Einführungsphase

Qualifikationsphase 1 und 2

Einführungsphase

Unterrichtsvorhaben I:

Thema/Kontext: Kein Leben ohne Zelle I – Wie sind Zellen aufgebaut und organisiert?

Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung:

• UF1 Wiedergabe
• UF2 Auswahl
• K1 Dokumentation

Inhaltsfeld: IF 1 (Biologie der Zelle)

Inhaltliche Schwerpunkte:

w Zellaufbau w Stofftransport zwischen Kompartimenten (Teil 1)

Zeitbedarf: ca. 21 Std. à 45 Minuten

Unterrichtsvorhaben II:

Thema/Kontext: Kein Leben ohne Zelle II – Welche Bedeutung haben Zellkern und Nukleinsäuren für das Leben?

Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung:

• UF4 Vernetzung
• E1 Probleme und Fragestellungen
• K4 Argumentation
• B4 Möglichkeiten und Grenzen

Inhaltsfeld: IF 1 (Biologie der Zelle)

Inhaltliche Schwerpunkte:

w Funktion des Zellkerns w Zellverdopplung

Zeitbedarf: ca. 8 Std. à 45 Minuten

Unterrichtsvorhaben III:

Thema/Kontext: Erforschung der Biomembran – Welche Bedeutung haben technischer Fortschritt und Modelle für die Forschung?

Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung:

• K1 Dokumentation
• K2 Recherche
• K3 Präsentation
• E3 Hypothesen
• E6 Modelle
• E7 Arbeits- und Denkweisen

Inhaltsfeld: IF 1 (Biologie der Zelle)

Inhaltliche Schwerpunkte:

w Biomembranen w Stofftransport zwischen Kompartimenten (Teil 2)

Zeitbedarf: ca. 16 Std. à 45 Minuten

Unterrichtsvorhaben IV:

Thema/Kontext: Enzyme im Alltag – Welche Rolle spielen Enzyme in unserem Leben?

Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung:

• E2 Wahrnehmung und Messung
• E4 Untersuchungen und Experimente
• E5 Auswertung

Inhaltsfeld: IF 2 (Energiestoffwechsel)

Inhaltliche Schwerpunkte:

w Enzyme

Zeitbedarf: ca. 21 Std. à 45 Minuten

Unterrichtsvorhaben V:

Thema/Kontext: Biologie und Sport – Welchen Einfluss hat körperliche Aktivität auf unseren Körper?

Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung:

• UF3 Systematisierung
• B1 Kriterien
• B2 Entscheidungen
• B3 Werte und Normen

Inhaltsfeld: IF 2 (Energiestoffwechsel)

Inhaltliche Schwerpunkte:

w Dissimilation w Körperliche Aktivität und Stoffwechsel

Zeitbedarf: ca. 24 Std. à 45 Minuten

Summe Einführungsphase: 90 Stunden

Unterrichtsvorhaben I:

Thema/Kontext: Kein Leben ohne Zelle I – Wie sind Zellen aufgebaut und organisiert?

Inhaltsfeld: IF 1 Biologie der Zelle

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Zellaufbau
• Stofftransport zwischen Kompartimenten (Teil 1)

Zeitbedarf: ca. 21 Std. à 45 Minuten

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

Die Schülerinnen und Schüler können …

• UF1 ausgewählte biologische Phänomene und Konzepte beschreiben.
• UF2 biologische Konzepte zur Lösung von Problemen in eingegrenzten Bereichen auswählen und dabei Wesentliches von Unwesentlichem unterscheiden.
• K1 Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten strukturiert dokumentieren, auch mit Unterstützung digitaler Werkzeuge.

Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler …

Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden

Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz

SI-Vorwissen

muliple-choice-Test zu Zelle, Gewebe, Organ und Organismus

Informationstexte

einfache, kurze Texte zum notwendigen Basiswissen

Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz:

SI-Vorwissen wird ohne Benotung ermittelt (z.B. Selbstevaluationsbogen)

Möglichst selbstständiges Aufarbeiten des Basiswissens zu den eigenen Test-Problemstellen.

Lichtmikroskopischer Bau der Zelle

• Tier- und Pflanzenzelle

beschreiben den Aufbau pro- und eukaryotischer Zellen und stellen die Unterschiede heraus (UF3)

beschreiben Aufbau und Funktion der Zellorganellen und erläutern die Bedeutung der Zellkompartimentierung für die Bildung unterschiedlicher Reaktionsräume innerhalb einer Zelle (UF3, UF1)

Lichtmikroskop

Biologische Zeichnungen

Recherche in Kleingruppen

Präsentation

Mikroskopie einfach gebauter Zellen

Zentrale Eigenschaften naturwissenschaftlicher Theorien (Nature of Science) werden beispielhaft erarbeitet.

elektronenmikroskopischer Bau der Zelle

• Prokaryoten und Eukaryoten
• Endosymbionten

erläutern die membranvermittelten Vorgänge der Endo- und Exocytose (u.a. am Golgi-Apparat) (UF1, UF2)

stellen den wissenschaftlichen Erkenntniszuwachs zum Zellaufbau durch technischen Fortschritt an Beispielen (LM, EM und FM) dar (E7)

präsentieren adressatengerecht die Endosymbiontentheorie mithilfe angemessener Medien (K3, K1, UF1)

elektronenmikroskopische Bilder sowie Modelle zu tierischen, pflanzlichen und bakteriellen Zellen

Biologische Zeichnungen

Recherche in Kleingruppen

Präsentation

Gemeinsamkeiten und Unterschiede der verschiedenen Zellen werden erarbeitet. EM-Bild wird mit Modell verglichen.

