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4. Modul: Die Fotosyntheserate hängt von verschiedenen Faktoren ab

In diesem Modul soll die Abhängigkeit der Fotosyntheseleistung von Außenfaktoren untersucht werden. Als Einstieg ist folgender Impuls denkbar:

Gärtner Willi wässert seine Gewächshauspflanzen gut. Trotzdem ist er mit seinen Erträgen nicht zufrieden. Er möchte sie steigern. Er möchte herausfinden, wie er das Wachstum seiner Pflanzen verbessern kann. Aus seinem Biologieunterricht weiß er, dass die Fotosynthese nach folgender Wortgleichung abläuft: Wasser  +  Kohlenstoffdioxid   →   Glucose  +  Sauerstoff Überlege, welche Bedingungen Willi verbessern könnte, um den Ertrag seiner Gewächshauspflanzen zu steigern. Als Versuchsobjekt wählt er die Wasserpest. Berate ihn bei der Planung von Experimenten.

Dieser Einstieg öffnet den Unterricht für Übungen zu allen Teilkompetenzen im Bereich der Erkenntnisgewinnung beim Experimentieren (Frage & Vermutung formulieren, Experiment planen und durchführen, Auswertung). Dies ermöglicht es, die in Modul 1 & 2 begonnenen Übungen zu den Teilkompetenzen auf einem höhern Anforderungsniveau fortzuführen (s. Tabelle). Das gewählte Beispiel eignet sich dazu aus verschiedenen Gründen sehr gut.

(1) Den SuS ist Wasserpest Elodea canadensis als experimentelles System bereits bekannt (siehe Modul 2 Information_Sauerstoffnachweise ).

(2) An fotosynthetisch aktiven Elodea kann man die Sauerstoffproduktion durch die Bläschenzählmethode bestimmen. Das erlaubt einfache quantitative Betrachtungen.

(3) Aus dem Vorunterricht (Modul 1: Kartoffelpflanze; Modul 2 & 3: Wortgleichung der Fotosynthese) können die SuS verschiedene Faktoren nennen, von denen die Fotosyntheseleistung abhängt (Licht, Kohlenstoffdioxid, Wärme, Blattfläche). Somit können verschiedene einfaktorielle Experimente geplant werden. Die SuS lernen, dass sinnvoll geplante Experimente sich durch jeweils eine unabhängige Variable (Kontrollvariable) und eine abhängige Variable (Messvariable) auszeichnen, während alle anderen Variablen (Störvariablen) konstant zu halten sind.

Tabelle: Kompetenzstufen für die Teilkompetenzen des Experimentierens (in Anlehnung an Grube 2011 ^[1] )

Teilkompetenz	Niveau I	Niveau II	Niveau III
Fragen stellen	Frage nach dem Zusammenhang zweier Variablen stellen	naturwissenschaftliches Theorieverständnis nutzen, um quantifizierbare Fragen zu formulieren	eigene Fragen zur Lösung neuer Probleme stellen
Vermutung aufstellen	einfache, an Alltagserfahrungen angelehnte Vermutung aufstellen	Hypothese auf der Basis von naturwissenschaftlichem Theorieverständnis generieren	alternative Hypothesen berücksichtigen
Experiment planen & durchführen	Kontroll- und Messvariable identifizieren	Kontroll- und Messvariable in Beziehung setzen; Konstanthaltung der Versuchsbedingungen	Fehler und Genauigkeit abwägen (Stichprobenzahl, Messwiederholung etc.)
Auswertung (Deutung)	Beobachtung oder Daten wiedergeben, Schlussfolgerung ziehen	generalisierende Schlussfolgerung auf der Basis des naturwissenschaftlichen Theorieverständnisses	Sicherheit der Deutung reflektieren; alternative Deutung in Betracht ziehen

