Die Atmung kompetenzorientiert erforschen - Was passiert eigentlich beim Atmen?

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74 RAAbits Biologie Oktober 2012

I/G4

Mediothek Glossar

LEK Material

Verlauf Reihe 2

S 2

Didaktisch-methodische Orientierung

Die Materialien zur Atmung sollen nicht nur Grundlagenwissen vermitteln, sondern sind zudem innovative Aufbaumaterialien. Bei ihnen stehen vor allem auch weiterführende Aufgaben und Arbeitsmaterialien im Vordergrund. Diese fokussieren verstärkt die prozess- bezogenen Kompetenzen Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung der Bildungsstandards im Fach Biologie.

Ein wichtiges Anliegen des Beitrags ist, dass die Lernenden sich im naturwissenschaft- lichen Arbeiten üben: Sie planen selbstständig Versuche, führen diese durch, protokol- lieren ihre Ergebnisse, übertragen sie in Diagramme und deuten ihre Beobachtungen.

So vollziehen sie alle Schritte nach, die sich auch bei der wissenschaftlichen Forschung ergeben.

Ein bedeutender Eckpfeiler des Beitrags ist es, den Lernenden die Sachverhalte hand- lungsorientiert nahezubringen. So untersuchen sie eine Schweinelunge am Original- objekt und erforschen auf diese Weise die Lungenanatomie. Die Schüler bauen ein Modell zur Atmung und vollziehen damit die Atmungsvorgänge nach. Zudem üben sie Modellkritik, verbessern ihre Modellkompetenz, entwerfen und interpretieren Diagramme.

Um grundlegendes vernetztes und fachübergreifendes Wissen zu fördern, werden mathematische Kompetenzen geschult sowie allgemeingültige biologisch-physikalische Prinzipien der Atmung expliziert. Dies geschieht beispielsweise, wenn die Schüler Vor- und Nachteile verschiedener Atmungsformen miteinander vergleichen.

Um transferfähiges Anwendungswissen zu fördern, steht die Kontextorientierung und die Verknüpfung mit biologischen Alltagsphänomenen im Vordergrund. Die Schüler werden aufgefordert, ihr Wissen zur Atmung auf verschiedene Alltagssituationen anzu- wenden und biologische Probleme und Phänomene zu lösen und zu erklären. Die didaktische Aufbereitung von Aspekten der Atmung, die in Schulbüchern oft zu kurz kommen (wie beispielsweise die Kontrolle der Atmung durch das Atemzentrum), bewirkt ein umfassendes Verständnis des Atmungsprozesses und beugt einem unvollständigen

„Inselwissen“ vor. Der Praxis- und Anwendungsbezug der Materialien unterstützt die Schüler zudem in ihrer naturwissenschaftlichen Grundbildung.

Die Arbeitsmaterialien bauen nicht aufeinander auf. Daher können sie, falls gewünscht, auch einzeln und unabhängig voneinander eingesetzt werden. So leistet die kompetenz- orientierte und fächerübergreifende Einheit einen Beitrag zum differenzierten, fundierten Verständnis der für die Atmung notwendigen Strukturen und Prozesse.

Verlauf

Material Verlauf Stunde

M 1 + M 2 +

Die Schüler präparieren mit M 1 Schweinelungen (Gruppenarbeit).

Dabei überprüfen sie ihre Hypothesen zur Lungenstruktur, werten Beobachtungen aus und zeichnen. Sie verfolgen den Weg der Atem- luft durch die Lunge und bauen eventuell vorhandenen Ekel vor dem Originalobjekt ab. Setzen Sie die Folie M 2 zunächst vor der Präpa- ration ein, damit sich die Lernenden beim Präparieren besser zurecht- finden (Abbildung 1, Bau der Lunge). Nach der Präparation vollziehen die Schüler im Unterrichtsgespräch mit M 2 den Weg der Atemluft beim Ein- und Ausatmen nach (Abbildungen 2–4).

1 + 2

M 3 Problemfrage: „Unter welcher Bedingung kann die Mund-zu-Mund- Beatmung Leben retten?“; Schülervermutungen sammeln und folgende Haupthypothese entwickeln: „Die ausgeatmete Luft muss neben CO₂ noch genug O₂ enthalten.“ In M 3 überprüfen die Schüler die Hypothese, indem sie berechnen, wie viel Prozent des eingeat- meten Sauerstoffs die Luft noch enthält (Gruppenarbeit).