Zelle, Gewebe, Organ

• Differenzierung
• vom Einzeller zum Vielzeller

ordnen differenzierte Zellen auf Grund ihrer Strukturen spezifischen Geweben und Organen zu und erläutern den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion (UF3, UF4, UF1).

Mikroskopieren von verschiedenen Zelltypen

Biologische Zeichnungen

Recherche in Kleingruppen

Präsentation

Mikroskopieren von Fertigpräparaten verschiedener Zelltypen an ausgewählten Zelltypen

Diagnose von Schülerkompetenzen:

• SI-Vorwissen wird ohne Benotung ermittelt (z.B. Selbstevaluationsbogen)

Leistungsbewertung:

• ggf. Test zu einem ausgewählten Thema
• ggf. Teil einer Klausur

Unterrichtsvorhaben II:

Thema/Kontext: Kein Leben ohne Zelle II – Welche Bedeutung hat der Zellkern für das Leben?

Inhaltsfeld: IF 1 (Biologie der Zelle)

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Funktion des Zellkerns
• Zellverdopplung und DNA

Zeitbedarf: ca. 8 Std. à 45 Minuten

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

Die Schülerinnen und Schüler können …

• UF4 bestehendes Wissen aufgrund neuer biologischer Erfahrungen und Erkenntnisse modifizieren und reorganisieren.
• E1 in vorgegebenen Situationen biologische Probleme beschreiben, in Teilprobleme zerlegen und dazu biologische Fragestellungen formulieren.
• K4 biologische Aussagen und Behauptungen mit sachlich fundierten und überzeugenden Argumenten begründen bzw. kritisieren.
• B4 Möglichkeiten und Grenzen biologischer Problemlösungen und Sichtweisen mit Bezug auf die Zielsetzungen der Naturwissenschaften darstellen.

Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler …

Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden

Didaktisch-methodische An-merkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz

Was zeichnet eine naturwissenschaftliche Fragestellung aus und welche Fragestellung lag den Acetabularia und den Xenopus-Experimenten zugrunde?

• Erforschung der Funktion des Zellkerns in der Zelle

benennen Fragestellungen historischer Versuche zur Funktion des Zellkerns und stellen Versuchsdurchführungen und Erkenntniszuwachs dar (E1, E5, E7).

werten Klonierungsexperimente (Kerntransfer bei Xenopus) aus und leiten ihre Bedeutung für die Stammzellforschung ab (E5).

Unterscheidung von Lern- und Präsentationsplakat (Anforderungen)

Plakat zum wissenschaftlichen Erkenntnisweg

Acetabularia-Experimente von Hämmerling

Experiment zum Kerntransfer bei Xenopus

Naturwissenschaftliche Fragestellungen werden kriteriengeleitet entwickelt und historische Experimente ausgewertet.

Welche biologische Bedeutung hat die Mitose für einen Organismus?

• Mitose (Rückbezug auf Zelltheorie)
• Interphase

begründen die biologische Bedeutung der Mitose auf der Basis der Zelltheorie (UF1, UF4).

erläutern die Bedeutung des Cytoskeletts für [den intrazellulären Transport und] die Mitose (UF3, UF1).

Informationstexte und Abbildungen

Filme/Animationen/ Knetgummimodelle zu zentralen Aspekten:

1. exakte Reproduktion
2. Organ- bzw. Gewebewachstum und Erneuerung (Mitose)
3. Zellwachstum (Interphase)

Die Funktionen des Cytoskeletts werden erarbeitet, Informationen werden in ein Modell übersetzt, das die wichtigsten Informationen sachlich richtig wiedergibt.

Welche Möglichkeiten und Grenzen bestehen für die Zellkulturtechnik?

Zellkulturtechnik

• Biotechnologie
• Biomedizin
• Pharmazeutische Industrie

zeigen Möglichkeiten und Grenzen der Zellkulturtechnik in der Biotechnologie und Biomedizin auf (B4, K4).

Informationsblatt zu Zellkulturen in der Biotechnologie und Medizin- und Pharmaforschung

Rollenkarten zu Vertretern unterschiedlicher Interessensverbände (Pharma-Industrie, Forscher, PETA-Vertreter etc.)

Pro und Kontra-Diskussion zum Thema:

„Können Zellkulturen Tierversuche ersetzen?“

Zentrale Aspekte werden herausgearbeitet.

Argumente werden erarbeitet und Argumentationsstrategien entwickelt.

