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Unterrichtsplanung

Unter­richts­ent­wurf: Mikro­or­ga­nismen und Bakterien

6.480 Wörter / ~29 Seiten sternsternsternsternstern Autor Sebastian P. im Dez. 2018
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Unterrichtsplanung
Biowissenschaften

Universität, Schule

Universität Bayreuth

Note, Lehrer, Jahr

1,0, 2018

Autor / Copyright
Sebastian P. ©
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Format: pdf
Größe: 1.40 Mb
Ohne Kopierschutz
Bewertung
sternsternsternsternstern
ID# 78554







Unterrichtsentwurf

Mikroorganismen und Bakterien


Inhalt

1       Einleitung. 2

2       Sachanalyse. 3

3       Relevanzanalyse. 7

3.1      Fachrelevanz. 7

3.2      Gesellschaftsrelevanz. 8

3.3      Schülerrelevanz. 8

4       Analyse der Lernvoraussetzungen der Schüler 9

5       Didaktisch-methodische Überlegungen zum Unterricht 11

5.1      Lehrplanbezug. 11

5.2      Fächerübergreifende Aspekte. 13

5.3      Lernziele. 13

5.4      Methodische Vorgehensweise und deren Begründung. 14

6       Artikulationsschema: Verlaufsplanung mit Zielbezug. 21

7       Reflektion. 25

8       Fazit 27

9       Literaturangaben. 28

9.1      Internetquellen. 28

9.2      Herausgegebene Werke. 29

1       Einleitung

Mikroorganismen und Bakterien begegnen uns im Alltag überall und dennoch entziehen sie sich größtenteils dem Interesse der Bevölkerung und wenn sie doch mal in den Fokus der öffentlichen Aufmerksamkeit geraten werden sie meist als Verursacher von Krankheiten oder Lebensmittelseuchen dargestellt.

Daher verwundert es nicht, wenn auch die Lernenden in den Schulen der Thematik „Mikroorganismen“ zunächst distanziert und teilweise negativ eingestellt gegenüberstehen. Zu konstatieren ist jedoch, dass die Mikrobiologie unter anderem neben der Genetik eines der zukunftsträchtigsten und bedeutsamsten Forschungsfelder in den Naturwissenschaften ist.

Dies begründet sich einerseits damit, dass die zur Erforschung der Mikroben notwendige Technik erst in den letzten Jahren einen Stand erreicht hat, der qualitative Aussagen und Untersuchungen ermöglicht und andererseits den Mikroorganismen lange Zeit auch von Seiten der Wissenschaft nicht die entsprechende Aufmerksamkeit gewidmet wurde. Mittlerweile hat man jedoch das große Potenzial dieser Kleinstlebewesen verstanden, die Forschung aber steht aufgrund der Vielfalt der Mikroorganismen noch weit am Anfang.

Aufgrund dieses enormen Bedeutungszuwachses auf diesem Gebiet ist es essenziell auch den Lernenden in Schulen die Grundlagen der mikrobiellen Vielfalt und Lebensweise nahezubringen. Dabei ist es unabdingbar die (emotionale) Einstellung der Lernenden hinsichtlich der Gruppe der Bakterien zu erfassen und ihnen eine differenziertere Sichtweise auf die Rolle und Bedeutung dieser in Ökosystemen und in der industriellen Nutzung zu ermöglichen.

Mittels des Fachwissens sollen die Lernenden beurteilen können, inwiefern Vorurteile und Ängste der Bevölkerung bezüglich der Bakterien berechtigt beziehungsweise unberechtigt sind. Die Lernenden erwerben somit Kompetenzen zum kritischen und fachgemäßen Beurteilen und Hinterfragen gesellschaftlich relevanter Themen.


2       Sachanalyse

Taxonomie:

Prokaryotische Lebewesen stellen die frühesten Lebensformen auf der Erde dar. Im Zuge dessen waren sie während ihrer gesamten Evolution ständig wechselnden und teils extremen Umweltbedingungen ausgesetzt, welche dafür sorgten das sie heute eine deutlich höhere Vielfalt an Lebensweisen aufweisen, als eukaryotische Lebewesen. Taxonomisch gesehen zählt man die beiden Domänen der Archaea und der Bacteria zu den Prokaryoten.

