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Flache Illustration: ein grünes Laubblatt im Sonnenlicht, umgeben von zwei Pfeilen aus kleinen Bläschen, die den Gasaustausch andeuten.

Biologie · Niedersachsen · Sek I

Fotosynthese und Zellatmung

Eine Unterrichtsreihe für Klasse 7/8 zu Fotosynthese und Zellatmung. Die Schülerinnen und Schüler deuten historische Versuche, formulieren beide Wortgleichungen, weisen Stärke im belichteten Blatt nach, messen die Fotosynthese der Wasserpest mit der Bläschenzählmethode und zeigen die Zellatmung keimender Samen mit Kalkwasser. Zum Abschluss verbinden sie beide Vorgänge zu einem Stoffkreislauf mit einseitigem Energiefluss und räumen typische Fehlvorstellungen aus.

Klassen
7–8
Schulformen
Gymnasium, Oberschule
Umfang
7 Unterrichtsstunden
Fach
Biologie
Bundesland
Niedersachsen
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Lernziele

  • Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Fotosynthese als Vorgang, mit dem Pflanzen unter Nutzung von Lichtenergie Traubenzucker aufbauen, und formulieren die Wortgleichung.
  • Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Zellatmung als Vorgang, der Energie für den Organismus nutzbar macht, und formulieren die Wortgleichung.
  • Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Bau des Laubblatts als Organ der Fotosynthese.
  • Die Schülerinnen und Schüler planen Versuche mit Kontrollansatz, führen Nachweise für Stärke, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid durch und stellen Messdaten in Diagrammen dar.
  • Die Schülerinnen und Schüler verknüpfen Fotosynthese und Zellatmung zu einem Stoffkreislauf und unterscheiden ihn vom Energiefluss.
  • Die Schülerinnen und Schüler widerlegen Alltagsvorstellungen wie „Pflanzen atmen nicht“ mit naturwissenschaftlichen Argumenten.

Bezug zum Kerncurriculum

Kerncurriculum für das Gymnasium Schuljahrgänge 5–10 Naturwissenschaften (Niedersachsen, 2015), Teil Biologie

  • Kompetenzbereich: Erkenntnisgewinnung
  • Kompetenzbereich: Fachwissen
  • Kompetenzerwartung: entwickeln naturwissenschaftliche Fragen und begründen Hypothesen
  • Kompetenzerwartung: planen eigenständig hypothesenbezogene Versuche mit geeigneten Kontrollexperimenten
  • Kompetenzerwartung: führen Untersuchungen, Experimente und Nachweisverfahren eigenständig durch
  • Kompetenzerwartung: stellen vorgegebene oder selbst ermittelte Messdaten eigenständig in Diagrammen dar
  • Kompetenzerwartung: ziehen Schlussfolgerungen aus einfacher Datenlage
  • Kompetenzerwartung: beschreiben die Rolle von Experimenten für die Überprüfung von Hypothesen

Ablauf

  1. Abschnitt 1

    Wovon leben Pflanzen? Die Fotosynthese

    Van Helmonts Weidenversuch und Priestleys Kerzenversuch deuten, Wortgleichung der Fotosynthese, Energieumwandlung.

    • Lektion

      Wovon leben Pflanzen? Die Fotosynthese

      Aus einer Eichel, die wenige Gramm wiegt, wird in hundert Jahren ein Baum mit vielen Tonnen Holz. Woher kommt all dieser Stoff? Die meisten Menschen…

    • Material

      Lernspiel: Die Fotosynthese mit Chloro

      planet schule (SWR/WDR), Lizenz: Alle Rechte vorbehalten, nur verlinkt

    • Zum Lernspiel

      Im Lernspiel tankt der Chloroplast „Chloro“ Sonnenenergie und Wasser. Das sind Bilder, keine echten Vorgänge: Wasser kommt über die Wurzeln ins Blatt, und Energie wird umgewandelt, nicht getankt. Achte beim Spielen darauf, welche Stoffe hinein- und hinausgehen.

  2. Abschnitt 2

    Das Laubblatt und der Stärkenachweis

    Schichten des Laubblatts, Spaltöffnungen, Stärkenachweis mit Iod-Kaliumiodid an einem halb abgedeckten Blatt.

  3. Abschnitt 3

    Fotosynthese messen: Licht und Wasserpest

    Bläschenzählmethode, Glimmspanprobe, Variablen kontrollieren, Messwerte im Diagramm auswerten.