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Reihe 2 S 3

Was passiert eigentlich beim Atmen?

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Verlauf

M 4 Die Lernenden untersuchen Forscherfragen:

1) Besteht ein Zusammenhang zwischen Atemfrequenz, Herz- schlag und körperlicher Anstrengung? → Hypothese der Schüler, Versuchsplanung und -durchführung durch die Schüler

2) Wie viel Luft passt in die Lunge? → Atemzugvolumen, Reservevo- lumen und Vitalkapazität mit dem Spirometer ermitteln

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M 5 Wichtig: Teilen Sie zunächst nur die erste Seite von M 5 aus.

Aufgabe 1 und Versuch 1: Konfrontation der Lernenden anhand eines Textes mit folgender Problemstellung: Wie kann aus einem Aqua- rium das Wasser entleert werden? Der Text beschreibt die Problem- lösung. Jetzt vollziehen die Lernenden diese selbst im Versuch nach (Wasserschüssel mit einem Schlauch entleeren).

Aufgabe 2: Am Beispiel des Trinkens mit einem Trinkhalm erfahren die Lernenden, wie Unterdruck dafür sorgt, dass Wasser nachfließt.

Versuch 2: Bau eines Flaschenmodells zur Atmung

Die Schüler bauen in Gruppen Funktionsmodelle zur Atmung.

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M 6 Die Lernenden erforschen am Text und Modell das Prinzip der menschlichen Atmung. Anschließend wird das Modell einer ausführ- lichen Kritik unterzogen und seine Grenzen betrachtet.

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M 7 Die Schüler üben sich in der Informationsentnahme aus einem natur- wissenschaftlichen Sachtext. Sie verbessern ihre Lesekompetenz und ihre Präsentationsfähigkeiten, indem sie Lungen-, Kiemen-, Haut- und Tracheenatmung miteinander vergleichen und die Ergeb- nisse auf einem Plakat präsentieren.

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M 8 Die Schüler erarbeiten sich anhand eines Zeitungsartikels zum tödli- chen Ausgang eines Grillabends und eines Diagramms die Wirkung von Kohlenstoff monoxid im Blut. Daraus leiten sie Verhaltens- weisen für den Umgang mit einem glimmenden Kohlegrill ab und übertragen die Ergebnisse auf starke Raucher.

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M 9 Die Schüler erarbeiten sich an einer Abbildung den Regelkreis von Atemkontrollzentren, pH-Wert und Atemmuskulatur. Dann Wissensan- wendung auf das Phänomen der „Tütenatmung“ bei Hyperventila- tion und Erklärung (Partner- oder Kleingruppenarbeit).

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M 10 Als Wissenschaftsjournalisten beantworten die Jugendlichen Leser- fragen. Dabei wird vorhandenes Wissen zur Atmung aktiviert, genera- lisiert und auf alltagsweltliche Kontexte übertragen. Ein Wettbewerb in Teams ist möglich (siehe Erläuterung zu M 10).

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Minimalplan

Beim Material M 5 können Sie alternativ zum Einstiegstext ein mit Wasser gefülltes Aquarium aufbauen und die Problemfrage stellen, wie es geleert werden kann. Dadurch sparen Sie etwas Zeit, denn in diesem Fall führen Sie den Versuch 1 als Lehrerdemons- trationsversuch vor. Die eigene experimentelle Erfahrung der Schüler im Rahmen der Gruppenarbeit (Versuch 1) entfällt dann allerdings. Eine noch größere Zeitersparnis ergibt sich, wenn Sie gleich mit dem Bau des Funktionsmodells zur (Unterdruck-) Zwerchfellatmung beginnen. Anhand des Modells beantworten Sie dann die Problem- frage: „Wie gelangt die Luft in unsere Lungen?“ Allerdings fehlt den Lernenden dann möglicherweise das physikalische Grundverständnis für die Wirkung von Unterdruck.

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S 9 Verlauf

Reihe 2

M 2 Was passiert mit der Atemluft?

