Die Arbeit mit Erschließungsfeldern

Traubenzucker als Betriebsstoff

Der nachfolgende Artikel ist erschienen in: Praxis der Naturwissenschaften Biologie in der Schule 50 (2001) 7. - S. 21 - 25

1. Was soll der Biologieunterricht leisten ?

Abb. 1: Das Schema zeigt Felder, die im Biologieunterricht abgedeckt werden sollen [4].

Die graphische Darstellung zeigt, dass neben den Inhalten gleichberechtigt ihre Einbindung in ein System und das Einüben von Strategien zur Problemlösung stehen sollen. Es wird eine endgültige Abkehr von der "Naturkunde" gefordert; Inhalte müssen erarbeitet, strukturiert und systematisiert werden.

Die Systematisierung gelingt mit Hilfe der Erschließungsfelder; in diesem Beitrag wird im Rahmen der Themen "Ernährung", "Gärung" und "Regulation des Blutzuckerspiegels" am Beispiel des Traubenzuckers eine Möglichkeit gezeigt, sich Inhalte des Biologieunterrichts der Unter- und Mittelstufe unter dem Blickwinkel der Erschließungsfelder anzueignen und sie vertikal zu vernetzen.

Gleichzeitig soll der Unterricht so konzipiert sein, dass er zur naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweise hinführt (Wissenschaftspropädeutik). Dazu ist es nötig, dass die naturwissenschaftliche Denkweise (Problemfindung - Hypothesenbildung - Prognosen - Entwurf von Lösungsstrategien - Überprüfung mit Experimenten - Darstellung und Deutung der Ergebnisse - Grenzen der Aussage / Verallgemeinerung) immer wieder an den konkreten Unterrichtsinhalten eingeübt wird. Um das leisten zu können, müssen die Schüler im Laufe der Schulzeit fachspezifische Arbeitstechniken und Methoden kennen lernen und auch selbst anwenden. Eine verstärkte Motivation und die Fähigkeit im privaten wie im öffentlichen Bereich angemessene Entscheidungen zu treffen und sachgemäß zu handeln, erreicht man durch vielfältige Beziehungen zur Lebenswelt.

Im Biologieunterricht werden, wie in allen anderen Fächern auch, immer wieder fächerübergreifende Arbeitsweisen (z.B. Beschaffung von Information, Protokollführung, Präsentation, ... ) angewandt und geübt. Dabei kann der Schüler zusätzliche Methoden- und Sozialkompetenz erwerben.

2. Das Unterrichtsthema auf dem Prüfstand

Die Ausführungen konzentrieren sich auf den Aspekt der Erschließungsfelder und der damit verbundenen vertikalen Vernetzung. Inwieweit die anderen unter Punkt 1 erhobenen Forderungen erfüllt sind, wird nicht explizit dargestellt; man kann sie aber dem geschilderten Unterrichtsverlauf entnehmen.

Im Zentrum aller drei Unterrichtsthemen stehen die Erschließungsfelder "Energie" und "Stoff". Sie werden in den einzelnen Klassenstufen mit anderen Feldern kombiniert: In Klasse 5 mit "Bewegung" und "Wachstum", in Klasse 7/8 mit "Variabilität" und "Regulation", in Klasse 9/10 mit "Organisationsebenen", "Information" und "Regulation". Die Zahl der Felder, die gleichzeitig angesprochen wird, nimmt mit dem Alter der Schüler zu. Die Breite des behandelten Stoffes dagegen nimmt ab, die Ausführungen gehen mehr in die Tiefe: In Klasse 5 betrachtet man von den drei Hauptnährstoffen Kohlenhydrate und Eiweiße, die Zucker als einen Betriebsstoff und Aminosäuren als Bausteine bereitstellen. Die Energiebereitstellung wird in Klasse 7/8 aufgegriffen und Photosynthese, Zellatmung und Gärung werden erarbeitet (Wortgleichungen). Die Vorgänge werden als Fließgleichgewichte begriffen, die Zelle ist eine black box. Es werden Zellen bzw. Einzeller untersucht. In diesem Artikel wird nur die Untersuchung der Gärung skizziert. In Klasse 9/10 bleibt man auch noch auf diesem Niveau, die Dynamik des Systems und seine Regulation bzw. seine Fehlerquellen beim Menschen stehen im Vordergrund. Das Innere der black box wird erst in der Oberstufe untersucht.