    • Lektion

      Fotosynthese und Licht: die Bläschenzählmethode

      Schneidest du einen Spross der Wasserpest schräg an und stellst ihn kopfüber in ein Glas mit Wasser unter eine helle Lampe, steigen aus der…

    • Aufgabe

      Messprotokoll Wasserpest

      Führe die Bläschenzählmethode mit mindestens vier Lampenabständen durch und schreibe ein Protokoll:

      1. Frage und begründete Vermutung
      2. veränderte, gemessene und konstant gehaltene Größen
      3. Messtabelle mit drei Messungen je Abstand und Mittelwert
      4. Liniendiagramm der Mittelwerte mit beschrifteten Achsen
      5. Ergebnis als Je-desto-Satz
      6. zwei Fehlerquellen und wie du sie verringern würdest

      Lade Tabelle und Diagramm als Foto hoch oder trage die Werte hier ein.

  4. Abschnitt 4

    Zellatmung: Energie aus Traubenzucker

    Wortgleichung der Zellatmung, Mitochondrien, äußere Atmung und Zellatmung, Kalkwasserversuch mit keimenden Erbsen.

    • Lektion

      Zellatmung: Energie aus Traubenzucker

      Nach einem Sprint atmest du schnell, dein Herz schlägt kräftig und dir wird warm. Deine Muskeln brauchen für die Bewegung Energie. Diese Energie…

  5. Abschnitt 5

    Fotosynthese und Zellatmung im Zusammenhang

    Stoffkreislauf und Energiefluss, Tag-Nacht-Bilanz, typische Fehlvorstellungen, Selbsttest.

    • Lektion

      Fotosynthese und Zellatmung im Vergleich: Selbsttest

      Es gibt Flaschengärten: verschlossene Glasgefäße mit Erde, Moos und kleinen Pflanzen. Manche stehen jahrelang, ohne geöffnet zu werden, und die…

    • Aufgabe

      Erklärbrief an einen Mitschüler

      Dein Mitschüler behauptet: „Pflanzen atmen nicht. Sie machen nur Fotosynthese, und die Erde ist ihr Essen.“

      Schreibe ihm einen kurzen Brief (etwa 150 Wörter), in dem du beide Behauptungen fachlich richtigstellst. Nutze mindestens einen Versuch aus dieser Reihe als Beleg und verwende die Fachbegriffe Zellatmung, Fotosynthese, Traubenzucker und Mitochondrien.

Hinweise für Lehrkräfte

Einordnung in das Kerncurriculum

Im Kerncurriculum Naturwissenschaften für das Gymnasium (2015) gehört das Thema zum Basiskonzept Stoff- und Energieumwandlung. Bis Ende Jahrgang 8 erläutern die Schülerinnen und Schüler die Fotosynthese als Prozess, mit dem Pflanzen unter Nutzung von Lichtenergie ihre energiereichen Nährstoffe herstellen, und die Zellatmung als Prozess, der Energie verfügbar macht, jeweils mit Wortgleichung. Die Fixierung der Energie in Form von ATP behält das KC (S. 83) ausdrücklich der Sekundarstufe II vor. Teilreaktionen wie Licht- und Dunkelreaktion nennt es nicht, sie gehören dem Sinn nach ebenfalls nicht in die Sekundarstufe I. Die Reihe verzichtet auf beides. Das Oberschul-Kerncurriculum (2013) fordert beide Vorgänge in vereinfachter Form bis Ende Jahrgang 8 und nennt Glimmspanprobe und Bläschenzählmethode in seinem Unterrichtsbeispiel. Bezüge zur Chemie (Nachweisreaktionen, Teilchenbilanz) und zur Physik (Energieumwandlung) sind im KC vorgesehen.

Zeitplan (7 Stunden)

StundeAbschnitt
1Wovon leben Pflanzen? Van Helmont, Priestley, Wortgleichung. Stärkeversuch ansetzen (Pflanze ins Dunkle)
2Bau des Laubblatts. Blatt halb abdecken, Pflanze ins Licht
3Stärkenachweis auswerten
4–5Doppelstunde Bläschenzählmethode mit Diagramm
6Zellatmung, Kalkwasserversuch (Erbsen einen Tag vorher ansetzen)
7Kreislauf, Fehlvorstellungen, Selbsttest

Der Stärkeversuch braucht drei Tage Vorlauf. Setzen Sie ihn in der ersten Stunde an oder bereiten Sie ein Blatt vor.

