Zuge der Entwicklung der Experimentierkompetenz der Schülerinnen und Schüler im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung. Die kontrollierte Variation der Untersuchungsparameter und der systematische Umgang mit Variablen fördert das Erlernen von methodischen Strukturen zum wissenschaftlichen Arbeiten im Rahmen der naturwissenschaftlichen Grundbildung. Die Experimente werden in Gruppenarbeit oder Partnerarbeit, je nach Klassen- oder Kursgröße, durchgeführt. Somit steht der Austausch mit Peers im Vordergrund, indem sich die Lernenden gegenseitig unterstützen und selbstständig den Experimentierprozess leiten. Besonderheit aller Experimente ist, dass alle verwendeten Geräte, Gebrauchs- und Verbrauchsmaterialien kostengünstig in Drogerien oder Lebensmittelgeschäften erhältlich oder sogar schon im Haushalt zu finden sind. Aufgrund dessen, durch die digitale Begleitung der Inhalte auf der Plattform "Kniffelix" und durch Videomaterial auf der Homepage des Lehrgebiets BioVT der TUK können die Experimente auch einfach von zu Hause durchgeführt werden und im Setting "Remote Learning" Einsatz finden. Eine zusätzliche Unterstützungsmöglichkeit bei der Durchführung des Unterrichtskonzepts ist die besondere methodische Herangehensweise in Experimentierkisten , welche nicht nur als Transportmedium für alle Materialien und Geräte dient, sondern auch den Wissenstransfer zwischen Universität und Schule symbolisiert und den Transport von Wissensgut ermöglicht. Für Lehrkräfte aus Rheinland-Pfalz und aus der Metropolregion Hamburg besteht die Möglichkeit diese Experimentierkisten auszuleihen. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten dazu in der Lage sein, die Unterrichtsreihe gezielt durch digitale Medien zu untermauern. Beispielsweise ist es möglich ein digitales Laborbuch zu den Versuchsreihen anzulegen und die Datenanalyse mit einer Softwarelösung vorzunehmen. Das digitale Laborbuch kann zur Dokumentation aber auch als Interaktionstool genutzt werden und im Rahmen eines kollaborativen Dokumenten-Tools umgesetzt werden. Die Lehrkraft soll so in der Lage sein, die Schülerinnen und Schüler zu befähigen, digitale Medien im Rahmen der Gruppenarbeiten zu nutzen, um die Kommunikation und Kooperation innerhalb der Lerngruppe zu verbessern. Die Lernenden können in der Form des digitalen Laborbuchs experimentelle Erkenntnisse und Fortschritte dokumentieren, diese kommunizieren und gemeinsam Auswertungen und Diskussionspunkte erarbeiten. Sicherzustellen sind Internetzugang und die Verfügbarkeit von Endgeräten für die Lerngruppe. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler führen exemplarisch Untersuchungen zu physiologischen Fragestellungen zu dem Zusammenhang von Kohlenstoffdioxidproduktion, Wachstum und Enzymkinetik, durch. erschließen sich Wechselwirkungen zwischen Lebensraum, dessen charakteristischen Faktoren (zum Beispiel Temperatur, Substrate) und dem artspezifischen angepassten Wachstum von Organismen. stellen auf Grundlage der Analyse der Experimente zu Enzymkinetik erste Zusammenhänge zur Michaelis-Menten-Kinetik da. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden im Experimentierprozess zur Erkenntnisgewinnung die kontrollierte Untersuchung der Variablen an, identifizieren die Störvariable, halten deren Auswirkungen gering und kontrolliert, um den Einfluss der abhängigen Variable zu untersuchen. nutzen naturwissenschaftliche Arbeitsweisen (zum Beispiel Experimentieren, Beobachten, Messen). Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stehen in der Gruppenarbeit im Austausch mit der Peer-Gruppe, wodurch ein Peer-Coaching explizit erfordert wird. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler zeigen Kreativität bei dem Lösen der Problemstellungen der Experimente. analysieren die aus den Experimenten gewonnenen Daten, interpretieren und bewerten sie, um kritisch Rückschlüsse auf die Themen Enzymkinetik und Kultivierungsbedingungen zu ziehen.

