- Knochen und Bionik
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Knochen und Bionik


Knochen






Inhalte

Die grundlegende Prinzipien von stabilen, das heißt zug-, druck- und biegefesten aber dennoch materialsparenden Konstruktionen werden anhand der Knochen erklärt und auf Beispiele aus der Technik angewendet.

Lernziele

Kognitive Lernziele:

Die Schülerinnen und Schüler können:
  • aufzählen, welche Bestandteile eines Knochens für die Zug- und welche Bestandteile für die Druckstabilität zuständig sind.
  • die Schichtfolge des Schaftteiles eines Röhrenknochens von außen nach innen aufzählen.
  • in eigenen Worten den Vorteil gegeneinander verdrehter Faserverlaufsrichtungen in durch Zug und Druck belasteten technischen und biologischen Geweben erklären.
  • in eigenen Worten das Prinzip der materialsparenden Konstruktionsweise durch Beschränkung des Materialeinsatzes auf Bereiche hoher Spannung wiedergeben.
  • den Verlauf von Strukturelementen in einem Knochenlängsschnitt erkennen.

Affektive Lernziele:

  • Sch. sind fasziniert von den Eigenschaften ihrer eigenen Knochen.
  • Sch. erkennen den (zumindest teilweise) hohen Perfektionsgrad biologischer Problemlösungen.

Psychomotorische Lernziele:

  • Die Sch. vereinfachen und übertragen Informationen aus einer zweidimensionalen Abbildung in ein dreidimensionales Modell und planen dabei die Reihenfolge ihrer Handlungen.

Unterrichtsgang

Modell zur Veranschaulichung der Belastbarkeit von KnochenAufbau eines Knochens
Ein menschlicher Oberschenkelknochen kann ein Auto tragen
Modell eines Röhrenknochens
Bauprinzip gotischer Kathedralen
Bauprinzip eines Flugzeugflügels

Einstieg

Ein Schüler überprüft die Belastbarkeit eines relativ dünnen Knochens. Durch das überraschende Ergebnis des Versuchs (der Knochen trägt über 100 kg) sollen die Schülerinnen und Schüler aktiviert und motiviert werden. Aus der Faszination über die Eigenschaften der Knochen entwickelt sich direkt die Fragestellung der Stunde: Warum sind Knochen so stabil? Die Demonstration eines ausgeglühten und eines calciumfreien Knochens macht deutlich, dass Druck- und Zugfestigkeit auf verschiedenen Knochenbestandteilen beruhen müssen.

Arbeitsauftrag

Welche Bestandteile dies sind und wie ein Knochen genau aufgebaut ist erarbeiten die Schülerinnen und Schüler jetzt anhand eines Arbeitsblattes. Dabei extrahieren sie Informationen aus Text und Abbildungen des Schulbuches. Sie müssen diese Abbildungen auch interpretieren um sie in das Modell eines Knochenröhrchens umzusetzen. Bei der Erkennung von Strukturen in den Knochenbälkchen ist Abstraktionsvermögen verlangt.










Modellbau

Durch den Bau des Modells sind die Schülerinnen und Schüler gezwungen, die Abbildungen genau zu betrachten. Insbesondere die Umsetzung der verschiedenen Kollagenfaserverläufe erfordert eine intensive Beschäftigung mit den Vorgaben und ermöglicht zugleich das Erleben und Erlernen mit Hilfe des Tastsinnes. Während des Zusammenbauens werden den Schülerinnen und Schülern einige Unzulänglichkeiten des Modells klar werden.


Gesamtmodell

Die Erstellung des Gesamtmodell ermöglicht den Schülerinnen und Schülern die Einordnung ihres Röhrchenmodells in die übergeordnete Struktur. Im Unterrichtsgespräch wird das neu erarbeitete Wissen gefestigt. Der Vorteil sich kreuzender Faserverläufe wird im Unterrichtsgespräch erarbeitet.












Spannungslinien

Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass der Verlauf der Knochenbälkchen den Spannungslinien folgt, und damit die Form der Funktion. Es gilt, dass Material (hier: Knochenbälkchen) dort zu finden ist, wo die Spannungen auftreten, um ebendiese Spannungen aufzufangen und weiterzuleiten.






Puffer

Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass man auch umgekehrt von der Bauweise aus Rückschlüsse auf die auftretenden Spannungen ziehen kann.


Bionik

Anhand von Beispielen aus der Architektur (gotische Kathedrale) und des Maschinenbaus (Flugzeugflügel) werden die Prinzipien einer materialsparenden aber dennoch stabilen Konstruktionsweise wiederholt. Den Schülerinnen und Schülern werden die wirtschaftlichen Vorteile dieser Konstruktionsweise bewusst.

Material Download

Arbeitsblatt Knochenaufbau

Linktipps

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Externer Link Anleitung zur Herstellung kalkfreier bzw. rein kalkigen Knochen (Unterrichtsgang)

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