Arbeitsblatt: Anwendung der Gentechnik

Universität Zürich Lehrdiplom für Maturitätsschulen Vorlesungsarbeit LLBM HS 2012 Einführung in die Allgemeine Didaktik Lehrstuhl Prof. Dr. Regula Kyburz-Graber Fach: Biologie Schultyp: Gymnasium Voraussetzung der SuS: 12. Schuljahr (Biologie Ergänzungsfach) Unterricht mit Praktikum: Gentechnik Dauer der Unterrichtseinheit: 3 Lektionen Fassung vom: 09. 11. 2012 Autor: Florian Blaser Seefeldstrasse 226 8008 Zürich Florian Blaser 07.11.2012 Vorlesungsarbeit in allgemeiner Didaktik: Thema Gentechnik 1 Universität Zürich Lehrdiplom für Maturitätsschulen Inhaltsverzeichnis 1.1 Einleitung 3 2.1 Leitidee und Lernziele nach Zielebenenmodell (ZEM) von J. Eigenmann und A. Strittmatter3 2.1.1 Leitidee 3 2.1.2 Dispositionsziele 4 2.1.3 Operationalisierte Lernziele für theoretische Unterrichtseinheiten.4 2.1.4 Operationalisierte Lernziele für praktische Unterrichtseinheiten.4 3.1 Lektionsspezifische Vorkenntnisse der SuS 5 4.1 Präparation der drei Lektionen. 5 5.1 Didaktische Überlegungen.9 5.1.1 Begründung der Unterrichtsmethoden: Erlangen von Denkfertigkeiten und Denkstrategien.9 5.1.2 Integration des Vorverständnisses und Verarbeitung des Erlernten.9 6.1 Literaturverzeichnis10 Florian Blaser 07.11.2012 Vorlesungsarbeit in allgemeiner Didaktik: Thema Gentechnik 2 Universität Zürich 1.1 Lehrdiplom für Maturitätsschulen Einleitung Diese Vorlesungsarbeit beschreibt eine Unterrichtseinheit zur Thematik der Gentechnik im Umfang von drei Lektionen. Da die Unterrichtseinheit in etwa zur Hälfte aus praktischen Arbeiten besteht, welche Zellkulturtechniken beinhalten, wird empfohlen, das Programm der Universität Zürich und der ETH Zürich Life Science Learning Center zu nutzen. Falls die grundlegenden Ressourcen für einfache Zellkulturexperimente an der Schule vorhanden sind, ist es aber auch möglich den Unterricht im schuleigenen Labor durchzuführen, eventuell mit Apparaturen eines ausleihbaren mobilen Labors (1). 2.1 Leitidee und Lernziele nach Zielebenenmodell (ZEM) von J. Eigenmann und A. Strittmatter (2) 2.1.1 Leitidee: Die Anwendungen der Gentechnik sind heute in Forschung und Industrie weiterhin auf dem Vormarsch und bilden eine der wichtigen Technologien der Zukunft. Auch in politischen Diskussionen ist sie immer wieder von grossem Interesse. Da die Schüler und Schülerinnen (SuS des Ergänzungsfach Biologie mit erhöhter Wahrscheinlichkeit ein Biologiestudium oder ein der Biologie nahestehendes Studienfach wählen werden, ermöglicht ihnen eine „hands-on Unterrichtseinheit im Bereich Gentechnik einen interessanten Einblick in das Tätigkeitsfeld der Universitären Forschung. Die Unterrichtssequenz bietet aber genauso allen anderen SuS wertvolle Einblicke in die Thematik. Die SuS werden einerseits bei ihrer persönlichen Sinnfindung in Bezug auf Ihre Studienwahl unterstützt, andererseits werden sie durch vertiefte Kenntnisse der Technologie fähig, sich als aktive und mündige Individuen zu dem Thema zu äussern. Die Faszination für die Materie kann dadurch gestärkt werden, dass der theoretisch gelernte Stoff im Labor tatsächlich umgesetzt und visualisiert werden kann. Florian Blaser 07.11.2012 Vorlesungsarbeit in allgemeiner Didaktik: Thema Gentechnik 3 Universität Zürich Lehrdiplom für Maturitätsschulen 2.1.2 Dispositionsziele Sie SuS haben nach den Praktikumseinheiten ein vertieftes theoretisches und praktisches Verständnis der Anwendungen der Gentechnik. Sie erhalten Einblicke in die Planung, Durchführung, Auswertung und Evaluation eines gentechnischen Experimentes. In alltäglichen Diskussionen zum Thema Gentechnik können Sie sich mit ihrem Fachwissen auch zu heiklen Fragen mit ihrem vertieftem Fachwissen äussern. 