Unterrichtsmaterial zum Reiz-Reaktions-Schema und Nervensystem

Einführung

Riechen, klettern oder Klavier spielen - unser Nervensystem vollbringt tagtäglich fantastische Leistungen. Stell dir vor, du sitzt in der Schule und hörst plötzlich den schrillen Ton der Schulglocke. Sofort stehst du auf, sammelst schnell deine Sachen zusammen und machst dich auf den Weg nach draußen. Dieser alltägliche Vorgang ist ein wunderbares Beispiel für das Reiz-Reaktions-Schema. Das Reiz-Reaktions-Schema ist ein grundlegendes Konzept in der Biologie, das erklärt, wie Lebewesen auf Reize aus ihrer Umwelt reagieren. Es beschreibt, wie Reize aufgenommen, verarbeitet und schließlich in Reaktionen umgesetzt werden. Jede unserer Bewegungen, Empfindungen und Entscheidungen beginnt mit einem Reiz.

In dieser Lerneinheit erhalten Schüler Einblicke in Bau und Funktion unseres Nervensystems, wobei sie im selbstständigen und eigenverantwortlichen Lernen gezielt gefördert werden.

Das Reiz-Reaktions-Schema im Detail

Das Reiz-Reaktions-Schema beschreibt, wie Lebewesen Informationen aus ihrer Umwelt wahrnehmen und darauf reagieren. Es erklärt den Weg vom Reiz bis zur Reaktion:

1. Reizaufnahme: Ein Reiz wird von einem Sinnesorgan (z. B. Auge, Ohr) aufgenommen. Das Auge ist ein hervorragendes Beispiel, um das Reiz-Reaktions-Schema zu veranschaulichen. Unsere Augen sind unser wichtigstes Sinnesorgan.
2. Reizweiterleitung: Der Reiz wird in Form von elektrischen Signalen über Nervenbahnen weitergeleitet.
3. Reizverarbeitung: Im Gehirn oder Rückenmark wird der Reiz interpretiert und verarbeitet.
4. Reaktionsauslösung: Die entsprechende Reaktion wird z.B. durch Muskeln oder Drüsen ausgelöst.

Der Weg eines Reizes vom Empfang bis zur Reaktion ist eine faszinierende Reise durch das menschliche Nervensystem.

Beteiligte Strukturen:

• Sinnesorgane (Rezeptoren): Sie sind die ersten Stationen im Reiz-Reaktions-Schema. Ohren, Augen, Nase, Haut und Zunge nehmen Reize aus der Umwelt auf. Eine Stechmücke fliegt an und lässt sich auf deinem Oberschenkel nieder. Die Stechmücke (Licht) reizt die Sinneszellen meiner Augen und ihr Fluggeräusch (Schallwellen) reizen die Sinneszellen meines Ohrs.
• Zentrales Nervensystem: Hier erfolgt die Verarbeitung der Informationen. Diese werden über die Nervenzellen zum Gehirn geleitet. Im Gehirn werden die eingehenden Informationen ausgewertet und verarbeitet. Ich nehme die Stechmücke wahr.
• Muskeln und Drüsen (Effektoren): Im letzten Schritt wird die Reaktion ausgeführt. Nervenzellen leiten elektrische Erregungen vom Gehirn zu den Muskeln meines Arms und meiner Hand.

Das Reiz-Reaktions-Schema ist nicht nur eine theoretische Konstruktion, sondern findet täglich Anwendung in unserem Leben. Nachdem du das Reiz-Reaktions-Schema verstanden hast, kannst du dein Wissen über das Nervensystem vertiefen.

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Unterrichtseinheit: Das Nervensystem des Menschen

Diese Unterrichtseinheit ist für die Klassen 9-10 konzipiert und kann in 3-6 Unterrichtsstunden behandelt werden. Sie fördert selbstständiges und eigenverantwortliches Lernen.

Kompetenzen:

Die Schüler sollen:

• den Aufbau unseres Nervensystems beschreiben.
• den Aufbau einer Nervenzelle skizzieren und die Skizze korrekt beschriften.
• die Erregungsleitung innerhalb einer Nervenzelle und an einer Synapse erläutern. Die Reizcodierung auf dem Neuron wird ausführlich mit Versuchen und passenden Abbildungen erläutert. Verschiedene Aufgaben mit aufdeckbaren Lösungen behandeln Themen rund um elektrochemische Vorgänge in Neuronen.
• die vier Teile unseres Gehirns und deren Hauptfunktionen nennen.
• selbstständig Versuche durchführen und auswerten.

