Bau und Funktion von Neuronen

Aktive Lernformen sind hier besonders wirksam, weil Schülerinnen und Schüler den Aufbau und die Funktion von Neuronen durch multisensorische Erfahrungen verstehen. Durch Modellbau, Simulationen und Rollenspiele wird das abstrakte Konzept der Ionenströme greifbar und nachvollziehbar.

• Klasse 10
• Biologie 10: Leben, Erbe und Verantwortung
• 4 Aktivitäten
• 30 Min.–50 Min.

Lernziele

1. Die Schülerinnen und Schüler identifizieren die Hauptbestandteile eines Neurons und beschreiben deren spezifische Funktionen.
2. Die Schülerinnen und Schüler analysieren die Abfolge der Ereignisse, die zur Entstehung und Weiterleitung eines Aktionspotenzials führen.
3. Die Schülerinnen und Schüler vergleichen und kontrastieren das Ruhepotenzial und das Aktionspotenzial hinsichtlich ihrer Membranspannung und der beteiligten Ionenströme.
4. Die Schülerinnen und Schüler erklären die Rolle von Myelinscheiden bei der Beschleunigung der Reizweiterleitung entlang des Axons.

Concept-Mapping

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Modellbau: Neuron aus Knete

Schülerinnen und Schüler bauen ein Neuron-Modell mit Knete: Soma als Kugel, Dendriten als Äste, Axon als langer Strang mit Myelin-Perlen. Sie beschriften Bestandteile und erklären Funktionen in der Gruppe. Abschließend präsentieren sie das Modell der Klasse.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie den Aufbau eines Neurons und die Funktion seiner Bestandteile.

Moderationstipp: Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler beim Knetmodell die einzelnen Teile des Neurons benennen und ihre Funktionen in Partnerarbeit besprechen, bevor sie das Modell bauen.

Setup: Tische für große Papierformate oder Wandflächen

Materials: Begriffskarten oder Haftnotizen, Plakatpapier, Marker, Beispiel für eine Concept Map

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Planspiel

⏱ 50 Min.·Partnerarbeit

Planspiel: Aktionspotenzial mit Batterien

Verwenden Sie Batterien, Drähte und LEDs, um Ruhe- und Aktionspotenzial nachzustellen: Eine Batterie simuliert das Ruhepotenzial, Schalter den Reiz. Gruppen messen Spannungsänderungen mit Multimetern und diskutieren Ionenflüsse. Ergänzen Sie mit Diagrammen.

Vorbereitung & Details

Analysieren Sie die Entstehung und Weiterleitung eines Aktionspotenzials.

Moderationstipp: Führen Sie die Batterie-Simulation Schritt für Schritt durch und messen Sie gemeinsam die Spannungsänderungen, um den Unterschied zwischen Ruhe- und Aktionspotenzial sichtbar zu machen.

Setup: Flexibler Raum für verschiedene Gruppenstationen

Materials: Rollenkarten mit Zielen und Ressourcen, Spielwährung oder Token, Rundenprotokoll

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Sozialbewusstsein
• Entscheidungsfähigkeit

Lernen an Stationen

⏱ 40 Min.·Kleingruppen

Lernen an Stationen: Reizweiterleitung

Richten Sie Stationen ein: 1. Dendriten-Simulation mit Fäden, 2. Axon mit Rohr und Murmeln für Saltoleitung, 3. Synapse mit Papierstreifen für Neurotransmitter, 4. Membranpotenzial mit Ballons. Gruppen rotieren und protokollieren.

Vorbereitung & Details

Differentiieren Sie zwischen Ruhepotenzial und Aktionspotenzial.

Moderationstipp: Im Rollenspiel zu den Ionenkanälen achten Sie darauf, dass jede Schülerin und jeder Schüler eine klare Rolle übernimmt und die Vorgänge während des Aktionspotenzials aktiv nachspielt.

Setup: Im Raum verteilte Tische/Stationen

Materials: Stationskarten mit Arbeitsanweisungen, Unterschiedliche Materialien je Station, Timer für die Rotation

• Erinnern
• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Rollenspiel

⏱ 30 Min.·Ganze Klasse

Rollenspiel: Ionenkanäle

Schülerinnen und Schüler verkörpern Na+- und K+-Ionen, Kanäle und Membran. Bei Reiz öffnen Kanäle, Ionen bewegen sich. Die Klasse beobachtet und diskutiert Depolarisation. Wiederholen für Repolarisation.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie den Aufbau eines Neurons und die Funktion seiner Bestandteile.

Moderationstipp: Bei den Stationen zur Reizweiterleitung sorgen Sie für klare Arbeitsaufträge an jeder Station, damit die Schülerinnen und Schüler die Experimente selbstständig durchführen und dokumentieren.

Setup: Spielfläche oder entsprechend angeordnete Tische für das Szenario

Materials: Rollenkarten mit Hintergrundinfos und Zielen, Szenario-Briefing

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Sozialbewusstsein
• Selbstwahrnehmung

Dieses Thema unterrichten

Lehrerinnen und Lehrer sollten dieses Thema schrittweise aufbauen: Zuerst den Aufbau des Neurons vermitteln, dann die Ionenströme durch Modelle und Simulationen veranschaulichen und schließlich die physiologischen Abläufe im Rollenspiel vertiefen. Vermeiden Sie zu frühe Vergleiche mit technischen Kabeln, da dies Fehlvorstellungen fördert. Nutzen Sie stattdessen Analogien zu Alltagssituationen, wie z.B. Wasserflüssen oder Verkehrsströmen, um die Dynamik der Ionenbewegung zu veranschaulichen.