Abbildung 1: Bau der Lunge

Abbildung 2: Der Weg der Atemluft

Abbildung 3:

Alveolen mit Kapillarnetz

Abbildung 4: Der Gasaustausch an den Alveolen und Blutkapillaren

Sauerstoff

sauerstoffarme Luft sauerstoffreiche Luft Kohlenstoffdioxid

sauerstoffreiche rote Blutkörperchen

sauerstoffarme rote Blutkörperchen

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Reihe 2 Verlauf Material S 11

LEK Glossar Mediothek

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Erläuterung (M 2)

Die Folie M 2 setzen Sie insbesondere in Verbindung mit M 1 (Präparation einer Schwei- nelunge) ein. Zeigen Sie vor der Präparation die Abbildung 1 mit der Anatomie der Lunge, um den Lernenden bei der Präparation eine Orientierung zu ermöglichen.

Anhand der Abbildungen 2–4 besprechen Sie dann nach der Präparation im Unter- richtsgespräch den Weg der Atemluft und den Gasaustausch in den Alveolen.

Die Folienabbildungen sind nicht beschriftet, damit Sie flexibel im Laufe des Unterrichts- gesprächs die Beschriftung vornehmen können. So werden die Lernenden nicht mit allen Begriffen gleichzeitig konfrontiert. Zudem können Sie bereits vorhandenes Wissen der Lernenden erfragen. Damit Sie die Folie nochmals verwenden können, legen Sie eine leere Folie darüber und nehmen dort die Beschriftung vor. Einen Beschriftungsvorschlag finden Sie unten. Verbinden Sie zudem das Unterrichtsgespräch mit einem Tafelanschrieb.

Vorschläge für einen Tafelanschrieb:

Zur Abbildung 2:

Vom Einatmen bis zu den Alveolen – der Weg der Atemluft

Die Atemluft gelangt über die Luftröhre in die beiden Hauptbronchien, welche sich mehrfach aufzweigen. Die Verzweigungen führen zu feiner werdenden Bronchiolen, die schließlich in Millionen von dünnwandigen Lungenbläschen (Alveolen) münden. Der Sauerstoff in der Atemluft wird an den Alveolen in das Blut aufgenommen.

Zu den Abbildungen 3–4:

Der Gasaustausch an den Alveolen und Blutkapillaren

Die Wände von Alveolen und Blutkapillaren sind sehr dünn, sodass der Sauerstoff von den Alveolen in das Blut diffundieren kann. Damit die Diffusion funktioniert, muss der Druck des Sauerstoffs in den Alveolen höher sein als im Blut. Die Sauerstoffmole- küle durchqueren dabei die Epithelschichten der Alveolen und der Kapillaren sowie die Zellmembran der roten Blutzellen (Erythrozyten). In den Erythrozyten binden sie an den roten Blutfarbstoff, das Hämoglobin. Mit dem Blutkreislauf gelangen sie dann zu den Körperorganen.

Vorschläge für die Beschriftung der Folienabbildungen:

Zur Abbildung 1: Zur Abbildung 2:

rechter Hauptbronchus Bronchus

Bronchiole Zwischenrippen- muskulatur Zwerchfell Nasenhöhle Rachenhöhle Kehlkopf Luftröhre

linker Lungenflügel Luftröhre

Zwerchfell

linker Hauptbronchus rechter

Hauptbronchus

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Aufgabe 2

a) Lest euch den Text genau durch.

Wie funktioniert das Trinken mit dem Trinkhalm?

Häufig verwenden wir beim Trinken einen Trinkhalm. Doch warum steigt das Wasser im Halm auf und wodurch fließt es dann immer wieder nach?

Die Ursache dafür ist im Luftdruck zu suchen. So wie ein Gegenstand auf eine Unterlage aufgrund seines Gewichtes einen Druck ausübt, besitzt auch die Luft einen Druck.

Auch die Luft hat nämlich ein Gewicht. Im Gegensatz zu festen Gegenständen verteilt sich aber der Druck der Luft gleichmäßig in alle Richtungen. Daher herrscht, wenn wir nicht trinken, in der Luftsäule im Trinkhalm der gleiche Druck wie in der Umgebungsluft. Im Trinkgefäß und im Halm sind die Flüssigkeitsspiegel gleich hoch. Zieht man dann mit dem Mund Luft aus dem Halm, so verringert sich der Druck im Trinkhalm. Der Druck der Umgebungsluft bleibt unverändert. Im Trinkhalm herrscht also ein Unter- druck. Das führt dazu, dass der höhere Umgebungsdruck jetzt die Flüssigkeit im Halm hochschiebt.

b) Erklärt anhand eures Wissens aus dem Text, warum das Entleeren der Schüssel mit dem Schlauch funktioniert.