In dieser Unterrichtseinheit beschäftigen sich die Lernenden mit der Herausforderung, zukünftige Entwicklungen des Infektionsgeschehens zu modellieren. Alle Inhalte werden dabei in Form eines Gruppenpuzzles selbstständig erarbeitet. Mit passend zu den Arbeitsaufträgen entwickelten Videos, GeoGebra-Simulationen und zusätzlichen Input-Materialien durchlaufen die Lernenden eine naturwissenschaftlich-mathematische Modellierung. Insgesamt wird so die fächerübergreifende und interdisziplinäre Auseinandersetzung mit dem Thema Epidemiologie zum zentralen Unterrichtsgegenstand.Die Unterrichtseinheit ermöglicht es den Lernenden, einen naturwissenschaftlich-mathematischen Modellierungskreislauf über eine durch Arbeitsaufträge angeleitete Modellierung zu durchlaufen. Alle Materialien erhalten Sie über die Links am Ende der Seite. Ausgehend von den molekularbiologischen Grundlagen von SARS-CoV-2, dem Erreger der Krankheit COVID-19, welcher Auslöser einer weltweiten Pandemie ist, erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler im ersten Teil der Unterrichtseinheit alle notwendigen Modellierungsannahmen. Im zweiten Teil wird das exponentielle Wachstum zu Beginn einer Pandemie untersucht. Die sich daraus ergebenen Grenzen im Rückbezug auf die Realität führen zur Erweiterung der Modellierungsannahmen und zur Verbesserung hin zum sogenannten SIR-Modell, welches im Sinne einer "Black-Box" analysiert wird. Dadurch spielen die zugrundeliegenden Differentialgleichungen keine übergeordnete Rolle. Stattdessen treten die qualitative Auswertung und die Interpretation der Kurvenverläufe in Abhängigkeit der unterschiedlichen Parameter in den Vordergrund. Den Abschluss der Einheit bildet eine Diskussion zum Thema Impfen, in der alle erarbeiteten Ergebnisse miteinander vereint werden und eine mehr-perspektivische Betrachtung ermöglicht wird. Die Unterrichtseinheit zielt vorrangig darauf ab, das vielfältige Wirkungsgefüge eines komplexen Themengebiets – hier der Epidemiologie – zu erfassen. Durch die Kooperation mit anderen Fachdisziplinen im fächerübergreifenden Unterricht entsteht so ein manipulierbares Modell, aus welchem mathematische Ergebnisse gewonnen und anschließend in Bezug auf die Realität interpretiert werden können. Diese Schlussfolgerungen für zukünftiges Handeln sind maßgeblich, um perspektivisch eine nachhaltige Entwicklung voranzutreiben und dem Konzept einer Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) gerecht zu werden. Grundsätzlich erfolgt die Bearbeitung der Aufgaben innerhalb einer Stammgruppe, bestehend aus vier Personen – nur einige Aufgaben werden in Paararbeit und im anschließenden Austausch der Gruppen von Expertinnen und Experten bearbeitet. Das Arbeitsheft führt dabei durch die Unterrichtseinheit, macht auf solche Wechsel der Sozialform aufmerksam und ermöglicht in Kombination mit den Tipps im Hilfeheft eine eigenständige Bearbeitung des Materials.Die Unterrichtseinheit ist in drei Arbeitshefte untergliedert, wobei pro Arbeitsheft in etwa eine Doppelstunde benötigt wird. Die Links zu allen Materialien finden Sie am Ende der Seite. Da es sich um eine Selbstlernumgebung handelt, die nur an wenigen Stellen zusätzliche Hilfe benötigt, können die Gruppen alle Arbeitshefte eigenständig und in ihrem eigenen Tempo nacheinander bearbeiten. Um den Modellierungscharakter der Lerneinheit besser hervorzuheben, werden die einzelnen Phasen an die Schritte der adaptierten Form des integrierten Modells der naturwissenschaftlich-mathematischen Modellierung von Meister und Upmeier zu Belzen (2018) (vgl. Abbildung 1) angelehnt. Eine ausführliche Version des Verlaufsplans lässt sich auch hier finden. Spätestens mit der Entdeckung von SARS-CoV-2 wurde der Epidemiologie als wissenschaftliche Disziplin eine neue Rolle in der Beurteilung des