UB 3 Biologie Warum verliert eine frischmasse PDF

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frischmasse und Trockenmasse
Warum verliert man dden Anteil ?...

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Name: Dr. Hans-Otto Werling, StRef. Ausbildungsschule: Wilhelm Dörpfeld Gymnasium, Wuppertal Datum: 15. November 2011 (Dienstag) 3. Stunde (10:05 h - 11:05 h) Fach: Biologie Lerngruppe: Einführungsphase (EF 10 / UuA) Biologie Raum 31 (Kleiner Biologiefachraum) Fachseminarleiterin: Frau Dr. P. Ernsting Hauptseminarleiter: Herr T. Lohmann Mentorin: Frau R. Kohsen Entwurf zum 3. Unterrichtsbesuch im Fach Biologie Themenfeld: Molekulare Grundlagen, Kompartimentierung, Transport

Thema der Unterrichtseinheit: Die Zelle als osmotisches System: Transportvorgänge an Membranen Thema der Unterrichtsstunde: Warum verliert eine frische Gurkenscheibe Wasser, wenn man sie auf Zucker oder Kochsalz legt? Osmotisches Verhalten von Pflanzenzellen (Plasmolyse) Kernanliegen (Kompetenzen): Die SuS wenden Schritte aus dem experimentellen Weg der Erkenntnisgewinnung zur Erklärung an. Sie lernen dabei, Beobachtungen zeichnerisch festzuhalten, zu protokollieren und zu interpretieren. Die SuS verstehen die Zelle als osmotisches System und den Vorgang der Plasmolyse und Deplasmolyse als Ergebnis von Transportvorgängen durch semipermeable Biomembranen. Die SuS wenden neu erlerntes Wissen bei der Beschreibung des osmotischen Zustandsdiagramms und der entsprechenden Zustandsgleichung an. Lernziele: Die SuS sollen: 

die Arbeitstechniken am Mikroskop erweitern und verfeinern, indem sie ein Plasmolyse- und gegebenenfalls Deplasmolyse -Experiment (bei schnell arbeitenden SuS als Binnendifferenzierung) an Epidermiszellen von Rotkohlblättern durchführen.



lernen, die Beobachtungen zeichnerisch festzuhalten, zu protokollieren und zu interpretieren.



beschreiben und verstehen, dass Zellen durch konzentrierte Zucker- und/oder Salzlösungen Wasser entzogen wird, wodurch der Zellwanddruck (Turgor) abnimmt und das pralle Gewebe schrumpft (welkt).



den Vorgang des Wasserentzugs aus den Zellen als osmotischen Prozess, d.h. als Diffusion durch eine semipermeable Membran (hier Plasmamembran und Tonoplast) deuten.



erkennen, dass dieser Vorgang auf dem Konzentrationsausgleich der gelösten Teilchen (z.B. Rohrzuckermoleküle) durch eine semipermeable Membran beruht, die für die kleinen Moleküle des reinen Wassers (Lösungsmittel) durchlässig ist, jedoch nicht für die gelösten, viel größeren Zuckermoleküle.



lernen, dass der resultierende osmotische Wert einer Lösung nur von der Anzahl (sprich: Konzentration) der gelösten Teilchen abhängt und unabhängig von der Art der Teilchen ist.



erkennen, dass die Plasmolyse ein reversibler Vorgang darstellt (Deplasmolyse), solange die Zellmembran intakt ist (Vitalitätszeichen der Pflanzenzellen).



verstehen, dass die Regulation des Wasserhaushalts und der Wassergehalt einer Pflanze auf dem Prozess der Osmose und dem osmotischen Zustand der Pflanzenzellen basiert (Osmotisches Zustandsdiagramm und Zustandsgleichung).