Sicherheit

  • Brennspiritus/Ethanol ist leicht entzündbar: nur im heißen Wasserbad aus dem Wasserkocher erwärmen, keine offene Flamme im Raum, kleine Mengen, Schutzbrille. Bei jüngeren Gruppen als Lehrkraftdemonstration.
  • Kalkwasser (Calciumhydroxid-Lösung) verursacht schwere Augenschäden: Schutzbrille ist Pflicht. Beim Einblasen nur pusten, nie ansaugen, Strohhalm lang genug wählen.
  • Glimmspanprobe: lange Haare zusammenbinden, Holzspan in feuerfester Schale ablegen. Mit dem Gas der Wasserpest gelingt sie oft nicht, weil man in einer Stunde nur wenig Gas sammelt und es viel Stickstoff enthält. Halten Sie als Ersatz eine Glimmspanprobe mit reinem Sauerstoff (Demonstration) oder ein Video bereit, oder sammeln Sie das Gas über mehrere Tage.
  • Kalkwasserversuch mit Erbsen: Gekochte Erbsen werden schnell von Bakterien und Pilzen besiedelt, die selbst atmen und Kalkwasser trüben. Lassen Sie beide Portionen nach dem Abkühlen kurz in einer Desinfektionslösung (zum Beispiel 70-prozentigem Ethanol) liegen, spülen Sie sie ab und werten Sie nach etwa einem Tag aus.
  • Iod-Kaliumiodid-Lösung verdünnt verwenden, Hautkontakt vermeiden.
  • Lampe und Wasser getrennt aufstellen, keine Halogenlampen direkt am Becherglas (Wärme, Bruchgefahr). LED-Lampen sind fachlich und sicherheitlich besser.
  • Erstellen Sie für jeden Versuch die Gefährdungsbeurteilung nach RiSU. Priestleys Mäuseversuch wird nur historisch besprochen.

Typische Fehlvorstellungen

  • „Pflanzen atmen nicht“ oder „nur nachts“. Die Zellatmung läuft Tag und Nacht. Der Kalkwasserversuch mit keimenden Samen und die Aquariumaufgabe machen das sichtbar.
  • „Pflanzen nehmen ihre Nahrung aus dem Boden auf.“ Van Helmonts Daten eignen sich als kognitiver Konflikt.
  • „Bei der Fotosynthese wird Energie erzeugt.“ Konsequent von Energieumwandlung sprechen.
  • Atmung gleich Zellatmung. Äußere Atmung und Zellatmung trennen (Lektion 4).
  • „Pflanzen machen das Gegenteil der Tiere.“ Pflanzen betreiben beides.
  • Die Bläschen sind reiner Sauerstoff. Sie enthalten auch andere Gase, die Glimmspanprobe zeigt einen hohen Sauerstoffanteil.

Differenzierung

  • Grundlegend: Wortgleichungen mit Lückentext, Versuchsauswertung mit vorgegebener Tabelle.
  • Erweitert: chemische Gleichung mit Atombilanz (Lektion 1, Knobeln), Begrenzung durch andere Faktoren (Lektion 3, Knobeln), eigene Versuchsplanung zur Temperatur.
  • Die Bläschenzählmethode lässt sich arbeitsteilig durchführen: Gruppen messen verschiedene Abstände und tragen ihre Werte in ein gemeinsames Diagramm ein.

Prozessbezogene Kompetenzen

Erkenntnisgewinnung: Fragen und Hypothesen, Variablenkontrolle, Kontrollansatz, Nachweisverfahren, Diagramme, Fehlerquellen. Kommunikation: Je-desto-Sätze, Versuchsprotokoll. Bewertung wird hier nur angebahnt.

Häufige Fragen

In welcher Klasse kommt Fotosynthese in Niedersachsen dran?

Am Gymnasium im Doppeljahrgang 7/8, das Beispiel im Kerncurriculum legt sie in Jahrgang 8. An der Oberschule ist die vereinfachte Fotosynthese ebenfalls bis Ende Jahrgang 8 gefordert.

Muss ich ATP oder Licht- und Dunkelreaktion behandeln?

Nein. Das Kerncurriculum der Sekundarstufe I verlangt die Wortgleichungen und die Energieumwandlung. Die Fixierung der Energie in Form von ATP behält das Kerncurriculum ausdrücklich der Sekundarstufe II vor, Licht- und Dunkelreaktion gehören dem Sinn nach ebenfalls dorthin.

Welche Versuche brauchen Vorlauf?

Der Stärkenachweis braucht drei Tage (zwei Tage Dunkelheit, ein Tag Licht), der Kalkwasserversuch mit keimenden Erbsen einen Tag. Die Bläschenzählmethode gelingt in einer Doppelstunde.

Wo bekomme ich Wasserpest?

Wasserpest gibt es als Aquarienpflanze im Zoofachhandel. Vor dem Versuch sollte sie einige Stunden im Licht stehen. Etwas Natron im Wasser erhöht den Kohlenstoffdioxidgehalt und damit die Bläschenzahl.

Passt die Reihe für die Oberschule?

Ja. Für die Oberschule genügt die Wortgleichung, die chemische Gleichung und die Knobelaufgaben zu begrenzenden Faktoren können entfallen.

Quellen

Bildnachweise

  • Titelbild: KI-generiert
  • Blattquerschnitt von oben nach unten: Wachsschicht, obere Epidermis, Palisadengewebe aus langen Zellen voller Chloroplasten, Schwammgewebe mit Lufträumen und Blattader, untere Epidermis mit Spaltöffnung zwischen zwei Schließzellen.: Eigene Darstellung

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