Funktionsmodell zum Thema Mitose

Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (RS) Reutlingen Fachdidaktikgruppe Biologie (Herr Eberle)

2013 NWA TAG - Modelle

Dokumentation erarbeitet zum NWATag 2013 von: Katrin Brändel & Anna Biermann & Gabriele Gürntke & Sarah Schneider

Inhaltsverzeichnis 1

Einleitung ................................................................................................................... 1

2

Sachanalyse .............................................................................................................. 1

3

Vorstellung des Modells inklusive Ablauf ................................................................... 2

4

Gedanken zur Didaktik und Methodik ........................................................................ 3 4.1

Bezug zum Bildungsplan .................................................................................... 3

4.2

Kategorisierung des Modells ............................................................................... 4

4.3

Didaktische Reduktion, Modellbildung und Modellierung .................................... 4

4.4

Modellkritik.......................................................................................................... 5

4.5

Didaktischer Ort .................................................................................................. 6

5

Literaturverzeichnis .................................................................................................... 7

6

Arbeitsmaterialien ...................................................................................................... 8 6.1

Regietext ............................................................................................................ 8

6.2

Karten ................................................................................................................. 9

6.3

Bodykarten ........................................................................................................14

6.4

Skizzen der einzelnen Szenen ...........................................................................18

6.5

Material..............................................................................................................20

1 Einleitung Der NWA-Tag 2013 des Realschulseminars Reutlingen steht unter dem Thema Modelle. Modelle sind für den Unterricht wichtig, um komplexe Sachverhalte zu veranschaulichen und den

Schülern

verständlich

zu

machen.

Diese

Dokumentation

beschreibt

ein

selbstentwickeltes Funktionsmodell zum Thema Mitose. Oft wird die Mitose nur statisch durch eine Abfolge von Bildern dargestellt, deren Zusammenhang sich alleine nur schwer erschließen lässt. Uns war es deshalb wichtig, ein Modell der Mitose zu entwerfen, das die Vorgänge dynamisch veranschaulicht und die Schüler1 selbst als Teil des Modells miteinbezieht. Die Schüler spielen den Vorgang der Mitose nach, indem sie beispielsweise als Zellmembran, Chromosomen oder Spindelapparat fungieren. Auf das Wesentliche reduziert, soll so der Vorgang der Mitose veranschaulicht und verstanden werden. Durch das Involviertsein der Schüler wird die Mitose im Gedächtnis verankert und der Inhalt vertieft. In dieser Dokumentation wird zunächst der Sachverhalt der Mitose fachwissenschaftlich erörtert. Anschließend wird die Durchführung des Funktionsmodells erläutert. Es folgen Überlegungen zur Modellbildung und Modellkritik sowie zu den Zielen, die hier verfolgt werden. Zum Schluss wird das selbstständig erstellte Material vorgestellt.

2 Sachanalyse Die Mitose ist Teil des Reproduktionsprozesses eukaryontischer Zellen. Der Prozess der Mitose stellt sicher, dass die Chromosomen der ursprünglichen Zelle exakt auf die beiden Tochterzellen verteilt werden. Die Tochterzellen sind somit genetisch identisch und der Erhalt der genetischen Information ist gesichert. Die Reproduktion von Zellen findet beispielsweise während der Entwicklung und des Wachstums einer befruchteten Eizelle statt. Da Zellen nur eine begrenzte Lebensdauer haben, müssen sie sich zum Erhalt des erwachsenen Organismus ebenfalls reproduzieren. Außerdem erfolgt der Zellteilungsprozess bei Gameten, die Keimzellen hervorbringen (Meiose). Ziel der Meiose ist aber, im Gegensatz zur Mitose, die Durchmischung der Gene und damit die Sicherung der Biodiversität. Die Reproduktion eukaryontischer Zellen besteht im Wesentlichen aus drei Schritten: 

der Verdoppelung der DNA im Zellkern (Replikation);



der Teilung der Zellkerne und der Chromosomen (Mitose/ Meiose) und

1

Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird anstatt der Verwendung männlicher und weiblicher Sprachformen nur die jeweils geläufigere Form verwendet. Diese meint selbstverständlich immer beide Geschlechter. 1



der Teilung des Cytoplasmas (Cytokinese)