Die Archaebakterien nehmen dabei eine Sonderstellung ein, da sie einerseits molekularbiologisch den Eukarya sehr nahe stehen, anderseits hinsichtlich des Baus und Stoffwechsels hohe Ähnlichkeiten mit den Bacteria aufweisen (Fuchs, 2007).

Der Begriff „Mikroorganismen“ ist nicht klar abgegrenzt, sondern umfasst im Allgemeinen alle Lebewesen des Mikrokosmos, d. h. alle Lebewesen die mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen sind. Aus diesem Grund zählen auch Pilze (z. B. Hefen) zu den Mikroorganismen, auch wenn sie der Domäne der Eukarya zuzuordnen sind. Bakterien zählt man zu der Domäne der Bacteria, jedoch sind die Begriffe nicht synonym zu verwenden, da zu den Bacteria auch prokaryotisches Leben (z. B.

Mitochondrien; Chloroplasten) gehört, welches nicht den Bakterien zuzuordnen ist (Fuchs, 2007).

Anatomie:

Im direkten Vergleich zwischen einer prokaryotischen und einer eukaryotischen Zelle fällt Folgendes besonders auf:

Erhebliche Differenz in der Zellgröße: Die eukaryotische Zelle ist im Durchschnitt 10-fach größer als die prokaryotische Zelle. Eine durchschnittliche Bakterienzelle hat eine Länge von ca. 0,5 – 1 μm.

Struktur des Genoms: Während bei eukaryotischen Zellen der Hauptteil der DNA in einem membranumhüllten Kern (lat. Nucleus) vorliegt, fehlt den Prokaryoten eben dieser Kern und das Genom liegt als ringförmig geschlossener Strang (Baktrienchromosom; Nukleoid) vor. Darüber hinaus besitzen prokaryotische Zellen extrachromosomale DNA in Form von einem ringförmigen Plasmid, welcher eine höhere genetische Variabilität erm.....[Volltext lesen]

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Nach der Teilung liegen zwei identische Tochterzellen vor, die der Größe der ursprünglichen Mutterzelle entsprechen. Der festgelegte Zyklus nach dem die einzelnen Phasen während der Teilung vollzogen werden unterliegt der Steuerung durch ein komplexes Regelsystem innerhalb der Zelle (Fuchs, 2007).

Unter konstant bleibenden Bedingungen verdoppelt sich eine Bakterienpopulation in einem festgelegten zeitlichen Intervall. Da die Vermehrung durch Zweiteilung geschieht erhöht sich die Zellzahl immer um einen konstanten Faktor, es liegt exponentielles Wachstum vor. „Enthält das Einheitsvolumen einer wachsenden statischen Kultur N0 Zellen, so beträgt die Zellzahl N nach n Teilungen also N0 * 2n“ (Fuchs, G., 2007, S. 171).

Dabei ist zu konstatieren, dass das exponentielle Wachstum nicht immer sofort nach Beimpfung einer Nährlösung mit einer Bakteriensuspension beginnt, da die Bakterien sich zunächst auf die veränderten Bedingungen einstellen müssen und ihren Stoffwechsel anpassen (Anlaufphase). Erst danach setzt das exponentielle Wachstum ein in deren Mitte auch die maximale Teilungsrate der Population erreicht wird.

Wie in jedem biologischen System ist der Nährstoff der in der geringsten verfügbaren Menge vorliegt der limitierende Faktor für das Wachstum einer Population. Das exponentielle Wachstum schwächt sich nach Erreichen des Maximums aufgrund weniger werdenden Ressourcen ab, bis es schlussendlich komplett eingestellt wird und die Population die stationäre Phase erreicht, in der die Anzahl der Individuen konstant bleibt.

Unter bestimmten Umständen setzt ab einem gewissen Punkt eine Abnahme der Individuenanzahl der Population ein. Die genauen Gründe hierfür sind wissenschaftlich noch nicht eindeutig identifiziert worden. Es wird angenommen, dass die Absterbephase durch die „Wirkung von zelleigenen Enzymen (Autolyse)“ (Fuchs, G., 2007, S. 175) zustande kommt.