Doch was hat das Entleeren eines Aquariums bzw. einer Wasserschüssel mithilfe eines Schlauchs mit unserer Atmung zu tun? Erforscht dies jetzt im Modellversuch.

Versuch 2: Bau eines Flaschenmodells zur menschlichen Atmung Material

Pro Gruppe: r 1 Plastikflasche ohne Boden r 1 Tintenkillerröhrchen

r 1 kleiner und 1 großer Luftballon

r Klebeband r Bindfaden

r 1 bis 2 Rollen Knetmasse Baut ein Modell zur Funktion der menschlichen Atmung (siehe

Abbildung). Geht folgendermaßen vor:

1. Schneidet vom großen Luftballon den Hals ab und stülpt ihn über den offenen Flaschenboden.

2. Befestigt diese Gummihaut dann mit dem Klebeband an der Flasche.

Hinweis: Achtet darauf, dass die Luftballongummifläche luftdicht mit der Flasche verklebt ist.

3. Befestigt den kleinen Luftballon mit dem Bindfaden an einem Ende des Tintenkillerröhrchens.

4. Steckt das Röhrchen mit dem Luftballon in den Flaschenhals.

5. Fixiert das Röhrchen mit der Knetmasse und dichtet den Flaschen- hals mit der Knetmasse luftdicht ab.

So sieht das fertige Atmungsmodell aus

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LEK Glossar Mediothek Was passiert eigentlich beim Atmen?

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M 6 Dem Geheimnis der Atmung auf der Spur

Übertragt und vergleicht die im Modell darge- stellten Vorgänge mit unserer Atmung. So erhaltet ihr einen Einblick, wie die mensch- liche Atmung funktioniert. Zudem lernt ihr die Grenzen des Flaschenmodells kennen.

Aufgabe 1

a) Lest den Text zur Atmung gründlich durch und unterstreicht Wichtiges.

Bauch- und Brustatmung – wie die Atmung beim Menschen funktioniert

Der Mensch und andere Säugetiere atmen mit Unterdruck. Dazu wird durch aktive Muskelkraft das Brustkorbvolumen beim Einatmen erweitert. Diese Erweiterung geschieht bei der Zwerchfell- oder Bauchatmung durch Kontraktion des Zwerchfellmus- kels, wodurch sich das Zwerchfell nach unten bewegt. Bei der Brustatmung bewegt die Zwischenrippenmuskulatur die Rippen nach oben, wodurch sich das Volumen des Brustkorbs ebenfalls erweitert.

Aufgrund der Erweiterung des Brustkorbs entsteht ein Unterdruck. Da Gase immer aus Regionen mit höherem Druck in Regionen mit niedrigerem Druck strömen, fließt Außenluft passiv in die Lungen nach. Beim Ausatmen verringert sich das Brustkorbvo- lumen wieder. Der erhöhte Luftdruck in den Lungenbläschen drückt die Luft wieder über die Luftröhre aus dem Körper hinaus.

Wir betreiben sowohl Bauch- als auch Brustatmung, wobei in Ruhe die Bauchatmung und bei Anstrengung die Brustatmung überwiegt.

b) Beschriftet die Abbildung vom menschlichen Atmungsapparat.

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Habt ihr schon gewusst?

• Ein Erwachsener atmet am Tag rund 12 000 l Luft ein und aus.

• Wir atmen immer nur durch ein Nasenloch.

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c) Vergleicht das Modell mit der Wirklichkeit. Welche Modellteile entsprechen welchen Organen des menschlichen Atmungsapparates? Vervollständigt die Tabelle.

Flaschenmodell Atmungsapparat des Menschen

Flasche Brustkorb

Aufgabe 2

a) Beschreibt, welche Vorgänge im menschlichen Körper das Modell veranschaulicht.

Denkt daran, welche Teile im Modell welchen Organen des menschlichen Körpers entsprechen. Übertragt die Veränderungen am Modell beim Ziehen bzw. Loslassen der Gummihaut auf die menschliche Atmung.

b) Ein Modell ist nie so genau und komplex wie die Wirklichkeit. Notiert, wo Schwä- chen, Grenzen und mögliche Fehler des Modells liegen.