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Modellkompetenz

Fachdidaktik Biologie- Dr. Dörte Ostersehlt

Saskia Stradomsky, Tim Michaelis, Lisa Winkelmann

Station 2: Aufgaben zur Förderung der Modellkompetenz

1. Lesen Sie den Text zur Modellkompetenz. Bearbeiten Sie dann dieAufgabenstellungen für die Schüler*innen zum Thema: „Wie wird die Lungegefüllt.“

Siehe unten

2. Erläutern Sie, welche Niveaustufen der Modellkompetenz in den einzelnenTeilkompetenzen mit den Aufgabenstellungen zur Atemmechanik sich realisierenlassen. Falls Sie ergänzende Aufgabenstellungen oder Verbesserungsvorschlägehaben, so notieren Sie diese.

Kompetenz: Eigenschaften von Modellen > Niveau 2, da die Funktionsmodelle in Station 2bund 2c sehr stark abstrahiert sind. Dies stellt eine idealisierte Repräsentation dar.Durch die Aufgaben 4 und 2d in Station 2b sowie die Aufgaben 4 und 5 werden dieSuS dazu angeleitet kritisch über Realität und Modell nachzudenken und zuvergleichen.

Alternative Modelle > Niveau 1, unterschiedliche Modellobjekte stellen dieFunktionen dar, allerdings lassen sich an dem Modell nicht mehrere Hypothesenbelegen, weitere Modellvarianten (mit anderem Material) wären denkbar. Um dieseNiveaustufe noch expliziter anzusprechen, könne man für die SuS auch eine Aufgabe"Erkläre, welche Gründe es hat, verschiedene Modell zu betrachten." einfügen, die sieim Anschluss an die Stationsarbeit lösen. Anhand dieser Aufgabe können die SuS dieVor- und Nachteile der verschiedenen Modelle zusammenfassen.

Zweck von Modellen > Niveau 2, bekannte Zusammenhänge werden durch dasModell veranschaulicht, Korrelationen von Variablen im Ausgangsobjekt werdenerklärt. Durch die Aufgabenstellungen in Station 2b lernen die SuS beispielsweiseden Zusammenhang zwischen Einatmung, Kontraktion derZwischenrippenmuskulatur, Stellung der Rippen und Volumenvergrößerung desBrustraums kennen. In Station 2c kommt dann noch die Funktion des Zwerchfells,einer weiteren "Variablen", hinzu. Insbesondere Aufgabe 2 jeder Station leitet dieSuS an, die Zusammenhänge der Variablen zu erklären.

Testen von Modellen > max. Niveau 1, die Modelle sind an sich überprüfbar, eskönnen Parallelen zum Ausgangsobjekt gezogen werden. Dies wird in den Aufgabenjedoch nicht verlangt. Lediglich in den Aufgaben 4 und 2d bzw. 5 in den Stationensollen die SuS notieren welche Strukturen vorhanden sind und was bspw. an demModell idealisiert wurde.

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Ändern von Modellen > Niveau 1, die Modelle können als Modelle der Funktionenund Strukturen genutzt werden, durch neue Erkenntnisse und Perspektiven könnensie zusätzlich erweitert, revidiert oder verändert werden. In den Aufgabenstellungenwird jedoch nur verlangt, Unterschiede zum Original zu finden. Es werden keineVorschläge zum Ändern des Modells herangezogen und es gibt auch keineAufgabenstellung die Änderungen bzw. Verbesserungen an den Modellenthematisiert.

3. Diskutieren Sie die unten abgebildeten Modelle und üben Sie vergleichend Kritik unter Berücksichtigung der Inhalte des Textes als auch der folgenden Leitfragen:

Modell Bild 2: Gasaustausch in der Lunge

• Welchen Sachverhalt stellt das Modell dar?Den Gasaustausch in den Lungenbläschen (Alveolen) der Lunge.

• Handelt es sich um ein Unterrichtsmedium oder um ein Instrument zur Erkenntnisgewinnung?

Man kann das Bild als Unterrichtsmedium hinzuziehen. Erklärungen dürfen hierbeijedoch nicht fehlen. Es ist für uns eher als Instrument der Erkenntnisgewinnunggeeignet, da man eine gute und einfache Darstellung der Situation im Lungenbläschenerhält. Ohne Erläuterungen (Text) ist es eventuell schwer zugänglich.

• Welche (Forschungs-) Fragen beantwortet das Modell?- In welche Richtung verläuft der Gasaustausch in der Lunge?- Was passiert mit den Molekülen in der Lunge?