                                              

3       Relevanzanalyse

3.1      Fachrelevanz

Die Mikrobiologie ist eines der dynamischsten aber auch komplexesten Forschungsgebiete, da man längst noch nicht die vielfältigen Wechselwirkungen der Mikroorganismen in Ökosystemen erforscht hat. Doch genau aus diesem Grunde ist die Auseinandersetzung mit Mikroorganismen und hier speziell den Bakterien in den bayrischen Lehrplan aufgenommen worden.

Die Lernenden sollen dabei zunächst grundlegende Kenntnisse über den Aufbau und die genetische Organisation einer Bakterienzelle erlangen. Dabei wird ihnen verdeutlicht das trotz der geringen Größe eine Bakterienzelle ein lebendiges und selbstständiges biologisches System darstellt und in Beziehung zu anderen Systemen steht (vgl. Basiskonzepte Biologie - Fachwissen: F1.1; F1.2; F2.1; F2.2).

Die Zelle wird als Grundbaustein des Lebendigen verstanden und ermöglicht zum späteren Zeitpunkt einen direkten Vergleich zwischen verschiedenen Zelltypen (Eukaryoten vs. Prokaryoten). Die Lernenden erwerben sowohl das notwendige Wissen als auch die benötigten Kompetenzen zur Erklärung, weshalb Bakterien so erfolgreich in Evolution und Anpassung sind und verstehen, welche Handlungs- und Nutzungsmöglichkeiten sich für den Menschen ergeben.

Aufgrund der Vielzahl an Bakterien wird der Fokus auf das Darmbakterium E. coli gelegt, an welchem als Modellorganismus auch in den folgenden Unterrichtseinheiten die Besonderheiten der Bakterien exemplarisch erklärt werden. Die Thematik eröffnet eine propädeutische Vorgehensweise. Die Lernenden können eigenständig Hypothesen aufstellen, Experimente durchführen, protokollieren und auswerten.

Es werden grundsätzliche Arbeitsweisen und -techniken der Biologie angewendet (vgl. Basiskonzepte Biologie - Erkenntnisgewinnung: E1; E2; E5; E6).

3.2      Gesellschaftsrelevanz

Mit der zunehmenden wissenschaftlichen Erforschung rücken die Mikrobiologie und Bakterien auch weiter in den Fokus der Öffentlichkeit. Besonders im Hinblick auf die ökologischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts wie den Klimawandel und die damit verbundene Ausbreitung tropischer Insekten und mit ihnen die bakterieninduzierte Krankheitsausbreitung von tropischen Krankheiten im europäischen Raum ist von großer Bedeutung.

Darüber hinaus ergeben sich hinsichtlich der Nutzung von Mikroorganismen zur Herstellung von Biogas realistische und potenzielle Alternativen zu den zur neigegehenden fossilen Ressourcen. Des Weiteren nehmen Mikroorganismen in der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie eine bedeutende Rolle ein, was wiederum jeden Einzelnen direkt betrifft. Besonders im Hinblick auf die immer noch hohe Lebensmittelverschwendung aufgrund von bakterienverursachtem Verderben ergeben sich hier zahlreiche Handlungsmöglichkeiten, um mit Konservierungsmethoden diese.....

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Nichtsdestotrotz kann man in der Unterrichtsstunde zum Aufbau der Bakterienzelle an die Erfahrungen und Methodik aus der 5. Jahrgangsstufe anknüpfen und vertiefen. Die Bedienung des Mikroskops Bedarf aber der fachkundigen Betreuung durch den Lehrenden mit dem Ziel die Lernenden schrittweise an selbstständiges wissenschaftliches Arbeiten heranzuführen. Zentrale Fachausdrücke der Unterrichtsstunde sind neben den oben genannten Zellstrukturen:

- Prokaryoten/ prokaryotische Zelle

- Eukaryoten/ eukaryotische Zelle

- Bakterienchromosom; Plasmide; Flagellen/ Geißeln, Kapsel

- Mikroben/ Mikrokosmos

- Kokken, Spirillen, Stäbchen.

Diese Begriffe lassen sich auch nicht im Zuge der didaktischen Reduktion ersetzen, da die Fachausdrücke entweder der Beschreibung des Zellaufbaus dienen, wichtige Definitionen zur Unterscheidung und Abgrenzung verschiedener Organisationsformen von Lebewesen liefern oder für den Gesamtüberblick der Thematik „Mikroorganismen & Bakterien“ unverzichtbar sind.