In der Realität verläuft der Prozess der Mitose kontinuierlich, er kann aber in verschiedene Phasen eingeteilt werden: Bevor die Mitose beginnt, verdoppeln sich die DNA und das Centrosom, das später den Spindelapparat bildet. Die Spindelapparatteile ordnen sich an den Polen der Zelle an. In der Prophase beginnt sich das Chromatin zu spiralisieren, wird immer kompakter und kondensiert schließlich in Form von Chromosomen, die nun als Zwei-ChromatidChromosomen mit zwei identischen Schwesterchromatiden sichtbar werden. Dann lösen sich in der Prometaphase das Kernkörperchen und die Kernhülle auf. Das Material dieser Membran bleibt im Cytoplasma vorhanden, sodass sich daraus später zwei neue Kernhüllen bilden können. In der anschließenden Metaphase ordnen sich die Chromosomen an der Äquatorialplatte an. In dieser Phase sind die Chromosomen maximal kondensiert und am besten sichtbar. Die Chromosomen sind nun am Centromer mit dem Spindelapparat verbunden. Dieser zieht in der Anaphase die Schwesterchromatiden in Richtung der Pole auseinander. Sobald die neu entstandenen Tochterchromosomen die Pole erreicht haben, beginnt die Telophase. Dabei werden Kernkörperchen und Kernhülle neu gebildet und die Chromosomen beginnen sich zu entspiralisieren. Während der Telophase beginnt bereits der Prozess der Cytokinese. Das Cytoplasma und die Zellmembran werden dabei durch einen Ring aus Actin- und Myosinfilamenten getrennt. Die Zellorganellen werden unregelmäßig auf die beiden Tochterzellen verteilt. Nach der Cytokinese enthalten beide Tochterzellen alle Bestandteile einer vollständigen Zelle.2

3 Vorstellung des Modells inklusive Ablauf Das Modell zur Mitose ist auf der Grundlage des Bildungsplans von 2004 für eine 9. Klasse entwickelt worden. Die Klassengröße ist bei diesem Modell relativ flexibel variierbar. Es empfiehlt sich jedoch, dieses Modell mit mindestens 18 bis 20 Schülern durchzuführen, um ein repräsentatives Modell zu erhalten. Sollte man nur eine Teilungsgruppe von ca. 12 Schülern haben, kann die Zellmembran flexibel verändert werden, indem Schüler Seile zwischen sich nehmen. Das Modell zur Mitose sollte jedoch erst durchgeführt werden, wenn die Schüler das Thema der Mitose bereits behandelt haben. Unser Kerngedanke dabei war, dass die Schüler eine konkrete Vorstellung von den Vorgängen bei der Mitose erhalten, was durch einen Buchtext nur schwer möglich ist.

2

Sadava et al. 2006, 200ff. 2

Ferner soll sich den Schülern die Zelle als etwas Dynamisches und Lebendiges erschließen, wenngleich wir die Prozesse, die sich dort abspielen, weder direkt sehen noch auf andere Art und Weise wahrnehmen können.3 Im Folgenden wird näher auf den Unterrichtsablauf eingegangen: Im ersten Schritt werden den Schülern der Ablauf und die zu beachtenden Regeln vorgestellt. Jeder Schüler bekommt eine Regiekarte, die er die ganze Zeit bei sich behält. Die Schüler haben als erstes die Aufgabe, diese Karte zu lesen und Fragen dazu zu klären (siehe 6.2). Im Anschluss daran besorgen sich die Schüler selbständig die notwendigen Materialien. Ebenso müssen sie, falls es ihre Regiekarte vorgibt, Vorbereitungen treffen (individuell). Jeder Schüler nimmt sich jetzt noch eine Body-Karte und heftet sie sich an den Körper, ehe die Klasse im nächsten Schritt geschlossen auf den Pausenhof tritt und sich dort in der Ausgangsposition (siehe 6.4) aufstellt. Nach diesen vorbereitenden Maßnahmen kann nun mit der eigentlichen Durchführung begonnen werden. Dazu liest der Schüler, der die Rolle des Regisseurs innehat, den Text sukzessive

vor.