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• Können mit dem Modell Voraussagen oder Hypothesen über das Realobjekt bzw. über die realen Vorgänge getroffen werden?

Ja. In den Alveolen wird der Sauerstoff in die Kapillaren aufgenommen. Das Blut ist nunmit O2 angereichert. Aus dem sauerstoffarmen Blut in den Kapillaren werden CO2

Moleküle in die Alveolen aufgenommen und mit der Luft beim Ausatmen hinaustransportiert. Dies wird durch Beschriftungen und Richtungsangaben (Luftstrom in undaus Alveolen) deutlich.

• Wo liegen die Grenzen des Modells? o Übereinstimmungen: In welchen Eigenschaften stimmen Original und

Modell überein? Werden die wesentlichen Eigenschaften anschaulich abgebildet?

Es handelt sich um eine schematische Darstellung. Das genaue Aussehen, die Strukturund auch die Komplexität der Gesamtheit der Alveolen bleibt unklar (Verzweigung fehlt,Darstellung nur einer großen Alveole). Wesentliche Eigenschaften sind jedochdargestellt.

o Verkürzungen: Welche wesentlichen Eigenschaften werden nicht abgebildet?

Es handelt sich um ein reduziertes anatomisches Abbild zur einfachen Erklärung/Veranschaulichung der Funktion des Gasaustauschs. Die Komplexität derAlveolenbäume wird nicht gezeigt. Außerdem wird der Gasaustausch verkürztdargestellt: In der einen Hälfte der Alveole wird CO2 abgegeben, in der anderen wird O2

aufgenommen. Es sind also zur Vereinfachung je Alveolenhälfte nur Pfeile in eineRichtung dargestellt. Außerdem wird nicht gezeigt, dass ein Teil der eingeatmeten Luftneben O2 auch CO2 enthält und, dass ein Teil der ausgeatmeten Luft neben CO2 auch O2

enthält.

o Überschuss des Modells: Welche unwesentlichen Eigenschaften hat das Modell?

Da das Modell sehr übersichtlich und auf das Wesentliche beschränkt ist, gibt es nichts, was noch weggelassen werden könnte.

• Können diese Überschüsse oder Verkürzungen zu Fehldeutungen führen?Die simple Darstellung kann zu einer Fehlvorstellung der anatomischen Gegebenheitenführen. Es wäre sinnvoll das Bild im Zusammenhang mit einem anatomischen Modellzur Struktur der Lunge einzusetzen, um diese fehlerhaften oder unvollständigenEindrücke zu vermeiden. Weiterhin sollte den SuS bewusst gemacht werden, dassGasaustausch stets in beide Richtungen über die gesamte Fläche einer Alveolestattfindet. Außerdem sollte die Lehrkraft auch darauf hinweisen, dass sich in dereingeatmeten Luft neben O2 auch CO2 befindet sowie in der ausgeatmeten Luft nebenCO2 auch O2. Je nach Jahrgangsstufe sollte die Lehrkraft hierfür auch die Gründe(Partialdrücke) ansprechen.

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• Welche alternativen Modelle gibt es?Alternative Modelle, wie die der anderen Bilder zum Beispiel, könnten zusätzlich odererweiternd eingesetzt werden, um das Wissen immer komplexer werden zu lassen. DieSuS können zunächst einen einfachen Überblick erhalten und erst, wenn der grobeAufbau und Mechanismus bzw. Verlauf verstanden ist, können noch weitere Modellehinzugezogen werden. Der genaue Ablauf des Gasaustausches oder auch die Drücke, dieentstehen wären in der Folge denkbar zu thematisieren.

• Welches dieser Modelle würden Sie im Unterricht einsetzen. Begründen Sie.Alle Modelle sind im Unterricht denkbar einzusetzen. Je nach Wissensstand undForstschritt der Erarbeitung, sowie auch der Situation in der Lerngruppe angepasst,kann dann das passende Modell hinzugezogen werden. Auch eine Kombination vonModellen ist denkbar, um aus unterschiedlichen Perspektiven und mitunterschiedlichem Material, sowie Herangehensweisen ein möglichst großesVerständnis, wie auch Erkenntnisgewinnung bei den SuS zu bewirken. Damit kann denSuS auch der verschiedene Charakter von Modellen nahe gebracht werden. Sie SuSkönnen so sehen, dass Modelle verschiedene Eigenschaften und Schwerpunkte habenkönnen. Bei dem Einsatz verschiedener Abbildungen kann mit den SchülerInnen auchüber Vor- und Nachteile der Abbildungen diskutiert werden, um so die oftmalsvorhandene Vorstellung, dass Modell Kopien realer Objekte sind, zu relativieren.