Didaktische Reduktion erfolgt im Bereich des vertieften Wissens um den Aufbau und die Funktion der Zellkompartimente einer Bakterienzelle. So werden nur für das allgemeine Verständnis notwendige Zellstrukturen betrachtet und für die Lernenden nicht relevante und anwendbare/ nutzbare Strukturen wie Magnetosomen oder Speichergranula nicht erwähnt.

Des Weiteren werden die Funktionen der Zellbestandteile zunächst nicht weiter betrachtet, sondern, wenn es zur Erklärung oder dem Verständnis von Sachverhalten unabdingbar ist, an entsprechender Stelle eingeführt. So ist für die Vermehrung und Zweiteilung der Bakterien die Funktion des Bakterienchromosoms, der Plasmide und der Zellwand essenziell, die der Geißel an dem Punkt unwichtig.

So wird verhindert, dass die Lernenden auf „Vorrat“ lernen und das Wissen was sie neu dazugewonnen haben immer sofort nutzen, anwenden und verknüpfen können.

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Nach Abschluss des Lernbereichs, welcher laut Lehrplan ca. 8 Stunden umfassen soll, haben die Lernenden einen Überblick über die Vielfalt, den Bau, die Lebensweise und die Bedeutung der Mikroorganismen in biologischen Systemen und der Industrie gewonnen.

Der sich an den Lernbereich „Mikroorganismen in der Biotechnologie“ anschließende Lernbereich 3 der 9. Jahrgangsstufe „Genetik und Gentechnik“ (ca. 18 Stunden) greift im Unterpunkt 2 „Organisation und Vervielfältigung genetischer Information“ Erlerntes aus dem Lernbereich 2 auf. So wird die Organisation des genetischen Materials zwischen Pro- und Eukaryoten verglichen und ein vertiefter Blick auf die beteiligten Zellstrukturen geworfen.

Im Lernbereich 4 „Evolution“ derselben Jahrgangsstufe kann entsprechend der Schwerpunktsetzung durch den Lehrenden auf bakterielles Leben als Ursprung des Lebens auf der Erde eingegangen werden.

In der 10. Jahrgangsstufe beschreiben die Lernenden im Lernbereich 2 „Ökosystem Mensch“ unteranderem „Wechselbeziehungen zwischen dem Menschen und anderen Lebewesen, deren Ökosystem der menschliche Körper ist, um Maßnahmen und Verhaltensweisen für eine gesundheitsbewusste Lebensführung abzuleiten“

( ). Des Weiteren unterscheiden sie „bakterielle und virale Infektionen, beschreiben an ausgewählten Beispielen deren Verlauf und beurteilen Möglichkeiten und Grenzen des Infektionsschutzes und einer Therapie“

( ). Grundlage für die nachhaltige und fachgemäße Auseinandersetzung mit den Inhalten liefert der Lernbereich 2 der 9. Jahrgangsstufe zu dem auch die vorliegende geplante U.....

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5.3      Lernziele

Ableitend aus den im Lehrplan festgeschriebenen Kompetenzerwartungen und Inhalten können folgende Lernziele formuliert werden:

a) GZ 1: Die SuS erhalten einen Überblick über den Aufbau und die Struktur             einer prokaryotischen Bakterienzelle.

         FZ 1.1: Die SuS beschreiben einen wesentlichen Unterschied im Bau bzw.                         der Organisation zwischen einer prokaryotischen und einer euka-             ryotischen Zelle.

          FZ 1.2: Die SuS nennen die Bestandteile einer Bakterienzelle.

          FZ 1.3: Die SuS skizzieren den Aufbau einer Bakterienzelle.

b) GZ 2: Die SuS erhalten einen Überblick über verschiedene Zellmorphologien       von Bakterien.

          FZ 2.1: Die SuS führen nach Anleitung einen einfachen Mikroskopierver-               such zur Skizzierung der Zellmorphologie von E. Coli durch.

          FZ 2.2: Die SuS benennen acht verschiedene Zellformen/ -verbände von               Bakterien.

c) GZ 3: Die SuS erhalten einen Einblick in das Wachstum von Bakterienkolo-         nien.

          FZ 3.1: Die SuS führen nach Anleitung einen Versuch zum Nachweis von            Mikroorganismen aus.

