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Die Beschäftigung mit dem Thema „Bionik“ im Unterricht gibt den Schülern einen ersten Einblick in einen spannenden Forschungsbereich, der in Zukunft noch viele neue Produkte für das alltägliche Leben der Menschen liefern könnte.
Am Beispiel des Geckos und seiner Haftricks lernen die Schüler aber auch die enorme Kreativität der Natur kennen. Sie sollen dabei realisieren, dass im Laufe von Jahrmillionen nahezu perfekte „Erfindungen“ aufgetreten sind, die von Wissenschaftlern nicht ohne Weiteres für technische Entwicklungen kopiert werden können.
Lernziele:
SchülerInnen sollen:
- erkennen, dass Geckos spezielle Anpassungen an die Umwelt besitzen,
- den Aufbau und das Funktionsprinzip der Haftstrukturen des Geckos erarbeiten und beschreiben können,
- die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und Prinzipien, nach denen diese Strukturen funktionieren, kennenlernen und erläutern können,
- einen ersten Einblick in die Bionik, das technisches Nachahmen der Natur, bekommen,
- ihre Fertigkeiten im Bereich der Partner- oder Gruppenarbeit verbessern.
Materialien für den Unterricht
Der Unterrichtsverlauf (PDF)
Arbeitsblatt 1: Haftapparat der Geckos (PDF)
Arbeitsblatt 2: Unbeschränkte Haftung? (PDF)
Begleitinformationen zum Arbeitsblatt 2 (PDF)
Folie 1 (PDF)
Folie 2 (PDF)
Folie 3 (PDF)
Didaktisch-methodischer Kommentar
Der geplante Unterricht „Haften ohne Kleber – den Tricks des Geckos auf der Spur“ dient als Einstieg in eine mehrstündige Unterrichtsreihe mit dem Titel „Bionik –Lernen von der Natur“.
Um die Stunde wie geplant durchführen zu können, sollten die Schüler zumindest grundlegende Kenntnisse über den Kapillareffekt, die Kontakttheorie und speziell die Van-der-Waals-Kräfte besitzen. Sie sollten aber auch mit dem Atommodell vertraut sein und mit Begriffen wie Atome, Moleküle, Elektronenhüllen oder Ladungsverschiebungen sicher umgehen können.
Im Anschluss an die vorgelegte Unterrichtsstunde sowie die Besprechung der Hausaufgaben sollte es mit einem konkreten Beispiel zur Bionik beziehungsweise zur Materialforschung weitergehen. Dabei bietet sich der Einsatz des Themas „Wasserfester Halt - Folien, die unter Wasser haften“ an, da es inhaltlich auf den Ergebnissen der vorgelegten Einheit aufbaut.
Im Mittelpunkt des Unterrichts könnten danach weitere Beispiele zur Bionik stehen wie: „Mit Haken und Ösen - Naturpatent Klettverschluss“, „Rillen gegen Reibung - Haifischhaut hilft Sprit sparen“ oder „Sauberkeit dank Lotus-Effekt - Mikrostrukturen auf dem Vormarsch“. Wenn möglich, sollte der Unterricht durch einen Besuch in einem Materialforschungslabor ergänzt werden, bei dem Wissenschaftler aus der Praxis berichten und Fragen der Schüler beantworten.
Denkbar wäre aber auch ein Kursprojekt, indem die Schüler zu verschiedenen Wissenschaftlern aus dem Forschungschwerpunkt Bionik Kontakt aufnehmen (beispielsweise per e-mail) und sie zu ihren Forschungsprojekten, aber auch zu Problemen und Hindernissen bei ihrer Arbeit befragen. Die ermittelten Ergebnisse sollten nicht nur im Unterricht ausführlich diskutiert werden, sondern könnten beispielsweise auch die Basis für einen Info-Artikel zum Thema Bionik in der Schülerzeitung darstellen.