SuS, die nicht an der Diskussion beteiligt sind, sollten einen Beobachtungsauftrag bekommen.

Nach Reflexion der Diskussion können Leserbriefe verfasst werden.

Diagnose von Schülerkompetenzen:

• -

Leistungsbewertung:

• evtl.schriftliche Übung (z.B. aus einer Hypothese oder einem Versuchsdesign auf die zugrunde liegende Fragestellung schließen) zur Ermittlung der Fragestellungskompetenz (E1)

• ggf. Klausur

Unterrichtsvorhaben III:

Thema/Kontext: Erforschung der Biomembran – Welche Bedeutung haben technischer Fortschritt und Modelle für die Forschung?

Inhaltsfeld: IF 1 (Biologie der Zelle)

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Biomembranen
• Stofftransport zwischen Kompartimenten (Teil 2)

Zeitbedarf: ca. 16 Std. à 45 Minuten

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

Die Schülerinnen und Schüler können …

• K1 Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten strukturiert dokumentieren, auch mit Unterstützung digitaler Werkzeuge.
• K2 in vorgegebenen Zusammenhängen kriteriengeleitet biologisch-technische Fragestellungen mithilfe von Fachbüchern und anderen Quellen bearbeiten.
• K3 biologische Sachverhalte, Arbeitsergebnisse und Erkenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fachlich korrekt in Kurzvorträgen oder kurzen Fachtexten darstellen.
• E3 zur Klärung biologischer Fragestellungen Hypothesen formulieren und Möglichkeiten zu ihrer Überprüfung angeben.
• E6 Modelle zur Beschreibung, Erklärung und Vorhersage biologischer Vor-gänge begründet auswählen und deren Grenzen und Gültigkeitsbereiche angeben.
• E7 an ausgewählten Beispielen die Bedeutung, aber auch die Vorläufigkeit biologischer Modelle und Theorien beschreiben.

Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler …

Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden

Didaktisch-methodische An-merkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz

Weshalb und wie beeinflusst die Salzkonzentration den Zustand von Zellen?

• Plasmolyse/ Deplasmolyse

• Brownsche-Molekularbewegung

• Diffusion

• Osmose

führen Experimente zur Diffusion und Osmose durch und erklären diese mit Modellvorstellungen auf Teilchenebene (E4, E6, K1, K4).

führen mikroskopische Untersuchungen zur Plasmolyse hypothesengeleitet durch und interpretieren die beobachteten Vorgänge (E2, E3, E5, K1, K4).

recherchieren Beispiele der Osmose und Osmoregulation in unterschiedlichen Quellen und dokumentieren die Ergebnisse in einer eigenständigen Zusammenfassung (K1, K2).

1. Zeitungsartikel z.B. zur fehlerhaften Salzkonzentration für eine Infusion in den Unikliniken

Experimente mit roter Küchenzwiebel und mikroskopische Untersuchungen

1. Kartoffel-Experimente

• ausgehöhlte Kartoffelhälfte mit Zucker, Salz und Stärke
• Kartoffelstäbchen (gekocht und ungekocht)

Informationstexte, Animationen und Lehrfilme zur Brownschen Molekularbewegung (physics-animations.com)

Demonstrationsexperimente mit Tinte oder Deo zur Diffusion

Arbeitsaufträge zur Recherche osmoregulatorischer Vorgänge

Arbeitsblatt mit Regeln zu einem sachlichen Feedback

SuS formulieren erste Hypothesen, planen und führen geeignete Experimente zur Überprüfung ihrer Vermutungen durch.

Versuche zur Überprüfung der Hypothesen

Versuche zur Generalisierbarkeit der Ergebnisse werden geplant und durchgeführt.

Phänomen wird auf Modellebene erklärt (direkte Instruktion).

Weitere Beispiele (z. B. Salzwiese, Niere) für Osmoregulation werden recherchiert.

Warum löst sich Öl nicht in Wasser?

• Aufbau und Eigenschaften von Lipiden und Phospholipiden

ordnen die biologisch bedeutsamen Makromoleküle ([Kohlenhydrate], Lipide, Proteine, [Nucleinsäuren]) den verschiedenen zellulären Strukturen und Funktionen zu und erläutern sie bezüglich ihrer wesentlichen chemischen Eigenschaften (UF1, UF3).

Demonstrationsexperiment zum Verhalten von Öl in Wasser

Informationsblätter

• zu funktionellen Gruppen
• Strukturformeln von Lipiden und Phospholipiden
• Modelle zu Phospholipiden in Wasser

Phänomen wird beschrieben.

Das Verhalten von Lipiden und Phospholipiden in Wasser wird mithilfe ihrer Strukturformeln und den Eigenschaften der funktionellen Gruppen erklärt.

Einfache Modelle (2-D) zum Verhalten von Phospholipiden in Wasser werden erarbeitet und diskutiert.

Welche Bedeutung haben technischer Fortschritt und Modelle für die Erforschung von Biomembranen?

