Stoffkreisläufe: Kohlenstoffkreislauf

Aktive Lernformen eignen sich hier besonders, weil Schülerinnen und Schüler komplexe Kreisläufe besser begreifen, wenn sie sie selbst nachbauen, messen oder diskutieren. Durch Handeln verstehen sie, wie Kohlenstoffflüsse funktionieren und warum menschliche Eingriffe das System stören.

• Klasse 11
• Biologie der Oberstufe: Von der Zelle zur Biosphäre
• 4 Aktivitäten
• 20 Min.–45 Min.

Lernziele

1. Erklären Sie die chemischen Reaktionen der Photosynthese und Zellatmung im Kontext des Kohlenstoffkreislaufs.
2. Berechnen Sie die jährliche Nettoemission von Kohlenstoffdioxid durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe basierend auf globalen Verbrauchsdaten.
3. Analysieren Sie die Kapazität verschiedener Kohlenstoffsenken (Ozeane, Wälder, Böden) und vergleichen Sie deren Effektivität bei der Klimaregulation.
4. Bewerten Sie die langfristigen ökologischen Folgen der Entwaldung für die globale Kohlenstoffbilanz.

Concept-Mapping

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Modellbau: Kreislauf simulieren

Schülerinnen und Schüler bauen mit Karten und Pfeilen den Kohlenstoffkreislauf nach, inklusive menschlicher Eingriffe. Sie markieren Flüsse und diskutieren Störungen. Abschließend präsentieren sie Szenarien.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie die Rolle von Photosynthese und Zellatmung im Kohlenstoffkreislauf.

Moderationstipp: Beim Modellbau darauf achten, dass die Schülerinnen und Schüler nicht nur die Schritte des Kreislaufs nachbauen, sondern auch die Materialien bewusst wählen, um die Rolle der Senken (z.B. Sedimente, Ozeane) zu verdeutlichen.

Setup: Tische für große Papierformate oder Wandflächen

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

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Concept-Mapping

⏱ 30 Min.·Partnerarbeit

Datenanalyse: CO2-Messungen

Gruppen analysieren reale CO2-Daten aus Mauna Loa und korrelieren sie mit Brennstoffverbrauch. Sie erstellen Graphen und ziehen Schlüsse zu Senken.

Vorbereitung & Details

Analysieren Sie die Auswirkungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe auf den Kohlenstoffkreislauf.

Moderationstipp: Bei der Datenanalyse CO2-Messwerte nicht nur ablesen lassen, sondern die Schüler dazu anregen, Trends zu interpretieren und die Messgenauigkeit zu reflektieren.

Setup: Tische für große Papierformate oder Wandflächen

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

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Rollenspiel

⏱ 40 Min.·Ganze Klasse

Rollenspiel: Stakeholder-Debatte

Schülerinnen und Schüler verkörpern Produzenten, Konsumenten und Politiker, debattieren über fossile Brennstoffe. Sie argumentieren basierend auf Kreislaufwissen.

Vorbereitung & Details

Beurteilen Sie die Bedeutung von Kohlenstoffsenken für die Klimaregulation.

Moderationstipp: Im Rollenspiel klare Rollenprofile vorgeben, damit die Schüler gezielt Argumente sammeln und die Perspektiven von Wissenschaft, Politik und Wirtschaft nachvollziehen können.

Setup: Spielfläche oder entsprechend angeordnete Tische für das Szenario

Materials: Rollenkarten mit Hintergrundinfos und Zielen, Szenario-Briefing

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Sozialbewusstsein
• Selbstwahrnehmung

Concept-Mapping

⏱ 20 Min.·Einzelarbeit

Experiment: Photosynthese-Messung

Individuell messen sie CO2-Absorption bei Pflanzen mit Indikatoren und verknüpfen es mit dem Kreislauf.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie die Rolle von Photosynthese und Zellatmung im Kohlenstoffkreislauf.

Moderationstipp: Beim Photosynthese-Experiment darauf achten, dass die Schülerinnen und Schüler die Kontrolle und die Versuchsbedingungen genau dokumentieren, um valide Messungen zu erhalten.

Setup: Tische für große Papierformate oder Wandflächen

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

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Dieses Thema unterrichten

Erfahrungsgemäß gelingt das Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs am besten, wenn man ihn als dynamisches System darstellt, das durch menschliche Aktivitäten gestört wird. Vermeiden Sie eine zu statische Darstellung, die den Kreislauf als perfekten Kreis zeichnet, sondern zeigen Sie offen, wo Kohlenstoff aus dem System entfernt oder hinzugefügt wird. Forschung zeigt, dass Schülerinnen und Schüler besser lernen, wenn sie die globalen Zusammenhänge mit lokalen Beispielen verknüpfen, etwa mit dem Wald vor der eigenen Schule oder dem regionalen Energieverbrauch.