Motivierende Hinführung zum Thema
Da vor allem im zweiten Teil der Unterrichtsstunde die Erarbeitung von relativ abstrakten und „trockenen“ Unterrichtsinhalten (physikalisch-chemische Grundlagen der Geckohaftung) im Vordergrund steht, sollte der Einstieg bei den Schülern nach Möglichkeit großes Interesse am Thema wecken und so die Grundlage für eine motivierte, kontinuierliche Mitarbeit legen.
Deshalb werden die Schüler zunächst mithilfe eines einfachen, aber provokativen Versuchs (fallender Apfel, haftender Gecko) auf den Unterrichtsgegenstand eingestimmt. Sie sollen dabei möglichst selbstständig eine Erklärung für die vorgestellten Phänomene finden und erste Hypothesen zu den Ursachen der enormen Leistungsfähigkeit des Geckos aufstellen.
Ziel dieser frühen Phase ist es aber auch, die erstaunlichen Hafteigenschaften des Geckos zu würdigen und zumindest ansatzweise mögliche Anwendungen für dieses Haftprinzip in der Materialforschung zu formulieren.
Bilder und Realobjekte in der Problemfindungsphase II
Ähnlich anspruchsvoll und motivierend ist auch die Problemfindungsphase II. Anhand verschiedener Medien (Bild vom Gecko, Realobjekte wie Alleskleber oder Frischhaltefolie) werden die Schüler auf herausfordernde Art und Weise an die folgende Erarbeitung II herangeführt. Sie müssen dabei nicht nur verschiedene Haft- und Klebetricks in der Natur und von künstlichen Materialien erkennen, sondern sollen auch Unterschiede zwischen ihnen identifizieren und benennen.
Auf der Basis ihres Vorwissens machen sich die Schüler Gedanken über mögliche physikalisch-chemische Gesetzmäßigkeiten, die hinter dem Haftphänomen der Geckos stecken und stellen selbstständig Hypothesen dazu auf. Diese werden an der Tafel oder auf Folie fixiert und am Ende der Doppelstunde mit den Ergebnissen aus der Erarbeitungsphase II verglichen. Die Schüler üben so den für die Wissenschaft typischen Prozess von Theoriebildung, Hypothesenüberprüfung (anhand neuer Fakten/Erkenntnisse) und Theorieverifizierung bzw. -falsifikation ein.
Wissenszugewinn durch Teamarbeit
Um auch in den folgenden Phasen des Unterrichts eine engagierte Auseinandersetzung mit dem Unterrichtsgegenstand sicherzustellen, soll in beiden Erarbeitungsphasen die Teamarbeit im Vordergrund stehen. Dabei gibt es die Möglichkeit, in kleinem Kreis Fragen zu den Arbeitsmaterialien zu klären, Lösungsansätze zu diskutieren und diese - wenn nötig - im Diskurs mit den Teammitgliedern zu vervollständigen oder zu optimieren.
Treten in diesem Lernprozess Probleme auf, die in der Kleingruppe nicht zu lösen sind, sollte – so weit die technischen Möglichkeiten bestehen – das Internet zur Recherche und Klärung offener Fragen genutzt werden. Diese Vorgehensweise trägt nicht nur zur Verbesserung der Medienkompetenz der Schüler bei, sie bietet auch die Möglichkeit, das selbstständige Erarbeiten von Unterrichtsinhalten durch die Schüler weiter zu fördern.
Bei der Vorstellung der Ergebnisse aus den Teamsitzungen sollte der Lehrer darauf achten, dass alle Schüler eines Teams angemessen an der Präsentation der gemeinsam erarbeiteten Resultate beteiligt sind. Dadurch gibt er allen Gruppenmitgliedern nicht nur die Möglichkeit für einen begrenzten Zeitraum die Rolle als Wissensvermittler einzunehmen, sondern er kann auch den Lernfortschritt bei jedem einzelnen Schüler besser einschätzen.
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