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Modelle zum Gasaustauch

aus: E. Westendorf-Bröring (Hrsg.) (2015): Biologie Heute 7/8 Schroedel Verlag.

aus: Hausfeld &Schulenberg (2015): Aus: Weber, U. (2011): Bioskop 7/8Westermann Verlag Biologie Oberstufe. Cornelsen Verlag

Hier geht es zu den Schülerarbeitsmaterialien.....

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Lungen selbst besitzen keine Muskeln. Die Muskeln zwischen den Rippen, auchZwischenrippenmuskulatur genannt und das Zwerchfell bewirken dieAtembewegungen. Wenn die Atembewegung hauptsächlich durch dieZwischenrippenmuskulatur bewirkt wird, spricht man von der Brustatmung. Bewirkt inerster Linie das Zwerchfell die Atembewegung, handelt es sich um die Bauchatmung.

Mit Hilfe von Modellen kannst Du dir eine Vorstellung zur Atembewegung erarbeiten.

Modelle stellen die Wirklichkeit in vereinfachter Form dar. Sie berücksichtigen nurausgewählte Aspekte eines Originals. Sie können Bau, Lage und Funktionveranschaulichen und erleichtern das Verständnis komplizierter Sachverhalte. EinModell, das das Original weitgehend ähnlich darstellt, heißt Strukturmodell. EinModell, das die Funktion erklärt, heißt Funktionsmodell.

Aufgaben:

1. Betrachte das Modell eines menschlichen Torsos und beschreibe, wie dieZwischenrippenmuskulatur und das Zwerchfell dargestellt werden.

Die Zwischenrippenmuskulatur und das Zwerchfell sind realitätsnah dargestellt. DieSchülerinnen und Schüler (SuS) bekommen einen guten Eindruck von der Lage, alsodem Ort und der Größe, sowie von der Form. Das Zwerchfell ist aufgrund der „Öffnung“des Körpers unvollständig. Die Muskulatur des Zwerchfells, sowie die der zwischen denRippen, ist auch im Verlauf der Muskelfasern korrekt und nah an den physiologischenGegebenheiten dargestellt.

2. Erläutere, ob der Torso ein Struktur- oder Funktionsmodell ist!Es handelt sich um ein Strukturmodell, da die genaue Struktur abgebildet unddreidimensional greifbar gemacht wird. Funktionen werden dadurch nicht deutlich.

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3. Nenne Eigenschaften des Modells, die vom Original möglicherweise abweichen.Erörtere, warum der Entwickler des Modells diese Abwandlungen vorgenommen

Der schon erwähnte „offene Körper“ schneidetdie Gegebenheiten im Ganzen ab. Dies wirdfür einen kompletten Einblick und einengrößtmöglichen Überblick in Kauf genommen.Die Entnahme der Organe ist natürlich in derRealität auch nicht möglich. In diesemZusammenhang wird auf Strukturen wie dasgroße Netz, Fett etc. übersichtshalber und, umdie Organe, auch die tieferliegenden, guterkennen zu können, verzichtet.

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Die Zwischenrippenmuskulatur bewirkt eine Vergrößerung des Brustraums. Hast Du eine Idee, wie diese Muskulatur dieses bewirken kann. Stelle eine Hypothese auf.

Hypothese: Die Muskulatur, welche zwischen den Rippen liegt, zieht bei einerKontraktion die Rippen nach oben. Die Rippen werden angehoben/ parallel gestellt. DerBrustraum, und infolgedessen auch das Volumen des Brustraums, vergrößern sichdadurch.

1. Teste nun mit Hilfe der Modelle, was die Zwischenrippenmuskulatur bewirkt. Durch die Kontraktion der Zwischenrippenmuskulatur werden die Rippen angehoben.

2. Erkläre anhand der Abbildungen und anhand der Modelle die Brustatmung!

Beim Einatmen werden durch die Kontraktion der Zwischenrippenmuskulatur dieRippen angehoben und der Brustraum dadurch vergrößert. Das Brustvolumen nimmtzu.

3. Erläutere, ob die Modelle Struktur- oder Funktionsmodelle sind.Es handelt sich um ein Funktionsmodell. Die Struktur ist nur schematisch dargestellt.Die Funktion wird durch Veranschaulichung des wirkenden Mechanismusnachvollziehbar.