Lernvoraussetzungen: Die SuS haben sich durch den vorangegangenen Unterricht bereits Kenntnisse über den Aufbau der Pflanzen und Tierzellen erarbeitet und kennen einige Merkmale sowie Unterschiede dieser Zellen. So sind ihnen die Begriffe Zellwand, Zellmembran, Zellkern, Vakuole und Chloroplasten bereits vertraut. Darüber hinaus haben sie sich mit den einzelnen Aufgaben und Funktionen bestimmter Zellbestandteile auseinandergesetzt und genauer kennengelernt. Auch haben die SuS mehrere mikroskopische Übungen absolviert. Die Kriterien für die Anfertigung einer wissenschaftlichen Zeichnung sind ebenso bekannt wie der Aufbau eines Protokolls, sodass darauf in dieser Stunde nicht zwangsläufig eingegangen werden muss. Stundenrelevantes fachliches Vorwissen bringen die SuS dahingehend mit, dass die Begriffe wie Eigenbewegung von kleinsten Teilchen (Brownsche Molekularbewegung), Diffusion, Membranen als permeable und semipermeable Barrieren von Transportvorgängen und Osmose in der vorherigen Unterrichtsstunde eingeführt und mithilfe von Modellversuchen veranschaulicht wurden. Unterrichtszusammenhang: Die heutige Stunde steht in einem direkten Zusammenhang mit der vorhergegangenen und stellt den zweiten Teil des Einstiegs in die Unterrichtseinheit: „Die Zelle als osmotisches System“ dar. In der vorangegangenen Stunde (Thema: Von der Diffusion zur Osmose) habe ich den SuS zur Einführung in das Themengebiet Gurkenscheiben präsentiert, die unterschiedlich lange auf Kochsalz oder Zucker lagen. Besonders die länger inkubierten Scheiben (mehrere Tage!) hatten schon viel Zellsaft verloren und waren entsprechend stark geschrumpft. Die SuS haben ihre Beobachtungen geschildert, eigene Erfahrungen mit Gurkensalat beschrieben und erste Erklärungsversuche für den Wasserentzug formuliert. In der heutigen Stunde steht die experimentelle, mikroskopische Bearbeitung und Vertiefung des Themas auf zellulärer Ebene anhand eines Plasmolyse-/Deplasmolyse- Experimentes an Pflanzenzellen im Vordergrund.

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Die Funktion dieser beiden Unterrichtsstunden besteht darin, dem für die SuS oft theoretischen Thema „Osmose“ einen alltagsbezogenen, anschaulichen Einstieg anzubieten, welcher die Grundlagen für die anschließenden Lernprozesse legt. Es sind noch zwei weitere Unterrichtsstunden (3./4. Stunde) geplant, in denen in Gruppenarbeiten die osmotischen Vorgänge am Osmometer und anhand des „Kartoffelpommes-Experimentes“ vertieft werden sollen. Ausgehend von diesem Wissen erfolgt dann die Überleitung auf Bau und Funktion der Zellmembran. Informationen zur Lerngruppe: Lerngruppenanalyse und Lernausgangslage Seit dem 7. September 2011 hospitiere ich in dieser Lerngruppe (Biologie EF) jeweils dienstags und donnerstags. Seit 10. November 2011 habe ich unter Anleitung meiner Mentorin die Unterrichtsreihe „ Die Zelle als osmotisches System: Transportvorgänge an Membranen“ übernommen. Die Lerngruppe setzt sich aus 16 Schülerinnen und 9 Schülern zusammen. Mehrere SuS haben wegen der Teilnahme an einem Schüleraustauschprogramm mit Polen drei Unterrichtsstunden versäumt. Außerdem hat die Klasse am heutigen Tag in den vorangegangenen beiden Unterrichtsstunden eine für sie wichtige Klausur in Deutsch geschrieben. Es ist deshalb mit einer gewissen Unaufmerksamkeit der SuS zu rechnen. Bezüglich der Leistungsbereitschaft und der mündlichen Mitarbeit weist die Lerngruppe eine große Heterogenität auf. Einige SuS sind sehr fleißig, bringen kontinuierlich gute reproduktive Leistungen, ordnen neue Fachinhalte in einen Gesamtkontext ein und sind auch zu anspruchsvolleren Transferleistungen in der Lage; auch zeichnen sie sich durch gute mündliche Beteiligung aus. Andere SuS hingegen sind nur wenig motiviert und äußern sich im Unterrichtsgespräch eher selten. Begründungen für didaktische und methodische Entscheidungen: Didaktische Überlegungen Der Lehrplan für das Fach Biologie sieht für die Einführungsphase im Themenfeld „ Molekulare Grundlagen, Kompartimentierung, Transport“ die Bearbeitung der Fachinhalte Diffusion und Osmose vor, ebenso unser Schulcurriculum. Gleichzeitig gibt es vielfältige Lebensweltbezüge: das Welken von Zimmerpflanzen aufgrund mangelnder Wasserversorgung, Wasserverlust von gezuckertem Speiseobst, platzende Süßkirschen durch Sommerregen, Einlegen und Konservieren von Fleisch, Umkehrosmose, die künstliche Niere (Medizin) – um einige Beispiele zu nennen. Die Plasmolyse stellt einen großen Lebensweltbezug dar. Vermutlich jeder SuS kennt das Phänomen des Wasserverlusts von gesalzenem Gurkensalat oder gezuckerten Erdbeeren, ohne sich jedoch des ursächlichen, grundlegenden biologischen Prinzips bewusst zu sein: Der Zellsaft einer Pflanzenzelle ist hypertonisch und saugt daher durch die Plasmamembran (Plasmalemma) und durch den Tonoplast Wasser an – was man als Osmose bezeichnet (Diffusion von Teilchen durch eine semipermeable Membran). Dadurch entsteht ein hydrostatischer Druck (Turgor), der im Zusammenspiel mit dem Gegendruck der starren Zellwand die Festigkeit von krautigen, unverholzten Pflanzenteilen gewährleistet. Wird das Außenmedium einer Zelle experimentell hypertonisch gegenüber dem Zellsaft gemacht, dann verliert die Vakuole solange Wasser, bis die molare Gesamtkonzentration des Zellsaftes gleich der des Außenmediums ist. Durch die Volumenabnahme der Vakuole verringert sich zunächst der Zellwanddruck, anschließend löst sich 3

