Biologie · Klasse 10

Ideen für aktives Lernen

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.

• KMK Bildungsstandards
• KMK: Sekundarstufe I - Fachwissen Struktur und Funktion
• KMK: Sekundarstufe I - Information und Kommunikation

• 30–50 Min.
• Partnerarbeit → Ganze Klasse
• 4 Aktivitäten

Aktivität 01

• 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.

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.

Worauf zu achten ist

Die Schülerinnen und Schüler erhalten eine Karte mit der Frage: 'Beschreiben Sie in eigenen Worten den Unterschied zwischen Ruhepotenzial und Aktionspotenzial und nennen Sie jeweils eine treibende Kraft (Ion).' Sie schreiben ihre Antwort auf die Karte und geben sie ab.

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Aktivität 02

• 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.

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.

Worauf zu achten ist

Der Lehrer zeichnet ein einfaches Neuron an die Tafel. Er fragt: 'Welcher Teil nimmt Signale auf? Welcher Teil leitet Signale weiter? Was ist die Funktion der kleinen Ausstülpungen am Zellkörper?' Die Schülerinnen und Schüler antworten mündlich oder schreiben Stichworte auf kleine Zettel.

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

Aktivität 03

• 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.

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.

Worauf zu achten ist

Stellen Sie die Frage: 'Wie würde sich die Reizweiterleitung verändern, wenn die Myelinscheiden fehlen würden?' Leiten Sie eine kurze Klassendiskussion, in der die Schülerinnen und Schüler ihre Hypothesen begründen und die Konsequenzen für die Geschwindigkeit der Informationsübertragung erörtern.

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

Aktivität 04

• 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.

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.

Worauf zu achten ist

Die Schülerinnen und Schüler erhalten eine Karte mit der Frage: 'Beschreiben Sie in eigenen Worten den Unterschied zwischen Ruhepotenzial und Aktionspotenzial und nennen Sie jeweils eine treibende Kraft (Ion).' Sie schreiben ihre Antwort auf die Karte und geben sie ab.

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Sozialbewusstsein
• Selbstwahrnehmung

Einige Hinweise zum Unterrichten dieser Einheit

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.

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.

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Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

• 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.

  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.

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

  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.

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

  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.

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In dieser Übersicht verwendete Methoden

• Concept-Mapping
• Planspiel
• Lernen an Stationen
• Rollenspiel