Infektionsgeschehens und des Verständnisses von Infektionskrankheiten zugeschrieben. Gleichzeitig konnte die bereits vor 2020 geäußerte Annahme, dass sich das Auftreten von Pandemien in Zukunft noch deutlich intensivieren würde, bestärkt werden. Die Gründe dafür sind vielfältig und es ist nicht verwunderlich, dass das Forschungsinteresse, Risiken zu identifizieren und Prognosen zu erstellen, wann und wo eine neue Infektionskrankheit auftreten könnte, eine vollkommen neue Gewichtung erhalten hat. Genau hier setzt die Unterrichtseinheit an und beschäftigt sich mit der Epidemiologie und den ihr zugrundeliegenden Modellen, mit dem Ziel, durch eine angeleitete naturwissenschaftlich-mathematische Modellierung den Infektionsverlauf von SARS-CoV-2 angemessen zu modellieren. In mehreren Zyklen wird hier das sogenannte SIR-Modell entwickelt. Es beschreibt mathematisch die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Gruppen mit definierten Gesundheitszuständen und stellt die Lernenden zunächst vor die Herausforderung, dieses Wirkungsgefüge und die Wechsel zwischen den Gesundheitszuständen (als Infektion und Genesung bezeichnet) im Sinne des systemischen Denkens zu erfassen. Neben dem fachspezifischen Wissen, welches in beiden Fächern vertieft oder erworben wird, werden durch den permanent eingeforderten Realitätsbezug auch spezielle Gestaltungskompetenzen (siehe BNE) adressiert. Sie sind essenziell bei der Übersetzung und Interpretation der Realität in ein Modell und umgekehrt und befähigen auch in Zukunft zur eigenständigen Durchdringung und Modellierung anderer komplexer Sachverhalte. Gleichzeitig lassen sich nur so Erklärungen für die Entwicklung der Fallzahlen finden und zukünftige Infektionsentwicklungen prognostizieren. Der fächerübergreifende Charakter der Lerneinheit zwischen Mathematik und Biologie (diese Verortung findet sich auch im Lehrplan wieder) fordert fachliche Vorkenntnisse aus beiden Fächern. Im Fach Biologie zählen dazu grundlegendes biologisches Wissen über die Zelle, die dort ablaufenden Prozesse (Transkription, Translation et cetera) sowie das Basiskonzept des Schlüssel-Schloss-Prinzips. Mathematisches Vorwissen wird im Bereich der Analysis und Differentialrechnung (Differenzenquotient, Steigung/Steigungsdreieck, Ableitung) und der rekursiven Berechnung von einzelnen Werten vorausgesetzt. Hinweise zu den Download-Materialien Arbeitsheft: Das Arbeitsheft enthält alle Arbeitsaufträge und leitet durch die Unterrichtseinheit. Eine Vierergruppe erhält zwei Arbeitshefte von Teil 1 und Teil 2. Diese unterscheiden sich nur in bestimmten Aufgaben voneinander und ermöglichen so die Bearbeitung der Lerneinheit als Gruppenpuzzle. Hilfeheft: Im Hilfeheft finden sich gestaffelte Hilfestellungen, die von den Lernenden eigenständig und nach Bedarf zu Rate gezogen werden können. Jede Vierergruppe erhält ein Hilfeheft Teil 1 und Teil 2. Weitere Printmaterialien: Diese finden sich alle im Materialordner im Downloadbereich der Station und werden für ihre Bearbeitung benötigt. Jede Gruppe erhält einen Satz aller Printmaterialien. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Einheit benötigen Die Lehrenden organisieren die digitale Teilhabe aller Lernenden und leiten sie an, die digitale Lerneinheit im Webbrowser aufzurufen und die dort bereits vorkonfigurierten Ressourcen zu nutzen. Sie gewährleisten außerdem, dass die Lernenden über alle erforderliche Vorkenntnisse und Fähigkeiten (sowohl digitale als auch nicht digitale) verfügen (2.3. Organisieren, Schützen und Teilen digitaler Ressourcen, 5.1. Digitale Teilhabe). Die Lerneinheit sollte von den Lehrenden sinnstiftend in den Unterricht eingebettet werden und dementsprechend einerseits unter Berücksichtigung der Lernziele, die ihren Ursprung im fächerübergreifenden Unterricht haben und andererseits des Kontextes der Epidemiologie behandelt werden. Die