Die

restlichen

Schüler

hören

aufmerksam

zu

und

setzen

die

Regieanweisung zu der jeweiligen Mitosephase um. Dabei kombinieren sie die Regieanweisung mit den Informationen, die auf ihren Regiekarten stehen. Während der Durchführung kommt es ab und an vor, dass die ganze Situation „einfriert“. An diesen Stellen kommt der Fotograf ins Spiel, der die jeweiligen Situationen fotografisch festhält. Die Fotos, die eine Form der Ergebnissicherung darstellen, können für die spätere Weiterarbeit im Klassenzimmer zum Zwecke der Modellkritik etc. genutzt werden.

4 Gedanken zur Didaktik und Methodik 4.1

Bezug zum Bildungsplan

Im Bildungsplan 2004 ist die Mitose folgendermaßen verankert: Die Schüler „erkennen den zellulären Aufbau der Lebewesen, haben Einblick in deren Stoffwechsel, in Wachstum und Entwicklung“.4 Dabei sollen die Schüler „die Bedeutung von Zellteilungsvorgängen für Wachstum, Fortpflanzung und Vermehrung verstehen“.5 Die Schüler können außerdem Antworten und Erkenntnisse durch Sekundärerfahrungen sammeln, indem sie „Quellen […] zum Erkenntnisgewinn nutzen, […] mit Modellen sich

3

Wahrnehmen können wir nur das Ergebnis dieser Prozesse (z. B. Wundheilung). Bildungsplan 2004, 99 5 ebd., 99 4

3

selbst und andere Phänomene beschreiben, dem Verstehen zugänglich machen und in einen Kontext einordnen“6.

4.2

Kategorisierung des Modells

Herleiten lässt sich das Wort „Modell“ aus dem Diminutiv des lateinischen Wortes modus (= modulus), das man mit Maß oder Art und Weise übersetzen kann. Ein Modell ist eine vereinfachte Abbildung eines Originals, d. h. Modelle sind Repräsentanten gedanklicher oder materieller Realität.7 Modelle werden anhand verschiedener Aspekte in Modelltypen unterteilt. Dazu gehört die Einteilung nach den Realitätsbereichen, der Funktion, den Dimensionen, den Eigenschaften und nach der Art der Modellierung. Dabei kann ein Modell zu mehreren Modelltypen gezählt werden. Das von uns angesprochene Modell ist ein durch Schüler selbst dargestelltes Funktionsmodell. Funktionsmodelle zeichnen sich dadurch aus, dass sie den Verlauf von Prozessen darstellen - in unserem Fall den Ablauf der Mitose. Dadurch können die Mechanismen und Funktionen explizit erkannt und analysiert werden. In diesem Zusammenhang spielen die anatomischen Verhältnisse keine große Rolle.8

4.3

Didaktische Reduktion, Modellbildung und Modellierung

Basis von Modellen sind Modellvorstellungen, die aufgrund denkökonomischer Gründe zustande kommen, denn Modelle bilden nie die Gesamtheit der Eigenschaften des Originals ab, sondern nur die Eigenschaften, die für einen bestimmten Zweck als wesentlich erachtet werden. Das bedeutet, ausgehend vom Original (z.B. Mitose) muss zunächst ein mentales Modell entwickelt werden, das auf die ausgewählten Eigenschaften reduziert ist, ehe ein Anschauungsmodell kreiert werden kann. Dieser Prozess wird Modellbildung genannt. Modelle sind keine Kopien der Originale, denn sie bilden auch Eigenschaften ab, die beim Original nicht vorkommen, d.h. überflüssig oder unwesentlich sind. Dasselbe gilt auch im umgekehrten Fall: nicht alle Eigenschaften des Originals werden beim Anschauungsmodell realisiert, da dies in seiner Darstellungsform möglichst einfach gehalten werden soll. Aus diesem Grund muss eine Reduktion stattfinden, bei der die unendlich vielen Eigenschaften des Originals auf die Wesentlichen gekürzt werden. Dieser Prozess, wird Modellierung genannt. Welche Eigenschaften dabei als wesentlich und unwesentlich gelten, hängt einerseits von den wissenschaftlichen Annahmen ab und andererseits von dem Einsatzzweck des Anschauungsmodells.