In Klasse 5 werden der Organismus als Einheit, das Verdauungssystem mit seinen Organen und Vorgänge auf Teilchen - Ebene untersucht. In Klasse 7/8 kommt die Zellebene hinzu. In Klasse 9/10 kehrt man wieder zu dem Organismus zurück - jetzt werden aber die Systemeigenschaften stark betont.

Die Vorstellungen von den Teilchen und ihrem Stoffwechsel werden in den einzelnen Jahrgangsstufen immer konkreter. Der Energiebegriff dagegen bleibt abstrakt. In allen drei Klassenstufen werden Stoffmengen quantitativ untersucht; die Bedeutung dieses Aspektes rückt aber immer mehr in den Vordergrund. In Klasse 5 führen die Schüler qualitative Tests durch, quantitative Analysen werden von Experten der Universität Hohenheim (Einzelheiten in Abschnitt 3) durchgeführt. In Klasse 7/8 führen sie selbst quantitative Messungen durch. In Klasse 9/10 führen die Schüler selbst halbquantitative Messungen mit Teststäbchen durch und lernen Blutzuckeranalyse - Automaten kennen. Am Anfang werden die Untersuchungsschritte, die der naturwissenschaftlichen Denkweise entsprechen, vom Lehrer vorgegeben, das Experiment ist eine Simulation. In Klasse 7/8 steht die Wissenschaftspropädeutik mit dem Experiment als Kernstück im Mittelpunkt des Interesses. In 9/10 werden eine Fülle von Experimenten und Beobachtungsergebnisse miteinander in Beziehung gesetzt und zu einem System verknüpft.

Es wurde versucht zu zeigen, welche unterschiedlichen Entwicklungsstränge in den drei Unterrichtsthemen angelegt sind. Sie führen dazu, dass sich im Laufe der Schuljahre bei den Schülern ein zusammenhängendes Bild, ein strukturiertes biologisches Basiswissen, entsteht. Dazu leisten die Erschließungsfelder einen wesentlichen Beitrag. Obwohl sie im Gedankengang des Lehrers bei jeder Unterrichtsvorbereitung eine wichtige Rolle spielen und sich auch in der Unterrichtsstruktur widerspiegeln sollten, müssen die Schüler in wohlüberlegter, dosierter Art und Weise an sie herangeführt werden.

3. "Ernährung" in Klasse 5

Die Unterrichtseinheit geht von der Sachlage aus, dass eine Fülle verschiedenster regionaler Lebensmittel weltweit variantenreich zubereitet und gegessen wird. So vielfältig wie die Menschen und ihre Lebensgewohnheiten in den Ländern sind, so unterschiedlich ist auch ihre Esskultur. Ganz gleich aber, was der Mensch in welcher Zubereitung verspeist, er kann arbeiten und wachsen (Abb. 2). Ein Teil der Nahrung liefert Energie, ein Teil wird in uns eingebaut. Der Mensch ist, was er isst!