der Protoplast von der Zellwand ab (Plasmolyse). Solange die Zellmembran intakt ist, ist dieser Vorgang reversibel (Deplasmolyse). Entsprechend den angestrebten Unterrichtszielen steht im Zentrum der Stunde – wie auch in der vorangegangenen Stunde – das Phänomen des Wasserverlusts von gesalzenen bzw. gezuckerten Gurkenscheiben, welches für die SuS ein nicht auf Anhieb erklärbares Problem darstellt. Die Auseinandersetzung mit diesem alltagsnahen Problem macht es den SuS leichter, sich anschließend mit der für die SuS oft abstrakten, theoretischen Erklärung der Osmose zu befassen und systematisch zu erschließen. Aufgrund der inhaltlichen Komplexität dieses Themas liegt der didaktische Schwerpunkt der vorhergehenden und dieser Stunde im Bereich der Erkenntnisgewinnung. Es ist möglich, dass SuS aus den Beobachtungen interpretieren, dass Wasser nur aus der Vakuole ausströmt, da dies anhand der schrumpfenden Vakuole abzuleiten ist und soll in der Auswertungsphase angesprochen und richtiggestellt werden. Methodische Überlegungen Zum Einstieg in die Stunde eignet sich eine kurze Stundenwiederholung (Vorstellung des Phänomens sowie der daraus abgeleiteten Fragen). Die wiederholte Darbietung des Phänomens weckt erneut Neugierde und Interesse für anstehende Überprüfung der Hypothesen durch die Gruppen. Die

Erarbeitung

Mikroskopierens

des

Stundeninhalts

und Protokollierens

erfolgt

mittels

(Zeichnen):

der

Methode

sie nimmt

des

Experimentierens,

eine zentrale Rolle

bei

der

naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung ein. Für die Erreichung der Unterrichtsziele erscheint mir diese Methode im Falle dieser Stunde in hohem Maße geeignet. Alternativ bestünde die Möglichkeit, die Stundeninhalte nur mit Texten erarbeiten zu lassen, was den Vorteil einer zielorientierten, zeitsparenden Erarbeitung hätte, aber nicht der Intention und den angestrebten Zielen dieser Stunde entspricht. Als Material für die experimentelle mikroskopische Untersuchung eignen sich rote Zwiebeln und/oder Rotkrautblätter, da deren Zellen rotgefärbte Vakuolen aufweisen. Die Präparation ist anspruchsvoll, wurde von den meisten SuS in einem anderen Zusammenhang jedoch schon einmal praktiziert.

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Verlaufsplan (Stundenskizze, tabellarisch): Thema: Osmotisches Verhalten von Pflanzenzellen (Plasmolyse)

Phase

Unterrichtsinhalte

Aktions-/

Material/

Sozial-

Medien

Bemerkungen

Zeit [min]

form Einstieg

- Begrüßung - Stundenwiederholung



Phänomen „Gurkenscheiben“

-LV -DV Ergebnis:

-LSG

Gurkenscheiben

15

Wasserverlust von gesalzenen/gezuckerten Gurkenscheiben

präsentieren



Tafelmodell:

Wasser und Zuckerlösung - dazwischen permeable

-Hypothesenbildung

-LSG

-Aufgabenstellung

-LV

-OHP Folie:

Membran: Diffusion

Wasser und

- dazwischen semipermeable

Zuckerlösung

Membran: Osmose Basiert Wasserverlust der Gurke auf Osmose?

-AB: Mikroskopische

-Zielangabe

Ziel: Überprüfung der Hypothese

Übung Arbeitsanleitung

Erarbeitungsphase I

-Plasmolysestadien beobachten, zeichnen

-GA -EA

Aufgabenstellung Mikroskope

Mikroskopieren, Beobachten

weißes Papier

Dokumentieren = Zeichnen Auswerten,

-LSG Erarbeitungs-

-Plasmolysestadien

-SV

phase II

-(ggf. Deplasmolyse)

-LSG

Sicherung

beschreiben -Plasmolysestadien in

-SV

Diagramm einordnen,

5

-AB -OHP Folie

ggf. Skizze zur Verdeutlichung

-OHP Folie

Osmotisches Zustandsdiagramm

10

-LSG

-Osmotische Zustandsgleichung

-Tafel

Osmotische Zustandsgleichung S = O;

W = ”Null”

S=O-W;

W > ”Null”, S...