6

Bildungsplan 2004, 97 vgl. Kattmann 2010, 330 8 vgl. Kattmann 2010, 332ff. 7

4

Im Folgenden soll nun beschrieben werden, wo bei unserem Modell didaktisch reduziert wurde, bzw. wo und wie der Prozess der Modellierung stattgefunden hat: 

Spindelapparat: In der Realität wird der Spindelapparat am Ende der Prophase 1 ausgebildet. Diese Tatsache wird im Modell vereinfacht dargestellt. Die Schüler sitzen bereits als „schlafender / inaktiver“ Spindelapparat in der Zelle und werden dann ausgebildet. Nur so ist es möglich, keine falsche Schülervorstellung zu entwickeln, dass der Spindelapparat von außen hineinentwickelt wird. Diese falsche Vorstellung könnte entstehen, wenn die Schüler später von außen in die Zelle hineingehen würden.



Zellmembran des Zellkerns: Die im Original existierende Zellmembran, in der sich die Chromosomen befinden, haben wir aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Die Chromosomen befinden sich in der Zelle. Diese Tatsache ist für das Verständnis entscheidend.



Phasennamen: Für das Verständnis der Mitose ist es wichtig, dass es in verschiedenen Abstufungen geschieht. Diese werden durch das „Einfrieren“ repräsentiert. Jedoch erschienen uns die Phasennamen für das Verständnis nicht wichtig. Diese können zu einem späteren Zeitpunkt zugeordnet werden.



Abschnüren: In der Realität wird die Zellmembran ringförmig abgeschnürt. In unserem Modell ist es der Fall, dass sich je zwei ausgewählte Schüler der Zellmembran loslassen und dann zwei neue Kreise (Zellmembrane) bilden

4.4

Modellkritik

Wenn man im Unterricht Modelle einsetzt, muss immer Modellkritik geübt werden. Dabei wird das Modell dem Original gegenübergestellt, damit Abweichungen oder Übereinstimmungen erfasst werden können. Den Schülern soll klar werden, warum man statt der Realobjekte Modelle einsetzt, inwieweit die Modelle die Realität repräsentieren und in welchen Punkten sie von der Realität abweichen.9 Grenzen und Möglichkeiten können aufgezeigt und die Vorund Nachteile angesprochen werden. repräsentierte Realität 

 

9

Das Modell veranschaulicht die grobe

Einschränkungen 

Die Übersicht über die Mitose geht etwas

Abfolge der Mitose in einer Zelle. (Interphase

verloren. Hauptsächlich besitzt der Fotograf

- Metaphase - Anaphase - Telophase)

die Übersicht, da dieser von oben fotografiert.

Das Modell zeigt die Dreidimensionalität der

Für alle wird dies erst bei der Besprechung

Zelle.

der Bilder sichtbar.

Nur die wichtigsten Zellbestandteile werden



Das Modell zeigt nicht die Prophase, ebenso

vgl. Kattmann 2010, S.337ff. 5

dargestellt, sodass die Übersicht gewahrt

wenig wie das Zusammenziehen und

wird. (Zellmembran, Spindelapparat,

Entschrauben der Chromatiden und die

Chromatiden)

Kernhülle. Auch wurde die Zellmembran nicht als Doppelmembran dargestellt. Das Wandern der Polkörperchen und anderer Zellorganellen wurden ebenfalls eingeschränkt. Diese Maßnahmen wurden zum Zwecke der Übersichtlichkeit getroffen. 

Die Organelle bzw. Zellteile werden von Schülern dargestellt, was eine Vermenschlichung zur Folge haben könnte, d. h. die Schüler könnten ihre menschlichen Eigenschaften auf die Zellteile übertragen (Anthropomorphismus). Hier muss mit den Schülern darüber gesprochen werden, dass Zellteile weder Gefühle noch einen Willen haben.

4.5

Didaktischer Ort

Das hier entwickelte Schüler-Modell zur Mitose, kann nicht an jedem didaktischen Ort eingesetzt werden. Es benötigt eine gewisse Vorarbeit. Den Schülern sollte grundsätzlich bekannt sein, was bei der Mitose geschieht. Sie sollte also bereits einmal durchgesprochen und vor allem die Fachbegriffe sollten geklärt sein. Das Modell dient also zur Wiederholung bzw. zur Vertiefung, die das Verständnis des Vorgangs fördern soll. Es geht darum, dass den Schülern klar wird, warum diese Teilung nötig ist und wie sie abläuft. Weniger Wert wird an dieser Stelle deshalb auf die Phasenbegriffe gelegt. Ein zweiter didaktischer Ort wird mit unserem Modell angesprochen. Es geht um eine Weiterarbeit mit den im Modell entstandenen Fotos. Hier kann, nachdem ein vertieftes Verständnis für den Vorgang der Mitose entwickelt werden konnte, dann erneut die Mitose und vor allem auch auf die Begrifflichkeiten geklärt werden. Ziele des Modells: 