Abb. 2: Tafelbild. Der Mensch ist in der Lage, mit ganz unterschiedlichen Nahrungsmitteln
seinen Bedarf an Bau- und Betriebsstoffen abzudecken.
Zeichnung: Renate Krause

Volker Arzt [1] hatte sich für die Untersuchung der Nahrungsmittel noch einen "Phantasie-Sortier-und-Meßroboter" ausgedacht. Einen kostenlosen Analysenservice, der das tatsächlich leistet, stellt die Universität Hohenheim [5] (http://www.uni-hohenheim.de/~wwwin140/info/interaktives/uebersicht.htm) mittlerweile im Internet zur Verfügung. Hier kann man alle Zutaten seines Lieblingsessens eingeben und erhält online eine Liste der Inhaltsstoffe. Der Lehrer stellt eine Tabelle zur Diskussion (Tab. 1), die die Vornamen der Schüler, ihr Lieblingsgericht, die Zutaten und den Gehalt an Eiweißen, Fetten und Kohlehydraten zeigt. Ganz gleich, was man untersucht, man findet immer die drei Nährstoffe - allerdings in ganz unterschiedlichen Mengen. Zucker und Fette liefern die Energie, die Eiweiße die Bausteine für unsere Organe. Diese Nährstoffe gelangen aus dem Essen in den Körper.

Untersucht man den Weg der Nahrungsmittel, so stellt man fest, dass die Verdauungsorgane in ihrer Gesamtheit einen mehr oder weniger weiten Kanal bilden, der am Mund beginnt und am After endet - nirgends findet man eine andere sichtbare Öffnung (Abbildung 3). Wenn wir unser Frühstück gegessen haben, befindet es sich also noch nicht in unserem Körperinneren. Es können sicher nur ganz kleine Teile der Nahrung diesem allseits geschlossenen Rohr entnommen werden. Im Schülerexperiment (Abb. 4 nach einer Anregung von [3]) wird überprüft, ob das Kleinreiben einer Kartoffel ( = Kauen) die Inhaltsstoffe soweit zermahlt, dass sie durch die Poren (Macherey-Nagel Rundfilter MN 615) eines Filters ( = Dünndarmwand) passen. In dem Brei kann man Stärke nachweisen, in dem Filtrat nicht. D.h. obwohl die Kartoffel so gründlich, wie es in den seltensten Fällen vorkommt, "gekaut" wurde, sind die Bruchstücke für die Filterporen immer noch zu groß. Daraus muss man folgern, dass die Nahrung nicht nur mechanisch aufgeschlossen wird.

Abb. 3: Tafelbild Das Verdauungssystem des Menschen ist ein geschlossenes Rohr. Zeichnung: Renate Krause

Modell von Frau Helga Langer

Eine Vorstellung davon, dass Verdauungssäfte Nährstoffe zerlegen, bekommen die Schüler, wenn sie längere Zeit Weißbrot kauen. Die schwache Speichellösung braucht lange, bis sie von den großen Stärketeilchen die kleinen Zuckerbausteine abgespalten hat. Die konzentrierteren spezifischen Verdauungssäfte von Magen, Galle, Bauchspeicheldrüse und Dünndarmwand können die jeweiligen Stoffe schneller zerlegen. Eiweiße, Fette und Stärke werden in die verschiedenen Grundbausteine zerlegt. Eiweiße sind Ketten aus zwanzig verschiedenen Aminosäuren, Stärke besteht aus einer mehr oder weniger langen Reihe aus Zuckerteilchen. Bestimmte Verdauungsstoffe zerlegen Eiweiße in die Aminosäuren und andere spalten Stärke in einzelne Zuckerteilchen auf. Zucker und die essentiellen Aminosäuren müssen dem Körper mit der Nahrung zugeführt werden.

Mit Modellen aus Legosteinen ( = Stärke aus Einzelzuckern aufgebaut) und Steckperlenketten ( = Eiweiß aus Aminosäuren zusammengesetzt) und ihrer symbolische Zerlegung durch zwei spezifische Werkzeuge (Abb. 5) kann man das Vorstellungsvermögen der Kinder unterstützen. Mit Hilfe von Modellen verschiedener Nahrungseiweiße, die alle die Bausteine für ein vorgegebenes Körpereiweiß liefern sollen, kann man die Wertigkeit der Nahrungseiweiße verdeutlichen (Abb. 6). Dieses Wissen ist besonders für Vegetarier bedeutsam.