• Erforschung der Biomembran (historisch-genetischer Ansatz)

• Bilayer-Modell

• Sandwich-Modelle, Fluid-Mosaik-Modell und erweitertes Fluid-Mosaik-Modell (Kohlenhydrate in der Biomembran)

• Markierungsmethoden zur Ermittlung von Membranmolekülen (Proteinsonden)

• dynamisch strukturiertes Mosaikmodel (Rezeptor-Inseln, Lipid-Rafts)

• Nature of Science – naturwissenschaftliche Arbeits- und Denkweisen

stellen den wissenschaftlichen Erkenntniszuwachs zum Aufbau von Biomembranen durch technischen Fortschritt an Beispielen dar und zeigen daran die Veränderlichkeit von Modellen auf (E5, E6, E7, K4).

ordnen die biologisch bedeutsamen Makromoleküle (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, [Nucleinsäuren]) den verschiedenen zellulären Strukturen und Funktionen zu und erläutern sie bezüglich ihrer wesentlichen chemischen Eigenschaften (UF1, UF3).

recherchieren die Bedeutung und die Funktionsweise von Tracern für die Zellforschung und stellen ihre Ergebnisse graphisch und mithilfe von Texten dar (K2, K3).

recherchieren die Bedeutung der Außenseite der Zellmembran und ihrer Oberflächenstrukturen für die Zellkommunikation (u. a. Antigen-Antikörper-Reaktion) und stellen die Ergebnisse adressatengerecht dar (K1, K2, K3).

Lernplakat(e) zum historisch-wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn zu Biomembranen

Versuche von Gorter und Grendel mit Erythrozyten (1925) zum Bilayer-Modell

Materialien zu Möglichkeiten und Gerenzen zur Arbeit mit Modellen

Texte und Abbildungen zum historischen Erkenntnisweg

zu Sandwich-Modellen

Erste Befunde durch die Elektronenmikroskopie (G. Palade, 1950er)

Erste Befunde aus der Biochemie (Davson und Danielli, 1930er)

Abbildungen auf der Basis von Gefrierbruchtechnik und Elektronenmikroskopie

Flüssig-Mosaik-Modell

von Singer und Nicolson (1972)

z.B. Heterokaryon-Experimente von Frye und Edidin (1972)

Aufklärung der Lage von Kohlenhydraten in der Biomembran

Checkliste mit Kriterien für seriöse Quellen

Checkliste zur korrekten Angabe von Internetquellen

Internetrecherche zur Funktionsweise von Tracern

Informationen zum dynamisch strukturierten Mosaikmodell Vereb et al (2003)

1. Abstract aus:

Vereb, G. et al. (2003): Dynamic, yet structured: The cell membrane three decades after the Singer-Nicolson model.

Lernplakat (fertig gestellt) zu den Biomembranen

Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz:

Durchführung eines wissenschaftspropädeutischen Schwerpunktes zur Erforschung der Biomembranen.

Folgende Vorgehensweise wird empfohlen: Der wissenschaftliche Erkenntniszuwachs wird in den Folgestunden fortlaufend dokumentiert und für alle Kursteilnehmerinnen und Kursteilnehmer auf Plakaten festgehalten.

Der Modellbegriff und die Vorläufigkeit von Modellen im Forschungsprozess werden verdeutlicht.

Auf diese Weise kann die Arbeit in einer scientific community nachempfunden werden.

Die „neuen“ Daten legen eine Modifikation des Bilayer-Modells von Gorter und Grendel nahe und führen zu  neuen Hypothesen (einfaches Sandwichmodell / Sandwichmodell mit eingelagertem Protein / Sandwichmodell mit integralem Protein).

Das Membranmodell muss erneut modifiziert werden.

Das Fluid-Mosaik-Modell muss erweitert werden.

Quellen werden ordnungsgemäß notiert (Verfasser, Zugriff etc.).

Die biologische Bedeutung (hier nur die proximate Erklärungsebene!) der Glykokalyx (u.a. bei der Antigen-Anti-Körper-Reaktion) wird recherchiert.

Historisches Modell wird durch aktuellere Befunde zu den Rezeptor-Inseln erweitert.

Ein Reflexionsgespräch auf der Grundlage des entwickelten Plakats zu Biomembranen wird durchgeführt.

Wichtige wissenschaftliche Arbeits- und Denkweisen sowie die Rolle von Modellen und dem technischen Fortschritt werden herausgestellt.

Wie werden gelöste Stoffe durch Biomembranen hindurch in die Zelle bzw. aus der Zelle heraus transportiert?

• Passiver Transport
• Aktiver Transport
• Symport
• Antiport

beschreiben Transportvorgänge durch Membranen für verschiedene Stoffe mithilfe geeigneter Modelle und geben die Grenzen dieser Modelle an (E6).

Gruppenarbeit:

Informationstext zu verschiedenen Transportvorgängen an realen Beispielen

SuS können entsprechend der Informationstexte Modelle zu den unterschiedlichen Transportvorgängen erstellen.