Was Sie erwartet

Sicheres Verständnis zeigen die Lernenden, wenn sie die wichtigsten Prozesse des Kohlenstoffkreislaufs erklären, menschliche Einflüsse einordnen und das Konzept der Senken sowie deren Bedeutung für das Klima anwenden können. Sie erkennen auch, dass der Kreislauf nicht perfekt geschlossen ist, sondern durch menschliche Aktivitäten verändert wird.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

During [Modellbau: Kreislauf simulieren], watch for...

Was Sie stattdessen lehren sollten

Nutzen Sie die Materialien, um den Schülerinnen und Schülern zu zeigen, dass Kohlenstoff in Sedimenten oder Ozeanen gespeichert wird und nicht mehr zirkuliert. Fragen Sie konkret: 'Wo bleibt der Kohlenstoff, der nicht wieder in die Atmosphäre gelangt?'.

Häufige Fehlvorstellung

During [Datenanalyse: CO2-Messungen], watch for...

Was Sie stattdessen lehren sollten

Verweisen Sie auf die Messdaten und fragen Sie: 'Warum steigt der CO2-Gehalt in der Atmosphäre trotz Photosynthese an?' Halten Sie die Schüler dazu an, die langfristigen Trends und nicht nur die jährlichen Schwankungen zu betrachten.

Häufige Fehlvorstellung

During [Rollenspiel: Stakeholder-Debatte], watch for...

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lenken Sie die Debatte gezielt auf die Rolle fossiler Brennstoffe. Fragen Sie die Schüler: 'Warum sind diese Brennstoffe problematisch, obwohl sie Teil des Kreislaufs sind?' und verweisen Sie auf die geologische Zeitskala.

Ideen zur Lernstandserhebung

Lernstandskontrolle

After [Modellbau: Kreislauf simulieren]... bitten Sie die Schüler, auf einer Karte zu notieren, wie ihr Modell den Kohlenstofffluss darstellt und wo menschliche Einflüsse sichtbar werden.

Diskussionsfrage

During [Rollenspiel: Stakeholder-Debatte]... beobachten Sie, ob die Schüler die Argumente der verschiedenen Rollen auf den Kohlenstoffkreislauf beziehen und dessen Störungen durch menschliche Aktivitäten erkennen.

Kurze Überprüfung

After [Experiment: Photosynthese-Messung]... lassen Sie die Schüler in Partnerarbeit ihre Messergebnisse kurz präsentieren und erklären, wie diese das Gleichgewicht des Kohlenstoffkreislaufs beeinflussen.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie schnelle Schüler auf, ein eigenes Diagramm des Kohlenstoffkreislaufs mit allen relevanten Prozessen und menschengemachten Einflüssen zu erstellen und zu präsentieren.
• Unterstützen Sie Lernende mit Schwierigkeiten, indem Sie ihnen ein vorgefertigtes Flussdiagramm geben, in dem sie die fehlenden Prozesse (z.B. Verbrennung, Zersetzung) eintragen müssen.
• Vertiefen Sie mit einer Rechercheaufgabe, wie sich der Kohlenstoffkreislauf in verschiedenen Ökosystemen (z.B. Regenwald, Meer) unterscheidet und welche regionalen Klimafolgen damit verbunden sind.

Schlüsselvokabular

Photosynthese	Der Prozess, bei dem Pflanzen und andere Organismen Lichtenergie nutzen, um Kohlendioxid und Wasser in Glukose (organische Materie) und Sauerstoff umzuwandeln.
Zellatmung	Der Prozess, bei dem Organismen organische Verbindungen (wie Glukose) abbauen, um Energie zu gewinnen, wobei Kohlendioxid und Wasser als Nebenprodukte freigesetzt werden.
Kohlenstoffsenke	Ein natürliches Reservoir (wie Ozeane oder Wälder), das mehr Kohlenstoff aufnimmt, als es abgibt, und somit zur Reduzierung der atmosphärischen CO2-Konzentration beiträgt.
Fossile Brennstoffe	Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas, die aus den Überresten abgestorbener Organismen über Millionen von Jahren gebildet wurden und bei ihrer Verbrennung große Mengen CO2 freisetzen.