4. "Gärung" in Klasse 7 / 8

An der Liebigschule in Frankfurt am Main sind wir im Rahmen der naturwissenschaftlichen Profilbildung in der Lage, in einer Jahrgangsstufe die Klassen zu teilen und verstärkt praktisch zu arbeiten. Eine Aufteilung der Klassen in eine Jungen- und eine Mädchengruppe hat sich gut bewährt.

In der vorhergehenden Stunde wurde die Fragestellung entwickelt. Ausgehend von einem Hefeteigrezept und der Untersuchung eines gut aufgegangenen Kuchenteiges ergaben sich eine Fülle von Fragen: - Was befindet sich in einem Würfel Bäckerhefe, was in einem Tütchen Trockenbackhefe? - Von welcher / welchen Zutat/en ernährt sich die Hefe? - Können die Hefepilze (z.B. in der Teigmitte) ohne Sauerstoff leben? - Welches Gas entwickelt die Hefe? - Kann man messen, wie aktiv die Hefe ist? Von welchen Faktoren hängt ihre Aktivität ab?

Die beiden ersten Fragen werden gleich im Unterrichtsgespräch geklärt. Die Schülerinnen schlagen Untersuchungsmöglichkeiten bzw. Versuche vor, mit deren Hilfe die Fragen geklärt werden könnten - der Lehrer teilt die entsprechenden Ergebnisse mit. Für die anderen drei Fragestellungen werden Lösungsstrategien diskutiert, die am Ende zu dem Entwurf eines Experimentes (Abb. 7) führen, das in einer Doppelstunde durchgeführt wird. Die Versuchsergebnisse der ganzen Gruppe sind in Tab. 2 zusammengestellt.

Das Experiment ist geeignet, die drei Fragen zu beantworten; als Faktor, der variiert wird, wurde die Temperatur (Hefeteig wird warm gestellt) ausgewählt. Thema der Doppelstunde war also nicht "Wir wollen heute die Gärung messen", sondern ausgehend von Fragen, die die Schülerinnen selbst aufgeworfen haben, wird die Gärung "entdeckt". Eine Hinführung der Jugendlichen zur naturwissenschaftlichen Arbeitsweise erreicht man nicht durch qualitative Demonstrationsexperimente unter nicht erfassten Rahmenbedingungen, sondern nur durch Schülerexperimente unter kontrollierten, reproduzierbaren Bedingungen, die quantitative Aussagen erlauben und bei denen bis auf den untersuchten Parameter alle anderen Faktoren (weitgehend) konstant gehalten werden. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass Schülerinnen einer 8.Klasse sehr wohl in der Lage sind, in einer Doppelstunde in der Gesamtschau zu aussagekräftigen Ergebnissen zu kommen. Die Temperatur wurde für jeden Messwert notiert; die Versuche sollten bei 30° bzw. 35°C durchgeführt werden, damit man gut messbare Werte erhält.

Parallel zu den Schülerexperimenten läuft das gleiche Experiment (vom Lehrer betreut) im Großmaßstab ab. Das dabei gebildete Gas (mindestens 1l) dient dem Kohlendioxid - Nachweis ("Kerzentreppe") und dem Alkohol - Nachweis (Vermutung, die sich aus einem Transfer zur Wein-, Apfelweinherstellung ergab) mit einem Teströhrchen (Abb. 8).

Die Schülerinnen lernen in dieser Doppelstunde nicht nur den Ablauf eines Experimentes kennen, sondern ihnen wird bei ihrem Arbeiten klar, dass Ausdauer und Genauigkeit erforderlich sind. Es werden alle Originalmesswerte notiert, alle Differenzbildungen müssen nachvollziehbar sein (Laborjournal !).

Der Lehrer muss gute und umfangreiche Vorarbeiten leisten, damit die Schülerinnen das anspruchsvolle Programm ohne Hektik durchführen können.