2.1.3 Operationalisierte Lernziele für theoretische Unterrichtseinheiten 1. Die SuS können anhand einer Plasmidkarte auswendig die wichtigsten Elemente und Eigenschaften von Plasmiden beschreiben. 2. Die SuS nennen drei chemische Arten der Aufnahme von Plasmiden durch Zelltransfektion in eukaryontische Zellen in jeweils einem Satz. 3. Die SuS beschreiben in einigen Sätzen korrekt, welche Informationen auf einem Gelelektrophoresebild zu sehen sind. 4. Die SuS beschreiben ein Beispiel der Verwendung von Plasmiden in der industriellen Herstellung von einem Medikament in einigen Sätzen. Sie nennen die daraus entstehenden Vorteile und gegebenenfalls Argumente der Gegner. 5. Die SuS erstellen einen einseitigen Auswertungsbericht der gewonnenen Resultate mit Hilfe einer Berichtsvorlage nach wissenschaftlichen Kriterien. 2.1.4 Operationalisierte Lernziele für praktische Unterrichtseinheiten 1. Die SuS können anhand von Praktikumsprotokollen mit Unterstützung einer laborerfahrenen Person einfachere Experimente durchführen. Florian Blaser 07.11.2012 Vorlesungsarbeit in allgemeiner Didaktik: Thema Gentechnik 4 Universität Zürich Lehrdiplom für Maturitätsschulen 3.1 Lektionsspezifische Vorkenntnisse der SuS Die SuS befinden sich im 12. Schuljahr und besitzen daher entsprechende Kenntnisse in Zellbiologie (Funktion von: Zellkern, Zytoplasma, Ribosome, Zellmembran, Golgi-Apparat). In molekularer Genetik besitzen die SuS Grundkenntnisse über DNA-, RNA- und Proteinbiosynthese in human- und prokaryotischen Zellen. In vorangegangenen Praktika haben die SuS erste Erfahrungen mit heiklen Apparaturen, wie Mikroskopen, Pipetten und einigen zum Teil toxischen Chemikalien gemacht. Sie haben gelernt vorsichtig und gewissenhaft mit technischen Hilfsmitteln und Untersuchungsgegenständen umzugehen. Die SuS sind in der Lage, Beobachtungen systematisch in Form eines Berichtes festzuhalten. Die SuS können komplexe Texte anhand einer Aufgabenstellung analysieren und die gewonnene Einsichten in einer Gruppe diskutieren. 4.1 Präparation der drei Lektionen 1. 2. Lektion (Doppellektion): 5 Einführung in die Anwendungsfelder der Gentechnik Lehrinhalt Lehrform, Sozialform Material, Medien Integration des Vorverständnisses Denkleistung nach Bloom Begrüssung, Themenüberblick, Lernziele vorstellen Kenntnisse von: Vektoren, Gelelektrophorese, Transfektion, Expression und Lokalisation von GFP-markierten Proteinen Frontal Powerpoint Aktivierung von Vorwissen in Molekulargenetik Wissen Florian Blaser 07.11.2012 Vorlesungsarbeit in allgemeiner Didaktik: Thema Gentechnik 5 Universität Zürich Lehrdiplom für Maturitätsschulen 10 Repetition und Vertiefung der Vektoren zur Erzeugung von transgenen Organismen Frontal Powerpoint Aktivierung von Vorwissen in Molekulargenetik Wissen, Verstehen, Anwenden 5 Anwendungsfeld: Transgene Bakterien für Insulinherstellung Diskussion im Plenum Aufgabenstellung Arbeitsblatt Nutzung des Vorwissens für Lösung eines neuen Problems Synthese, Bewertung 10 Besprechung der Restriktionsenzyme Frontal und des Kontrollexperiments zur Überprüfung unserer Vektoren in Bezug auf die GFP-Inserts Powerpoint Nutzung des Vorwissens für Lösung eines neuen Problems Anwenden, Synthese 