4. Ordne den Bestandteilen des Modells die entsprechenden Strukturen desBrustkorbs zu, die an der Brustatmung beteiligt sind.

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Bestandteil des Modells � Übertragen auf den menschlichen Körper

Metallbänder, weiß Rippen

Holzrahmen Brustkorb, Wirbelsäule

Metallband, braun Zwerchfell

Farbe auf dem Untergrund Lunge und ihre Ausdehnung

Gummibänder Zwischenrippenmuskulatur

2d. Nenne Eigenschaften des Modells, die vom Original abweichen könnten. Erörtere, warum der Entwickler des Modells diese Abwandlungen vorgenommen hat.

Abweichender Bestandteil� Intention des ModellentwicklersAnatomische Form und physiologischeGegebenheiten

Sehr komplex, zudem einfacher unddeutlicher mit wenig Materialdarzustellen, Schwerpunkt auf derFunktion, Reduktion auf das Wesentliche

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Das Zwerchfell bewirkt ebenfalls eine Vergrößerung des Brustraums. Hast Du eine Idee, wie das Zwerchfell dieses bewirken kann. Stelle eine Hypothese auf.

Hypothese: Beim Einatmen entsteht durch Kontraktion des Zwerchfells ein Unterdruckim Brustraum der das „Ansaugen“ der Luft und somit das Füllen der Lunge zur Folgehat.

(Erstelle dir ein eigenes Modell oder) betrachte das bereitgestellte Modell.

Du benötigst: 1 PET-Flasche, Schere oder Säge, Klebeband, 2 Luftballons, Strohhalm, Knetgummi

Bauanleitung: • Schneide das Mundstück von einem Strohhalm ab. • Säge die Standfläche von einer PET-Flasche ab.• Überziehe die entstandene Öffnung der PET-Flasche mit dem Luftballon ohne

Mundstück und fixiere ihn mit Klebeband.• Befestige mit Gummiband einen Luftballon an einem Strohhalm.• Befestige mit Hilfe von Knetgummi den Strohhalm samt Luftballon im Hals der

Flasche.

Aufgaben:

1. Teste nun mit Hilfe deines Modells, was das Zwerchfell bewirkt. Wenn in den Strohhalm hineingeblasen wird und der Luftballon bzw. die Lunge sichfüllt, dehnt sich zur gleichen Zeit das Zwerchfell nach unten aus. Es ist ein Unterdruckim Gefäß (dem Brustraum) entstanden.

2. Erkläre anhand deines selbst erstellten Modells die Bauchatmung.Bei der Bauchatmung kommt es zu einer Kontraktion des Zwerchfells während desEinatmens. Durch die Kontraktion zieht das Zwerchfell nach unten und vergrößert somitden Brustraum. In diesem entsteht ein Unterdruck. Die Lunge wird durch denUnterdruck vergrößert. Luft wird dabei angesaugt. Bei Erschlaffung des Zwerchfellszieht sich die Lunge durch ihre Eigenelastizität zusammen und die "verbrauchte" Luftströmt aus. Das erschlaffte Zwerchfell wird mit nach oben gezogen.

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3. Erläutere, ob dein Modell ein Struktur- oder Funktionsmodell ist.Es handelt sich um ein Funktionsmodell, da es sich um keine anatomisch korrekteAbbildung handelt. Strukturen werden nicht dargestellt. Die Funktion der Bauchatmungsoll anschaulich gemacht werden.

4. Ordne den Bestandteilen des Modells die entsprechenden Strukturen desBrustkorbs zu, die an der Brustatmung beteiligt sind.

Bestandteil des Modells � Übertragen auf den menschlichen Körper

Luftballon Lunge

Flasche Brustkorb

Gummiboden Zwerchfell

Strohhalm Luftröhre

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5. Nenne Eigenschaften des Modells, die vom Original abweichen könnten. Erörtere,warum der Entwickler des Modells diese Abwandlungen vorgenommen hat.

Abweichender Bestandteil� Intention des Modellentwicklers

Aufbau der Lunge Vereinfachte Darstellung zur Funktionsdemonstration, Reduktion auf das WesentlicheForm des Zwerchfells

Aufbau der LuftröhreAktive Luftzufuhr/Aufblasen der „Lunge“ durch Ausatmen der SuS -> könnte zu Verwirrung führen

Darstellung des Unterdrucks und Bewegung des Zwerchfells veranschaulichen

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