In der nächsten Doppelstunde werden im Computerraum die Messwerte eingetippt und mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms auf unterschiedliche Weisen graphisch dargestellt. Eine für die Darstellung naturwissenschaftlicher Versuchsergebnisse besonders geeignet Form wird ausgewählt (Abb. 9). Die Schülerinnen variieren auch die Skalierungen der Achsen und erfahren so, wie sich allein dadurch die Kinetik und damit die Aussagekraft verändern lässt.

Die Schülerinnen erhalten zur Diskussion der Versuchsergebnisse die vom Lehrer vorbereitete Zusammenstellung (Tab. 2). Schon ein erster Blick auf die Gesamtheit der Ergebnisse zeigt, dass Einzelversuche wenig aussagekräftig sind. Im Unterrichtsgespräch werden mögliche Gründe für die Anstiegsphase (Hefe muss ihren Stoffwechsel einstellen, Temperaturausgleich noch nicht erreicht, Stopfen locker, ... ) und die Schwankungen (Ableseungenauigkeiten, Temperaturschwankungen, ... ) gesucht. Nachdem man die möglichen Fehlerquellen untersucht hat, kann man sich jetzt der Interpretation zuwenden.

 "Genauere Interpretation"

5. "Regulation des Blutzuckerspiegels" in Klasse 9/10

In den für Klasse 9 bzw. 10 vorgeschlagenen Unterrichtsstunden steht der Mensch im Mittelpunkt. Die zusammenhängende Interpretation der Ergebnisse einer Serie von Versuchen und Beobachtungen an Tieren und dem Menschen führt zur Entwicklung des Regelkreises des Blutzuckerspiegels. Die Kenntnis der Regulationsvorgänge erlaubt ein besseres Verständnis der beiden Hauptarten des Diabetes und der Therapien bzw. der Gesundheitsvorsorge.

Eine ausführliche Darstellung findet man bei [2] bzw. unter Regulation des Blutzuckerspiegels .

6. Ausblick

Es wurde versucht zu zeigen, wie man mit einem viele Aspekte berücksichtigenden Unterricht Schüler ansprechen und zur Lösung selbstgestellter Probleme motivieren kann. Nur mit qualitativ verbesserten, vielschichtigen, "dichten" Stunden werden die Schüler angemessen auf die Zukunft vorbereitet. Die Verantwortung für die Chancen der Schüler sollte im Vordergrund stehen, wenn sie dann bei TIMSS auch noch besser abschneiden, ist das ein schöner Nebeneffekt.

Ein weiterer Vorteil dieses Unterrichts ist das breite Spektrum des Anforderungsniveaus. Gefordert sind einfache Beschreibungen aber auch Kreativität, manuelles Geschick und intellektuelle Leistungsfähigkeit, spontane Einfälle und ausdauerndes Arbeiten - d.h. die Unterrichtsstunden bieten jedem Schüler Möglichkeiten zur Mitarbeit. Diese Art zu unterrichten verlangt gute Bedingungen vor Ort und stellt Anforderungen an Schüler und Lehrer. Die Ergebnisse überzeugen aber auch Schulleitung und Eltern und sie gewähren Freiräume bzw. Geldmittel. Nur so kann man auch die Öffentlichkeit und die Kultusministerien von der Notwendigkeit einer Ausweitung der Stundenzahlen für den Biologieunterricht überzeugen.

Literatur

[1] Arzt, V. u. Steinhage, K.: Kochmos Band 3: Ernährung und Salz. vgs, Köln (1989)
[2] Bossert, U.: Regulation des Blutzuckerspiegels. Biologie in der Schule 4 (1999), S. 204-207. Auch unter: http://www.bossert-bcs.de/biologie
[3] Freimann, Th.: Persönliche Mitteilung
[4] Hessisches Kultusministerium: Lehrplan Biologie - Gymnasialer Bildungsgang, Wiesbaden 2001
[5] http://144.41.20.58/lebensmittel.htm