neu gewonnenen Erkenntnisse sollten zur besseren Integration der Lerneinheit im weiteren Unterrichtsverlauf erneut aufgegriffen, reflektiert und kritisch diskutiert werden. Dabei kann es hilfreich sein, diese Auseinandersetzung in neue Formate oder pädagogische Methoden zu integrieren (3.1. Lehren, 2.1. Auswahl digitaler Ressourcen). Während der Arbeitsphase begleiten die Lehrenden die Gruppenarbeiten und unterstützen die Lernenden auf verschiedenen Ebenen, sodass selbstgesteuertes Lernen, ein zielgerichteter Umgang mit den digitalen Elementen (vor allem den GeoGebra-Simulationen) und eine individuelle Bearbeitung (eigenes Niveau und eigenes Lerntempo) erreicht werden (3.2. Lernbegleitung, 3.4. Selbstgesteuertes Lernen, 5.2. Differenzierung und Individualisierung). Dazu zählt auch, die Kommunikation, die Teamarbeit und die kollaborative Nutzung der digitalen Medien innerhalb der unterschiedlichen Personenkonstellationen zu initiieren beziehungsweise zu fördern und die Lernenden somit bei Bedarf aktiv in die Arbeitsprozesse einzubinden. Dies gilt vor allem für die Aufgaben, in denen sich die Lernenden in der Stammgruppe über die in den Gruppen aus Expertinnen und Experten erarbeiteten Ergebnisse austauschen (3.2. Lernbegleitung, 3.3. Kollaboratives Lernen, 3.4. Selbstgesteuertes Lernen, 5.3. Aktive Einbindung der Lernenden). Digitale Medien werden in der Lerneinheit außerdem (von den Lehrenden) eingesetzt, um sich mit vielfältigen Herausforderungen aktiv und kreativ auseinandersetzen zu können. Dementsprechend werden sie zur Förderung der Kommunikation, der Zusammenarbeit in der Gruppe, zur Anregung von Diskussionen und damit zur gemeinsamen Lösungsfindung genutzt (5.3. Aktive Einbindung von Lernenden, 6.2. Digitale Kommunikation und Zusammenarbeit, 6.5. Digitales Problemlösen). Vermittelte Kompetenzen Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stellen die Epidemiologie als interdisziplinäres Fachgebiet dar, indem sie verschiedene Methoden dieses Gebietes anwenden. erläutern verschiedene Modelle, indem sie die mathematischen Eigenschaften, die Einflüsse verschiedener Parameter und die Zusammenhänge zwischen einzelnen Größen qualitativ untersuchen. interpretieren mathematisch gewonnene Ergebnisse durch Rückbezug zur Realität und initiieren so neue Modellierungszyklen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, die Informationen aus den zur Verfügung gestellten digitalen Materialien zu analysieren, interpretieren und zu nutzen. verarbeiten Informationen, Inhalte und vorhandene digitale Produkte weiter und integrieren diese in bestehendes Wissen. lernen GeoGebra als digitales Mathematikwerkzeug kennen und wenden es in vorgegebenen Aktivitäten zur qualitativen Betrachtung von Modellierungsprozessen an. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler dokumentieren Überlegungen, Lösungswege beziehungsweise Ergebnisse gemeinsam, stellen sie verständlich dar und präsentieren sie, auch unter Nutzung geeigneter Medien. erfahren (unter anderem durch die Konstellationen im Gruppenpuzzle), dass jede/jeder ihre/seine individuellen Stärken einbringen kann. reflektieren, dass gelungene Kooperation und Kommunikation zu einem gemeinsamen inhaltlichen Ergebnis führen können. 21st Century-Skills Die Schülerinnen und Schüler können Zusammenhänge qualitativ untersuchen, verbal und grafisch beschreiben und systematisieren. erschließen komplexe Themengebiete mithilfe von Gestaltungskompetenzen eigenständig. interpretieren Modelle und leiten Schlussfolgerungen für die Realität und zukünftiges Handeln ab. Literaturhinweise Meister, J. & Upmeier zu Belzen, A. (2018): Naturwissenschaftliche Phänomene mit Liniendiagrammen naturwissenschaftlich-mathematisch model-lieren. In: M. Hammann & M. Lindner (Hrsg.), Lehr- und Lernforschung in der Biologiedidaktik: Band 8. 2017 (S. 87–106). Studien Verlag, Halle-Wittenberg.