Diagnose von Schülerkompetenzen:

• KLP-Überprüfungsform: z.B.: „Dokumentationsaufgabe“ und „Reflexionsaufgabe“ (Portfolio zum Thema: „Erforschung der Biomembranen“) zur Ermittlung der Dokumentationskompetenz (K1) und der Reflexionskompetenz (E7)

Leistungsbewertung:

• ggf. KLP-Überprüfungsform: „Beurteilungsaufgabe“ und „Optimierungsaufgabe“ (z.B. Modellkritik an Modellen zur Biomembran oder zu Transportvorgängen) zur Ermittlung der Modell-Kompetenz (E6)
• ggf. Klausur

Unterrichtsvorhaben IV:

Thema/Kontext: Enzyme im Alltag – Welche Rolle spielen Enzyme in unserem Leben?

Inhaltsfelder: IF 1 (Biologie der Zelle), IF 2 (Energiestoffwechsel)

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Enzyme

Zeitbedarf: ca. 19 Std. à 45 Minuten

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

Die Schülerinnen und Schüler können …

• E2 kriteriengeleitet beobachten und messen sowie gewonnene Ergebnisse objektiv und frei von eigenen Deutungen beschreiben.
• E4 Experimente und Untersuchungen zielgerichtet nach dem Prinzip der Variablenkontrolle unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften planen und durchführen und dabei mögliche Fehlerquellen reflektieren.
• E5 Daten bezüglich einer Fragestellung interpretieren, daraus qualitative und einfache quantitative Zusammenhänge ableiten und diese fachlich angemessen beschreiben.

Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler …

Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden

Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz

Wie sind Zucker aufgebaut und wo spielen sie eine Rolle?

• Monosaccharid,
• Disaccharid
• Polysaccharid

ordnen die biologisch bedeutsamen Makromoleküle (Kohlenhydrate, [Lipide, Proteine, Nucleinsäuren]) den verschiedenen zellulären Strukturen und Funktionen zu und erläutern sie bezüglich ihrer wesentlichen chemischen Eigenschaften (UF1, UF3).

Informationstexte zu funktionellen Gruppen und ihren Eigenschaften sowie Kohlenhydratklassen und Vorkommen und Funktion in der Natur

„Spickzettel“ als legale Methode des Memorierens

Museumsgang

Beobachtungsbogen mit Kriterien für „gute Spickzettel“

Gütekriterien für gute „Spickzettel“ werden erarbeitet (Übersichtlichkeit, auf das Wichtigste beschränkt, sinnvoller Einsatz von mehreren Farben, um Inhalte zu systematisieren etc.) werden erarbeitet.

Der beste „Spickzettel“ kann gekürt und allen SuS über „lo-net“ zur Verfügung gestellt werden.

Wie sind Proteine aufgebaut und wo spielen sie eine Rolle?

• Aminosäuren
• Peptide, Proteine
• Primär-, Sekundär-, Tertiär-, Quartärstruktur

ordnen die biologisch bedeutsamen Makromoleküle ([Kohlenhydrate, Lipide], Proteine, [Nucleinsäuren]) den verschiedenen zellulären Strukturen und Funktionen zu und erläutern sie bezüglich ihrer wesentlichen chemischen Eigenschaften (UF1, UF3).

Haptische Modelle (z.B. Legomodelle) zum Proteinaufbau

Informationstexte zum Aufbau und der Struktur von Proteinen

Gruppenarbeit

Lernplakate zum Aufbau von Proteinen

Der Aufbau von Proteinen wird erarbeitet.

Die Quartärstruktur wird am Beispiel von Hämoglobin veranschaulicht.

Lernplakate werden erstellt und auf ihre Sachrichtigkeit und Anschaulichkeit hin diskutiert und ggf. modifiziert.

Sie bleiben im Fachraum hängen und dienen der späteren Orientierung.

Welche Bedeutung haben Enzyme im menschlichen Stoffwechsel?

• Aktives Zentrum

• Allgemeine Enzymgleichung

• Substrat- und Wirkungsspezifität

beschreiben und erklären mithilfe geeigneter Modelle Enzymaktivität und Enzymhemmung (E6).

Experimentelles Gruppenpuzzle, z.B.:

• Ananassaft und Quark oder Götterspeise und frischgepresster Ananassaft in einer Verdünnungsreihe
• Lactase und Milch sowie Glucoseteststäbchen (Immobilisierung von Lactase mit Alginat)
• Peroxidase mit Kartoffelscheibe oder Kartoffelsaft (Verdünnungsreihe)
• Urease und Harnstoffdünger (Indikator Rotkohlsaft)

Hilfekarten (gestuft) für die vier verschiedenen Experimente

Checklisten mit Kriterien für

• naturwissenschaftliche Fragestellungen,
• Hypothesen,

Plakatpräsentation

Museumsgang

Gruppenrallye mit Anwendungsbeispielen zu je einem Beispiel aus dem anabolen und katabolen Stoffwechsel.

Die Substrat- und Wirkungsspezifität werden veranschaulicht.

Die naturwissenschaftlichen Fragestellungen werden vom Phänomen her entwickelt.

Hypothesen zur Erklärung der Phänomene werden aufgestellt.