Die SuS erhalten passend zum Einstieg einen „Erforschungsauftrag“ (siehe Erforsche_Forscheraufgaben_V1_V2_V3 ). Sie wählen aus drei Varianten V1- V3 eine aus. Die drei Varianten V1- V3 sind nach den Teilkompetenzen „Vermutung aufstellen“, „Experiment planen und durchführen“, „Experiment auswerten“ differenziert, die zur Bearbeitung benötigt werden:

V1 (siehe Erforsche_Fotosynthese_V1 ) erfordert alle drei Teilkompetenzen. V2 (siehe Erforsche_Fotosynthese_V2 ) fokussiert auf die Teilkompetenzen „Experiment planen und durchführen“, „Experiment auswerten“, V3 (siehe Erforsche_Fotosynthese_V3 ) hingegen auf „Vermutung aufstellen“ und „Experiment auswerten“.

Jede der drei Varianten existiert in zwei Niveaus, etwa dem Niveau II oder III entsprechend (s. Tabelle oben). Zu beiden Niveaus sind Denkanstöße („Hilfekärtchen“) ausgearbeitet, mit denen die SuS das Anforderungsniveau bei Lernschwierigkeiten zu Niveau I hin anpassen können.

Neben den Denkanstößen ist es wichtig, den SuS zu Variante 1, Variante 2 und Variante 3 auch „technische“ Anregungen für die Planung ihrer Experimente an die Hand zu geben. Dies könnte über ein „Forscherkiste“ (siehe Erforsche_Forscherkiste_V1_V2_V3 ) geschehen, die im Klassenzimmer aufgebaut ist.

Erwartete Schülerleistungen Zu V1 Mögliche Vermutungen (oder entsprechende Gegenvermutungen): (1) Je mehr Kohlenstoffdioxid, desto höher die Fotosyntheseleistung bzw. (1’) Die Fotosyntheseleistung ist unabhängig vom Kohlenstoffdioxidangebot; (2) Je höher die Umgebungstemperatur, desto höher die Fotosyntheseleistung bzw. (2’) Die Fotosyntheseleistung ist unabhängig von der Umgebungstemperatur; (3) Je mehr Licht, desto höher die Fotosyntheseleistung bzw. (3’) Die Fotosyntheseleistung ist unabhängig von der Lichtmenge. Zu allen Vermutungen können mit den Anregungen aus der Forscherkiste Experimente geplant werden. Eines davon sollten die SuS durchführen. Zu V2 Vermutung (1), (3) und (5) sind testbar, da hier nur eine abhängige Variable genannt ist. Die Vermutungen (2) und (4) enthalten zwei abhängige Variablen. Zu den Vermutungen (1), (3) und (5) können mit den Anregungen aus der Forscherkiste Experimente geplant werden. Eines davon sollten die SuS durchführen. Zu V3 Mögliche Vermutungen (oder entsprechende Gegenvermutungen): (1) Je mehr Kohlenstoffdioxid, desto höher die Fotosyntheseleistung bzw. (1’) Die Fotosyntheseleistung ist unabhängig vom Kohlenstoffdioxidangebot; TEST durch E3 und E4 (wahlweise auch andere Paare) (2) Je höher die Umgebungstemperatur, desto höher die Fotosyntheseleistung bzw. (2’) Die Fotosyntheseleistung ist unabhängig von der Umgebungstemperatur; TEST durch E3 und E6 (wahlweise auch andere Paare) (3) Je mehr Licht, desto höher die Fotosyntheseleistung bzw. (3’) Die Fotosyntheseleistung ist unabhängig von der Lichtmenge; TEST durch E3 und E8 (wahlweise auch andere Paare)

Um die von den SuS erworbenen  Kompetenzen im Bereich Erkenntnisgewinnung zu diagnostizieren können im Verlauf oder nach Abschluss der Unterrichtseinheit Aufgaben aus einem Aufgabenpool ^[2] eingesetzt werden (siehe Aufgabenpool_Richtig_Experimentieren ).

 

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