Vertiefung des Verständnisses: „Was ist der Sinn der Mitose?“ „Warum führt die Zelle einen so komplexen Vorgang durch?“



Verinnerlichung des Mitoseablaufs durch das eigene Durchspielen und Mitdenken der Schüler im Modell



Möglichkeit, Modellkritik mit den Schülern zu üben, nachdem das Modell durchgeführt wurde, wozu auch die Fotos genutzt werden können

6

5 Literaturverzeichnis Sadava, D. / Hillis, D. / Heller, H. / Berenbaum, M. (Hg.) (2006): Purves Biologie. 7.Aufl. Heidelberg: Springer. Kattmann, U. (2010): Modelle. In: H. Gropengießer / U. Kattmann (Hg.). Fachdidaktik Biologie. 8. Aufl. Köln: Aulis.

Alle Grafiken wurden von uns selbst erstellt.

7

6 Arbeitsmaterialien Alle Materialien, die im Folgenden zu sehen sind, wurden von uns selbst erstellt.

6.1

Regietext

Regieanweisung - Mitose Lies diese Regieanweisung langsam vor und mache die entsprechenden Pausen für den Wissenschaftler.

Um die Zellteilung zu veranschaulichen, stellen wir den Ablauf der Mitose in einem Modell dar. Nehmt nun dazu eure Ausgangsposition ein. Ihr seid eine Zelle. Diese wird von der Zellmembran umschlossen. Alle Schüler, die diese Membran darstellen, heben nun bitte die Hand. Die Zelle befindet sich in ihrem normalen Zustand. In dieser Zeit laufen die normalen Zellvorgänge ab. Das Erbgut steuert diese Vorgänge. Dieses Erbgut ist in den Chromosomen festgelegt. Das Chromosom liegt hier als 1-Chromatid-Chromosom vor. Die stehenden 1-Chromatid-Chromosomen geben sich nun bitte durch Winken zu erkennen. Die Zellvorgänge frieren ein, damit der Wissenschaftler seine Arbeit beginnen kann. Er macht ein Foto. Kurz vor der Zellteilung verdoppeln sich die Chromatiden. Dazu erwachen die 1Chromatid-Chromosom,

die

in

der

Hocke

saßen,

und

stehen

auf.

Die

zusammengehörigen Chromatiden gehen zusammen und halten sich an der Hand fest. Nun liegen 2-Chromatid-Chromosomen vor. Der Wissenschaftler hält dies in einem Foto fest. Die Teilung beginnt: Der Spindelapparat bildet seine Spindelfasern aus. Der Spindelapparat zeigt sich durch Winken. Danach ordnet die Spindelfasern sich an den Polen an, heben die Seile auf und halten diese jeweils an einem Ende fest. Nun ordnen sich die Chromosomen an der Äquatorialeben an. Die Spindelfasern sind soweit ausgebildet, dass sie mit den Chromosomen verbunden werden. Dazu hält je ein Chromatid das andere Ende der Spindelfaser in der Hand. Die Situation friert ein. und der Wissenschaftler macht seine Arbeit.

8

Regieanweisung - Mitose

In

der

nächsten

Phase

werden

die

2-Chromatid-Chromosomen

getrennt.

Der

Spindelapparat zieht sie mit den Spindelfasern auseinander. (!) Es entstehen also erneut 1Chromatid-Chromosomen. Erneut wird ein Foto vom Wissenschaftler geschossen. Die Zellmembran schnürt sich ab. Dies bedeutet, dass sich die Zellmembran an der Bruchstelle teilt. Danach bilden sich 2 neue Zellen um die getrennten 1-ChromatidChromosomen. Entstanden sind 2 identische Tochterzellen, die nun Aufgaben im Körper erfüllen können. Der Wissenschaftler fotografiert das Endergebnis der Teilung.

ENDE!!

6.2

Karten

9

10

11

12

13

6.3

Bodykarten

14

15

16

17

6.4

Skizzen der einzelnen Szenen

18

19

Legende:

6.5

Material

Folgende weitere Materialien werden benötigt: 

6 Seile



Kreppband



Fotoapparat

20