Experimente zur Überprüfung der Hypothesen werden geplant, durchgeführt und abschließend werden mögliche Fehlerquellen ermittelt und diskutiert.

Die gestuften Hilfen (Checklisten) sollen Denkanstöße für jede Schlüsselstelle im Experimentierprozess geben.

Vorgehen und Ergebnisse werden auf Plakaten präsentiert.

SuS erhalten Beobachtungsbögen für den Museumsgang und verteilen Punkte. Anschließend wird das beste Plakat gekürt.

Modelle zur Funktionsweise des aktiven Zentrums werden erstellt.

Hier bietet sich an die Folgen einer veränderten Aminosäuresequenz, z. B. bei Lactase mithilfe eines Modells zu diskutieren.

Welche Wirkung / Funktion haben Enzyme?

• Katalysator
• Biokatalysator
• Endergonische und exergonische Reaktion
• Aktivierungsenergie, Aktivierungsbarriere / Reaktionsschwelle

erläutern Struktur und Funktion von Enzymen und ihre Bedeutung als Biokatalysatoren bei Stoffwechselreaktionen (UF1, UF3, UF4).

Schematische Darstellungen von Reaktionen unter besonderer Berücksichtigung der Energieniveaus

Die zentralen Aspekte der Biokatalyse werden erarbeitet:

1. Senkung der Aktivierungsenergie
2. Erhöhung des Stoffumsatzes pro Zeit

Was beeinflusst die Wirkung / Funktion von Enzymen?

• pH-Abhängigkeit
• Temperaturabhängigkeit
• Schwermetalle

• Substratkonzentration / Wechselzahl

beschreiben und interpretieren Diagramme zu enzymatischen Reaktionen (E5).

stellen Hypothesen zur Abhängigkeit der Enzymaktivität von verschiedenen Faktoren auf und überprüfen sie experimentell und stellen sie graphisch dar (E3, E2, E4, E5, K1, K4).

Checkliste mit Kriterien zur Beschreibung und Interpretation von Diagrammen

Experimente mithilfe von Interaktionsboxen zum Nachweis der Konzentrations-, Temperatur- und pH-Abhängigkeit (Lactase und Bromelain)

Modellexperimente mit Schere und Papierquadraten zur Substratkonzentration

Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz:

Das Beschreiben und Interpretieren von Diagrammen wird geübt.

Experimente zur Ermittlung der Abhängigkeiten der Enzymaktivität werden geplant und durchgeführt.

Wichtig: Denaturierung im Sinne einer irreversiblen Hemmung durch Temperatur, pH-Wert und Schwermetalle muss herausgestellt werden.

Die Wechselzahl wird problematisiert.

Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz:

Durchführung von Experimenten zur Ermittlung von Enzymeigenschaften an ausgewählten Beispielen.

Wie wird die Aktivität der Enzyme in den Zellen reguliert?

• kompetitive Hemmung,
• allosterische (nicht kompetitive) Hemmung

• Substrat und Endprodukthemmung

beschreiben und erklären mithilfe geeigneter Modelle Enzymaktivität und Enzymhemmung (E6).

Gruppenarbeit

Informationsmaterial zu Trypsin (allosterische Hemmung) und Allopurinol (kompetitive Hemmung)

Modellexperimente z.B. mit Fruchtgummi und Smarties

Experimente mithilfe einer Interaktionsbox mit Materialien (Knete, Moosgummi, Styropor etc.)

Checkliste mit Kriterien zur Modellkritik

Wesentliche Textinformationen werden in einem begrifflichen Netzwerk zusammengefasst.

Die kompetitive Hemmung wird simuliert.

Modelle zur Erklärung von Hemmvorgängen werden entwickelt.

Reflexion und Modellkritik

Wie macht man sich die Wirkweise von Enzymen zu Nutze?

• Enzyme im Alltag

• Technik
• Medizin
• a.

recherchieren Informationen zu verschiedenen Einsatzgebieten von Enzymen und präsentieren und bewerten vergleichend die Ergebnisse (K2, K3, K4).

geben Möglichkeiten und Grenzen für den Einsatz von Enzymen in biologisch-technischen Zusammenhängen an und wägen die Bedeutung für unser heutiges Leben ab (B4).

(Internet) Recherche

Die Bedeutung enzymatischer Reaktionen für z.B. Veredlungsprozesse und medizinische Zwecke wird herausgestellt.

Als Beispiel können Enzyme im Waschmittel und ihre Auswirkung auf die menschliche Haut besprochen und diskutiert werden.

Diagnose von Schülerkompetenzen:

•  ggf. Selbstevaluationsbogen mit Ich-Kompetenzen am Ende der Unterrichtsreihe

Leistungsbewertung:

• multiple choice -Tests
• KLP-Überprüfungsform: „experimentelle Aufgabe“ (z.B. Entwickeln eines Versuchsaufbaus in Bezug auf eine zu Grunde liegende Fragestellung und/oder Hypothese) zur Ermittlung der Versuchsplanungskompetenz (E4)
• ggf. Klausur

Unterrichtsvorhaben V:

Thema/Kontext: Biologie und Sport – Welchen Einfluss hat körperliche Aktivität auf unseren Körper?