Was Sie erwartet

Erfolgreiches Lernen zeigt sich darin, dass Schülerinnen und Schüler den Aufbau eines Neurons erklären und die Rolle der Ionenkanäle im Ruhe- und Aktionspotenzial beschreiben können. Sie erkennen, dass die Signalweiterleitung auf physikalischen und chemischen Prinzipien beruht und nicht auf elektrischen Strömen wie in Kabeln.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während der Simulation mit Batterien beobachten manche Schülerinnen und Schüler, dass die Spannung über die "Leitung" gleich bleibt, und schließen daraus, dass Neuronen wie Kabel funktionieren.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Nutzen Sie die Batterie-Simulation, um gezielt nachzufragen: 'Wo findet die Spannungsänderung statt? Warum bleibt die Spannung im Axon konstant, obwohl Strom fließt?' Zeigen Sie, dass die Spannungsänderung an der Membran erfolgt und nicht im Inneren des Axons.

Häufige Fehlvorstellung

Während des Murmel-Modells zur Saltoleitung vermuten einige, dass das Signal mit der Entfernung schwächer wird.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Beobachten Sie die Murmelbewegung im Rohr und fragen Sie: 'Was passiert, wenn die Murmeln das Rohr entlangrollen? Bleibt die Energie gleich oder nimmt sie ab?' Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen diskutieren, warum die Amplitude des Aktionspotenzials konstant bleibt.

Häufige Fehlvorstellung

Bei den Osmose-Experimenten zur Ionenverteilung gehen manche davon aus, dass die Ionenkonzentrationen im und außerhalb der Zelle gleich sind.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Nutzen Sie die Stationen mit Osmose-Experimenten, um gezielt nach der Rolle der Natrium-Kalium-Pumpe zu fragen: 'Wie kommt es zu der ungleichen Verteilung der Ionen? Was passiert, wenn die Pumpe nicht arbeitet?' Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler die Ergebnisse notieren und interpretieren.

Ideen zur Lernstandserhebung

Lernstandskontrolle

Nach dem Modellbau aus Knete geben die Schülerinnen und Schüler ihre Karte mit der Frage ab: 'Beschreiben Sie in eigenen Worten den Unterschied zwischen Ruhepotenzial und Aktionspotenzial und nennen Sie jeweils eine treibende Kraft (Ion).' Sammeln Sie die Karten ein und werten Sie die Antworten aus, um zu prüfen, ob die Grundlagen verstanden wurden.

Kurze Überprüfung

Während der Stationen zur Reizweiterleitung fragt die Lehrkraft an jeder Station gezielt nach: 'Welcher Teil des Neurons ist hier dargestellt? Welche Rolle spielt er bei der Signalweiterleitung?' Die Antworten werden auf kleinen Zetteln festgehalten und helfen, den Lernstand zu überprüfen.

Diskussionsfrage

Nach dem Rollenspiel zu den Ionenkanälen leitet die Lehrkraft die Diskussion: 'Wie würde sich die Reizweiterleitung verändern, wenn die Myelinscheiden fehlen würden?' Die Schülerinnen und Schüler begründen ihre Hypothesen und diskutieren die Konsequenzen für die Geschwindigkeit der Informationsübertragung.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie schnelle Schülerinnen und Schüler auf, die Myelinisierung und ihre Auswirkungen auf die Reizleitungsgeschwindigkeit in einem selbstgebastelten Modell mit unterschiedlichen Rohrlängen zu demonstrieren.
• Unterstützen Sie schwächere Lerner durch ein Arbeitsblatt, das die Schritte des Aktionspotenzials mit Bildern und Lückentexten ergänzt.
• Vertiefen Sie das Thema durch eine Rechercheaufgabe: Wie wirken sich bestimmte Gifte oder Medikamente auf die Ionenkanäle aus? Die Ergebnisse können in einer kurzen Präsentation oder einem Poster festgehalten werden.

Schlüsselvokabular

Neuron	Eine Nervenzelle, die für die Übertragung von Informationen im Nervensystem zuständig ist. Sie besteht aus Zellkörper, Dendriten und Axon.
Aktionspotenzial	Eine kurzzeitige, schnelle Änderung des elektrischen Potenzials über die Zellmembran eines Neurons, die zur Weiterleitung von Nervenimpulsen dient.
Ruhepotenzial	Das elektrische Potenzial über der Zellmembran eines Neurons in seinem Ruhezustand, typischerweise um -70 mV, aufrechterhalten durch Ionenpumpen und -kanäle.
Synapse	Die Kontaktstelle zwischen zwei Neuronen oder zwischen einem Neuron und einer Zielzelle, an der die Signalübertragung stattfindet.
Ionenkanäle	Proteine in der Zellmembran, die den Durchtritt spezifischer Ionen (wie Natrium und Kalium) ermöglichen und so die elektrische Aktivität der Zelle beeinflussen.