Inhalte:

Die Lerntheke „Das Nervensystem des Menschen“ umfasst folgende Themen:

• Vom Reiz zur Reaktion
• Unser Nervensystem im Überblick
• So sind Nervenzellen aufgebaut (Dendrit, Axon & Co.)
• Reaktionstest
• Reflexe (Anhand eines Reiz - Reaktions - Schemas mit üblichen Symbolen werden mono- und polysynaptische Reflexe passend erklärt.)
• Erregungsleitung innerhalb einer Nervenzelle (Von Schnürring zu Schnürring)
• Erregungsleitung von Nervenzelle zu Nervenzelle (Von Synapse zur Folgezelle)
• Unser Rückenmark - eine Schaltzentrale für Reflexe
• Unser Gehirn
• Sympathikus und Parasympathikus - ein ungleiches Paar

Ablauf (Beispiel):

• Stunde 1: Einstieg in die Einheit, Wissenstest (Vorher-Test)
  • M 1(Fo): Wer bin ich?
  • M 2(LEK): Teste dich selbst! - Was weißt du alles über das Nervensystem des Menschen?
• Stunden 2-5: Lerntheke „Das Nervensystem des Menschen“
  • (Ab) Laufzettel zur Lerntheke
  • M 3(Ab) Station 1: Hält der Torwart den Ball? - Vom Reiz zur Reaktion
  • M 4(Ab) Station 2: Netzwerk Nerven - unser Nervensystem im Überblick
  • M 5(Ab) Station 3: Dendrit, Axon & Co. - so sind Nervenzellen aufgebaut
  • M 6 V: 3 min D: 10 min (SV) Station 4: Gibt es die Schrecksekunde? - Ein Reaktionstest (Material: 1 Lineal (Länge 20-30 cm))
  • M 7(Ab) Station 5: Von Schnürring zu Schnürring - Erregungsleitung innerhalb einer Nervenzelle
  • M 8(Ab) Station 6: Von Synapse zur Folgezelle - Erregungsleitung von Nervenzelle zu Nervenzelle
  • M 9(Ab) Station 7: Unser Rückenmark - eine Schaltzentrale für Reflexe
  • M 10 V: 5 min D: 10 min (SV) Station 8: Ganz von selbst? - Wir testen unsere Reflexe
  • M 11(Ab) Station 9: Allen übergeordnet - unser Gehirn
  • M 12(Ab) Station 10: Sympathikus und Parasympathikus - ein ungleiches Paar
• Stunde 6: Wissenstest (Nachher-Test) und Besprechung der Lerntheke

Materialien:

Die Unterrichtseinheit beinhaltet Arbeitsblätter, Folien, Schülerexperimente und Lernerfolgskontrollen. Zusatzmaterialien sind auf CD verfügbar.

Versuche:

Die Schüler führen selbstständig Versuche durch, z.B.:

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• Reaktionstest: Gibt es die Schrecksekunde? (M 6)
• Reflexe testen: Ganz von selbst? (M 10)

Differenzierung:

Die Lerntheke ermöglicht eine individuelle Förderung der Schüler. Ein Minimalplan ist vorgesehen, um die Einheit auch in kürzerer Zeit (3 Stunden) behandeln zu können.

Zusätzliche Aspekte und Erweiterungen:

• Insekten und Menschen: Ein illustriertes Arbeitsblatt zum Nervensystem bei Insekt und Mensch kann verwendet werden. U.a. enthält es einen kurzen Lückentext und die Aufgabe, Reiz-Reaktions-Schemen zu entwerfen.
• Naturwissenschaften außerhalb der Schule: Für viele Kinder und Jugendliche liegt hier ein ganz besonderer Reiz.
• Belastung und Anpassung: Belastungen erzeugen einen Reiz, der zu mehr oder minder effektiven Anpassungserscheinungen des Organismus führt. Mit den Belastungsmerkmalen beschreibt man die Struktur eines Trainingsprozesses, d.h. es wird deutlich, wie intensiv, wie umfangreich und mit welchen Pausen trainiert wird.
• Junge Kritiker: Mit dem Projekt ”Junge Kritiker” sollen Jugendliche angeregt werden, neu erschienene Bücher zu lesen und dazu Rezensionen zu verfassen.
• Ablaufende Vorgänge beschreiben: verändert nach A. Becker u. und beschreibe die bei 1 bis 5 ablaufenden Vorgänge.