Inhaltsfeld: IF 2 (Energiestoffwechsel)

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Dissimilation
• Körperliche Aktivität und Stoffwechsel

Zeitbedarf: ca. 26 Std. à 45 Minuten

Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen:

Die Schülerinnen und Schüler können …

• UF3 die Einordnung biologischer Sachverhalte und Erkenntnisse in gegebene fachliche Strukturen begründen.
• B1 bei der Bewertung von Sachverhalten in naturwissenschaftlichen Zusammenhängen fachliche, gesellschaftliche und moralische Bewertungskriterien angeben.
• B2 in Situationen mit mehreren Handlungsoptionen Entscheidungsmöglichkeiten kriteriengeleitet abwägen, gewichten und einen begründeten Standpunkt beziehen.
• B3 in bekannten Zusammenhängen ethische Konflikte bei Auseinandersetzungen mit biologischen Fragestellungen sowie mögliche Lösungen darstellen.

Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler …

Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden

Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz

Welche Veränderungen können während und nach körperlicher Belastung beobachtet werden?

Systemebene: Organismus

• Belastungstest
• Schlüsselstellen der körperlichen Fitness

einfacher Belastungstest (evtl. auch Münchener Belastungstest oder multi-stage Belastungstest in Verbindung mit dem Sportunterricht).

Selbstbeobachtungsprotokoll zu Herz, Lunge, Durchblutung Muskeln

Graphic Organizer auf verschiedenen Systemebenen

Begrenzende Faktoren bei unterschiedlich trainierten Menschen werden ermittelt.

Damit kann der Einfluss von Training auf die Energiezufuhr, Durchblutung, Sauerstoffversorgung, Energiespeicherung und Ernährungsverwertung systematisiert werden.

Die Auswirkung auf verschiedene Systemebenen (Organ, Gewebe, Zelle, Molekül) kann dargestellt und bewusst gemacht werden.

Wie reagiert der Körper auf unterschiedliche Belastungssituationen und wie unterscheiden sich verschiedene Muskelgewebe voneinander?

Systemebene: Organ und Gewebe

• Muskelaufbau

Systemebene: Zelle

• Sauerstoffschuld, Energiereserve der Muskeln, Glykogenspeicher

Systemebene: Molekül

• Lactat-Test
• Milchsäure-Gärung

erläutern den Unterschied zwischen roter und weißer Muskulatur (UF1).

präsentieren unter Einbezug geeigneter Medien und unter Verwendung einer korrekten Fachsprache die aerobe und anaerobe Energieumwandlung in Abhängigkeit von körperlichen Aktivitäten (K3, UF1).

überprüfen Hypothesen zur Abhängigkeit der Gärung von verschiedenen Faktoren (E3, E2, E1, E4, E5, K1, K4).

Partnerpuzzle mit Arbeitsblättern zur roten und weißen Muskulatur und zur Sauerstoffschuld

evtl. Bildkarten zu Muskeltypen und Sportarten

Informationsblatt

Experimente mit Sauerkraut (u.a. pH-Wert)

Hier können Beispiele von 100-Meter-, 400-Meter- und 800-Meter-Läufern analysiert werden.

Verschiedene Muskelgewebe werden im Hinblick auf ihre Mitochondriendichte (stellvertretend für den Energiebedarf) untersucht / ausgewertet.

Muskeltypen werden begründend Sportarten zugeordnet.

Die Milchsäuregärung dient der Veranschaulichung anaerober Vorgänge:

Modellexperiment zum Nachweis von Milchsäure unter anaeroben Bedingungen wird geplant und durchgeführt.

In diesem Unterrichtsvorhaben liegt ein Schwerpunkt auf dem Wechsel zwischen den biologischen Systemebenen gemäß der Jo-Jo-Methode (häufiger Wechsel zwischen den biologischen Organisationsebenen)

Welche Faktoren beeinflussen den Energieumsatz und welche Methoden helfen bei der Bestimmung?

Systemebenen: Organismus,

Gewebe, Zelle, Molekül

• Energieumsatz (Grundumsatz und Leistungsumsatz)
• Direkte und indirekte Kalorimetrie

Welche Faktoren spielen eine Rolle bei körperlicher Aktivität?

• Sauerstofftransport im Blut
• Sauerstoffkonzentration im Blut
• Erythrozyten
• Hämoglobin/ Myoglobin
• Bohr-Effekt

stellen Methoden zur Bestimmung des Energieumsatzes bei körperlicher Aktivität vergleichend dar (UF4).

1. Film zur Bestimmung des Grund- und Leistungsumsatzes
2. Film zum Verfahren der Kalorimetrie (Kalorimetrische Bombe / Respiratorischer Quotient)

Diagramme zum Sauerstoffbindungsvermögen in Abhängigkeit verschiedener Faktoren (Temperatur, pH-Wert) und Bohr-Effekt

Arbeitsblatt mit Informationstext zur Erarbeitung des Prinzips der Oberflächenvergrößerung durch Kapillarisierung

Der Zusammenhang zwischen respiratorischem Quotienten und Ernährung wird erarbeitet.