10 Praktisches Arbeiten: Anhand eines Protokolls unter Anleitung der LP Elekrophorese-Gel giessen LP führt vor, SuS machen nach in 3er Gruppen Laborumgebung, Gelkammern, Puffer, Agarose etc. Nutzung von Handfertigkeiten aus vorhergehenden Praktika Anwenden 15 Praktisches Arbeiten: Anhand eines Protokolls unter Anleitung der LP den Restriktionsenzymverdau der Vektoren durchführen. LP führt vor, SuS machen nach in 3er Gruppen Laborumgebung, Nutzung von Handfertigkeiten Res, aus vorhergehenden Praktika Eppendorftubes, Plasmide, Pipetten Anwenden 5 Praktisches Arbeiten: ElektorphoreseLP führt vor, Gel wird unter Anleitung der LP geladen SuS machen und gefahren nach in 3er Gruppen Laborumgebung Anwenden 10 Analyse der Gelelektrophorese, chemisch-physikalische Grundlagen diskutieren 10 Die SuS hören einen Lehrervortrag zu Frontal den drei verschiedenen chemischen Transfektionsarten von Zellkulturen Florian Blaser 07.11.2012 Nutzung von Handfertigkeiten aus vorhergehenden Praktika Gruppenarbeit, Resultate (Photos) Anwendung des Vorwissens Diskussion im der über DNA Plenum Gelelektrophorese Powerpoint Analyse, Synthese Wissenserweiterung aufbauend Anwenden, Synthese auf Vorwissen der Zellbiologie Komplexitätssteigerung Vorlesungsarbeit in allgemeiner Didaktik: Thema Gentechnik 6 Universität Zürich 10 Lehrdiplom für Maturitätsschulen Die SuS erstellen mit Hilfe der Lehrperson ein Photo ihres Gels 3. Lektion: LP führt vor, SuS machen nach in 3er Gruppen Laborumgebung, Nutzung von Handfertigkeiten UV-Tisch, Kamera, aus vorhergehenden Praktika PC Anwenden, Analyse Einführung in die Anwendungsfelder der Gentechnik Lehrinhalt Lehrform, Sozialform 5 Begrüssung, Rekapitulation der vorhergehenden Doppelstunde, Programm vortellen Zusammentragen der Fakten im Plenum 15 Die SuS schauen sich ein von der Lehrperson vorbereitetes Transfektionsexperiment im Fluoreszenzmikroskop an (alternativ könnte man auch ein Bild zur Hilfe nehmen): Sie approximieren den Transfektions-Prozentsatz der Zellen und stellen Hypothesen auf, welche Wells mit; Nucl-GFP, Plasm-GFP, Kontrolle transfiziert wurden LP führt vor, SuS machen nach in 3er Gruppen Laborumgebung, Fluoreszenzmikroskop Anwendung Mikroskop, Physik der Wellenlängen des Lichts Verstehen, Analyse, Synthese, Bewertung 10 Klasse in 2 Gruppen geteilt – Eine Gruppe sammelt in einem Text ProGentech Argumenten die andere Gruppe sammelt die Kontra-Argumente Einzelarbeit Pro- und Kontragentech- text Textanalyse Wissen, Verstehen, Anwenden, Analyse, Synthese, Bewertung 10 Arena-Diskussion der Vor- und ArenaNachteile der Gentechnik – Pro „gegen Diskussion Diskussionskompetenzen Wissen, Verstehen, Anwenden, Analyse, Florian Blaser 07.11.2012 Material, Medien Integration des Vorverständnisses Denkleistung nach Bloom Wissen, Verstehen Vorlesungsarbeit in allgemeiner Didaktik: Thema Gentechnik 7 Universität Zürich Lehrdiplom für Maturitätsschulen Kontra Gruppe und eigene Meinungen 5 Berichtsvorlage wird besprochen – SuS Frontal erhalten Hausaufgabenauftrag: Laborbericht 1 A4 Seite) der gemachten Experimente Einleitung, Material Methoden, Resultate und Diskussion) Florian Blaser 07.11.2012 Synthese, Bewertung Powerpoint Schriftliche Arbeiten verfassen Vorlesungsarbeit in allgemeiner Didaktik: Thema Gentechnik Wissen, Verstehen, Anwenden, Analyse, Synthese, Bewerte 8 Universität Zürich Lehrdiplom für Maturitätsschulen 5.1 Didaktische Überlegungen 5.1.1 Begründung der Unterrichtsmethoden: Erlangen Denkfertigkeiten und Denkstrategien (3) (4) Die Unterrichtssequenz ist für eine Abschlussklasse bestimmt, welche die Möglichkeit erhalten soll, die praktischen Abläufe in einem Labor hautnah zu erleben. Daher ist die Sequenz ein Wechselspiel von theoretischen Grundlagen und anschliessender praktischer Anwendung. Die theoretischen Grundlagen werden vor allem in Form kurzer Lehrervorträge vermittelt, weil die Zeit knapp ist und das Thema einen hohen Grad an Komplexität besitzt. Um die SuS zu kreativem Denken (Synthese) zu animieren, gibt es kurze Sequenzen, in welchen die SuS gemeinsam Lösungsansätze für eine Aufgabenstellung zusammentragen sollen. Die Diskussionsrunde bedingt eine Analyse bzw. Beurteilung eines Fachtextes mit anschliessender Teilnahme an einer Diskussion im Plenum. Hier sollen Denkfertigkeiten (kritisches und beurteilendes Denken) und Denkstrategien (Vernetzung, Entscheidungen treffen) gefördert werden sowie eine aktive Teilnahme an einer Diskussion im Plenum, wobei auch die Selbst- und Sozialkompetenzbildung der SuS gefördert werden soll. Im praktischen Teil wird beobachtet, interpretiert und Hypothesen aufgestellt – dabei benötigen die SuS ihr ganzes Wissen zur Thematik der Zell- und Molekularbiologie. 5.1.2 Integration des Vorverständnisses und Verarbeitung des Erlernten Die Lehrervorträge bauen auf bestehendem Vorwissen der SuS im Bereich der Molekulargenetik auf. Die SuS haben Vektoren, Bakterien, Säugerzellen und Zellmembraneigenschaften schon früher kennengelernt. In der Sequenz wird das Wissen aufgefrischt, durch mehr Detailwissen vertieft und anschliessend durch die praktische Anwendung gefestigt. Abschliessend befassen sich die SuS nochmals im Rahmen der Verfassung eines wissenschaftlichen Berichts mit dem Gelernten. Die Aufgabenstellung der Vektorkonstruktion für die transgene Insulinproduktion in Bakterien baut ebenfalls auf dem neuen und alten Verständnis über Vektoren auf und aktiviert Problemlösungsstrategien der SuS im Sinne einer proximalen Entwicklung (5). Durch gleichzeitiges anwenden und angeleitet werden, verknüpfen die SuS die Theorie mit Handlungsabläufen, was eine Festigung des Wissens begünstigen soll. Da die SuS zuvor noch keinen Bericht nach wissenschaftlichen Kriterien verfasst haben, kann nach Vorlage gearbeitet werden. Dabei soll erkannt werden, welche Informationen relevant sind, um einen Bericht mit den Florian Blaser 07.11.2012 Vorlesungsarbeit in allgemeiner Didaktik: Thema Gentechnik 9 Universität Zürich Lehrdiplom für Maturitätsschulen eigenen Daten, Beobachtungen und Interpretationen zu erstellen. Literaturverzeichnis 1. 2. J. Eigenmann und A. Strittmatter 1971. Ein Zielebenenmodell zur Curriculumkonstruktion (ZEM). Fribourg, Universitat, Padagogisches Institut, 72 S.) 3. Dubs, Rolf 2009. Lehrerverhalten. 2. Vollstandig neu bearbeitete Aufl. SWP Band 23. Zurich: Verlag des Schweizerischen Kaufmannischen Vereins. Seite 266. 4. Bloom, B. S., Engelhart, M. D., Furst, E. J., Hill, W. H., Krathwohl, D. R. (1956). Taxonomy of educational objectives (TEO): the classification of educational goals; Handbook I: Cognitive Domain New York, Longmans, Green. 5. Vygotsky, L. S. (1978). Mind in Society. Herausgegeben von Michael Cole, Vera John-Steiner, Sylvia Scribner und Ellen Souberman. Cambridge (Massachusetts), London: Harvard University Press. Florian Blaser 07.11.2012 Vorlesungsarbeit in allgemeiner Didaktik: Thema Gentechnik 10