Vertiefung: Das Nervensystem im Detail

Um das Reiz-Reaktions-Schema vollständig zu verstehen, ist ein genauerer Blick auf das Nervensystem notwendig:

1. Aufbau des Nervensystems:

Das Nervensystem lässt sich grob in zwei Hauptbereiche unterteilen:

• Zentralnervensystem (ZNS): Bestehend aus Gehirn und Rückenmark. Hier erfolgt die zentrale Verarbeitung der Informationen.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Umfasst alle Nervenbahnen, die vom ZNS wegführen oder zum ZNS hinführen. Es verbindet das ZNS mit den Sinnesorganen, Muskeln und Drüsen. Das periphere Nervensystem wird weiter unterteilt in das somatische und das autonome Nervensystem. Das somatische Nervensystem steuert willkürliche Bewegungen, während das autonome Nervensystem unwillkürliche Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag und Verdauung reguliert. Das autonome Nervensystem besteht wiederum aus zwei Gegenspielern: Sympathikus und Parasympathikus.

2. Nervenzellen (Neuronen):

Nervenzellen sind die Bausteine des Nervensystems. Sie sind spezialisiert auf die Weiterleitung von elektrischen Signalen. Eine typische Nervenzelle besteht aus:

• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und die wichtigsten Zellorganellen.
• Dendriten: Kurze, verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen.
• Axon: Ein langer, schlanker Fortsatz, der Signale an andere Nervenzellen oder Zielzellen (z.B. Muskelzellen) weiterleitet. Das Axon ist von einer Myelinscheide umgeben, die die Signalübertragung beschleunigt. Zwischen den Myelinscheiden befinden sich sogenannte Schnürringe.
• Synapsen: Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, an denen die Signale von einer Zelle zur nächsten übertragen werden.

3. Erregungsleitung:

Die Erregungsleitung innerhalb einer Nervenzelle erfolgt elektrisch. Ein Reiz führt zu einer Veränderung des Membranpotentials der Nervenzelle. Wenn das Membranpotential einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Das Aktionspotential wandert entlang des Axons bis zu den Synapsen. Die Erregungsleitung von Nervenzelle zu Nervenzelle erfolgt chemisch. An der Synapse werden Neurotransmitter freigesetzt, die an Rezeptoren der nächsten Nervenzelle binden und dort ein neues Signal auslösen. Die Reizcodierung auf dem Neuron ist ein komplexer Prozess, bei dem die Stärke und Art des Reizes in ein spezifisches Muster von Aktionspotentialen umgewandelt wird.

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4. Reflexe:

Reflexe sind schnelle, unwillkürliche Reaktionen auf einen Reiz. Sie laufen über einen einfachen neuronalen Schaltkreis ab, der als Reflexbogen bezeichnet wird. Der Reflexbogen besteht aus einem Sensor (z.B. in der Haut), einer sensorischen Nervenzelle, einer oder mehreren Schaltneuronen im Rückenmark und einer motorischen Nervenzelle, die einen Muskel aktiviert. Anhand eines Reiz - Reaktions - Schemas mit üblichen Symbolen werden mono- und polysynaptische Reflexe passend erklärt.

5. Gehirn:

Das Gehirn ist das Kontrollzentrum des Nervensystems. Es ist in verschiedene Bereiche unterteilt, die jeweils spezifische Funktionen haben:

• Großhirn: Verantwortlich für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Sprache, Gedächtnis und Bewusstsein.
• Kleinhirn: Koordiniert Bewegungen und ist wichtig für das Gleichgewicht.
• Zwischenhirn: Reguliert wichtige Körperfunktionen wie Schlaf, Hunger und Durst.
• Hirnstamm: Verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung und Herzschlag.

6. Sympathikus und Parasympathikus:

Der Sympathikus und der Parasympathikus sind zwei Teile des autonomen Nervensystems, die gegensätzliche Wirkungen auf den Körper haben. Der Sympathikus bereitet den Körper aufStresssituationen vor (Fight-or-Flight-Reaktion), während der Parasympathikus den Körper in Ruhephasen aktiviert und die Regeneration fördert (Rest-and-Digest-Reaktion).

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