Der quantitative Zusammenhang zwischen Sauerstoffbindung und Partialdruck wird an einer sigmoiden Bindungskurve ermittelt.

Der Weg des Sauerstoffs in die Muskelzelle über den Blutkreislauf wird wiederholt und erweitert unter Berücksichtigung von Hämoglobin und Myoglobin.

Wie entsteht und wie gelangt die benötigte Energie zu unterschiedlichen Einsatzorten in der Zelle?

Systemebene: Molekül

• NAD⁺ und ATP

erläutern die Bedeutung von NAD⁺ und ATP für aerobe und anaerobe Dissimilationsvorgänge (UF1, UF4).

Arbeitsblatt mit Modellen / Schemata zur Rolle des ATP

Die Funktion des ATP als Energie-Transporter wird verdeutlicht.

Wie entsteht ATP und wie wird der C6-Körper abgebaut?

Systemebenen: Zelle, Molekül

• Tracermethode
• Glykolyse
• Zitronensäurezyklus
• Atmungskette

präsentieren eine Tracermethode bei der Dissimilation adressatengerecht (K3).

erklären die Grundzüge der Dissimilation unter dem Aspekt der Energieumwandlung mithilfe einfacher Schemata (UF3).

beschreiben und präsentieren die ATP-Synthese im Mitochondrium mithilfe vereinfachter Schemata (UF2, K3).

Advance Organizer

Arbeitsblatt mit histologischen Elektronenmikroskopie-Aufnahmen und Tabellen

Informationstexte und schematische Darstellungen zu den Erkenntnissen und evtl. den Experimenten von Peter Mitchell (chemiosmotische Theorie) zum Aufbau eines Protonengradienten in den Mitochondrien für die ATP-Synthase (vereinfacht)

Grundprinzipien von molekularen Tracern werden wiederholt.

Experimente werden unter dem Aspekt der Energieumwandlung ausgewertet.

Wie funktional sind bestimmte Trainingsprogramme und Ernährungsweisen für bestimmte Trainingsziele?

Systemebenen: Organismus,

Zelle, Molekül

• Ernährung und Fitness
• Kapillarisierung
• Mitochondrien

Systemebene: Molekül

• Glycogenspeicherung
• Myoglobin

erläutern unterschiedliche Trainingsformen adressatengerecht und begründen sie mit Bezug auf die Trainingsziele (K4).

erklären mithilfe einer graphischen Darstellung die zentrale Bedeutung des Zitronensäurezyklus im Zellstoffwechsel (E6, UF4).

Fallstudien aus der Fachliteratur (Sportwissenschaften)

Arbeitsblatt mit einem vereinfachten Schema des Zitronensäurezyklus und seiner Stellung im Zellstoffwechsel (Zusammenwirken von Kohlenhydrat, Fett und Proteinstoffwechsel)

Hier können Trainingsprogramme und Ernährung unter Berücksichtigung von Trainingszielen (Aspekte z.B. Ausdauer, Kraftausdauer, Maximalkraft) und der Organ- und Zellebene (Mitochondrienanzahl, Myoglobinkonzentration, Kapillarisierung, erhöhte Glykogenspeicherung) betrachtet, diskutiert und beurteilt werden.

Verschiedene Situationen können „durchgespielt“ (z.B. die Folgen einer Fett-, Vitamin- oder Zuckerunterversorgung) werden.

Wie wirken sich leistungssteigernde Substanzen auf den Körper aus?

Systemebenen: Organismus,

Zelle, Molekül

• Formen des Dopings

• Anabolika
• EPO
• …

nehmen begründet Stellung zur Verwendung leistungssteigernder Substanzen aus gesundheitlicher und ethischer Sicht (B1, B2, B3).

Anonyme Kartenabfrage zu Doping

Informationstext zu Werten, Normen, Fakten

Informationstext zum ethischen Reflektieren ( z.B. nach Martens 2003)

Exemplarische Aussagen von Personen

Informationstext zu EPO

Historische Fallbeispiele zum Einsatz von EPO (Blutdoping) im Spitzensport

Weitere Fallbeispiele zum Einsatz anaboler Steroide in Spitzensport und Viehzucht

Juristische und ethische Aspekte werden auf die ihnen zugrunde liegenden Kriterien reflektiert.

Verschiedene Perspektiven und deren Handlungsoptionen werden erarbeitet, deren Folgen abgeschätzt und bewertet.

Bewertungsverfahren und Begriffe werden geübt und gefestigt.

Diagnose von Schülerkompetenzen:

• Selbstevaluationsbogen mit Ich-Kompetenzen am Ende der Unterrichtsreihe

Leistungsbewertung:

• KLP-Überprüfungsform: „Bewertungsaufgabe“ zur Ermittlung der Entscheidungskompetenz (B2) und der Kriterienermittlungskompetenz (B1) mithilfe von Fallbeispielen

• ggf. Klausur.