          FZ 3.2: Die SuS protokollieren den Versuch zum Nachweis von Mikroor-                ganismen.

5.4      Methodische Vorgehensweise und deren Begründung

Zur Formulierung einer Problemstellung zum Unterrichtsthema wird zunächst das Video „Die unsichtbare Macht der Mikroben“ ( ) vom Lehrenden mittels Laptop und Beamer abgespielt. Da die geplante Unterrichtsstunde gleichzeitig eine Einführungsstunde in einen neuen Lernbereich darstellt, sind die Informationen über Mikroorganismen und Bakterien in der Filmsequenz allgemeiner Natur.

Es werden keine konkreten fachlichen Inhalte vermittelt, sondern soll den Lernenden einen anschaulichen Einblick in den Mikrokosmos ermöglichen. Da davon auszugehen ist, dass die Lernenden kaum Vorstellungen von diesem haben und mit Bakterien zumeist Krankheitserreger assoziieren, dient der Film zur gedanklichen Erweiterung und zur thematischen Öffnung, um bei den Lernenden eine dem Thema gegenüber offene Ei.....

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Die Lösungsplanung zur Problemstellung wird vom Lehrenden im Vorfeld der Unterrichtseinheit übernommen, da Materialien und Arbeitsmittel wie Mikroskope und Bunsenbrenner bereits vor Beginn der Unterrichtsstunde auf die Hälfte der Klassenbänke gestellt werden müssen. Die Lernenden sollen anhand einer Lerntheke gestellte Aufgaben auf verschiedenfarbigen Arbeitsblättern selbstständig entweder in Einzelarbeit oder Partnerarbeit an der Mikroskopierstation bearbeiten.

Die Überprüfung ihrer Antworten können sie eigenständig mit den vorgesehenen Lösungsumschlägen, welche ebenfalls am Lehrerpult ausliegen, vornehmen. Durch die Lerntheke wird eine weitgehend selbstständige Arbeitsweise der Lernenden ermöglicht. Der Lehrende informiert vor Beginn der Arbeitsphase über den Verlauf der Stationsarbeit und teilt das erste Arbeitsblatt (Anhang 1) sowie das Buddy-Book-Bakterien (Anhang 2) aus.

Dabei ist aus Sicht des Lehrenden Folgendes zu beachten:

Jedes Arbeitsblatt ist am Ende mit einem Kasten versehen, welcher Anweisungen für den Lernenden enthält, wie er weiter verfahren soll, wenn er mit der Bearbeitung der Aufgaben und der Kontrolle mittels des Lösungsumschlags fertig ist. Das Arbeitsblatt mit dem roten Seitenstreifen („Mikroorganismen“) wird als Einziges vom Lehrenden ausgeteilt. Der Lehrer hat zwei verschiedene Varianten von diesem Arbeitsblatt.

Variante eins wird an die Hälfte der Klasse ausgeteilt, die an Arbeitsplätzen ohne Mikroskop sitzen. Die Anweisung im Kasten lässt sie mit der Bearbeitung des Arbeitsblatts mit dem grünen Streifen („Aufbau der prokaryotischen Bakterienzelle“ - Anhang 3) fortfahren. Variante zwei wird entsprechend an den Teil der Klasse ausgeteilt, welcher vor sich Mikroskope auf den Tischen stehen hat.

Die Anweisung für sie lautet mit dem Arbeitsblatt mit dem blauen Streifen („Wie sieht E. coli aus?“ - Anhang 4) weiterzumachen.

Die Gruppe die sich zunächst mit dem Bau der prokaryotischen Bakterienzelle beschäftigt holt sich dann das Arbeitsblatt mit dem rosafarbenen Streifen (Anhang 5), welches sie zur Mikroskopierstation lotst an dem die andere Hälfte der Klasse zunächst war. Diese wiederum nehmen sich dann nach Beendigung des Mikroskopierversuchs das Arbeitsblatt mit dem lilafarbenen Streifen (Anhang 6) und beschäftigen sich jetzt mit dem Bau der prokaryotischen Bakterienzelle.

Dabei haben am Ende der Erarbeitungsphase alle Lernenden jede Aufgabe bearbeitet, lediglich in unters.....

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Quellen & Links

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