10. – 11. Schuljahr

Daniel Laumann und Timo Hergemöller

Von der Natur lernen

Experimente zur Untersuchung bionischer Phänomene mit dem Smartphone

Die Beobachtung von Naturphänomenen erweist sich seit jeher für den Menschen als Quelle innovativer Ideen. Neben allgemeinem Wissen über Gesetzmäßigkeiten der Natur, ergeben sich daraus teilweise auch spezifische technologische Entwicklungen. Die Wissenschaft der Bionik beschäftigt sich mit dem Transfer von Naturphänomenen in technische Anwendungen und verbindet damit auf besondere Art und Weise Natur- und Ingenieurswissenschaften. Als traditionelle Beispiele für Anwendungen der Bionik gelten der Klettverschluss, das Echolot oder auch der Lotuseffekt.
Dieser Artikel zeigt anhand von zwei für den Physikunterricht interessanten Kontexten, auf welche Art und Weise Naturphänomene und das Themenfeld Bionik im Physikunterricht berücksichtigt werden können, und beschreibt Untersuchungen mit dem Smartphone als Experimentierwerkzeug.
Bionik im Physikunterricht
Bei bionischen Untersuchungen wird stets das Ziel verfolgt, ausgehend von einem Naturphänomen physikalisches Wissen zu erweitern, um dieses anschließend in technisch-industrielle Anwendungen zu überführen. Überträgt man diese Struktur auf den Physikunterricht, ergeben sich aus dem Naturphänomen und den technischen Anwendungen geeignete Kontexte und Motivation für die Auseinandersetzung mit fachlichen Inhalten, sodass die Bionik didaktisch genutzt werden kann.
Motivierend wirkt neben dem Lebensweltbezug der Naturphänomene und (teilweise) auch der Anwendungen der interdisziplinäre Charakter der Bionik, aus dem sich Anknüpfungspunkte nicht nur für die Physik, sondern auch für weitere Unterrichtsfächer ergeben und damit Anlässe für fächerübergreifenden Unterricht.
Die Bedeutung der Bionik für den Schulunterricht zeigt sich an einer Vielzahl existierender Unterrichtsmaterialien (vgl. z.B. [2] zum Lotuseffekt), Lehrerfortbildungen und Bildungsinitiativen zu diesem Themengebiet. Hinsichtlich der Lehrpläne ergibt sich für die Physik häufig ein Bezug innerhalb des Themenfeldes „Physik und Technik. Neben der Beschäftigung mit den fachlichen Inhalten eignet sich die typische Vorgehensweise in der Bionik (Analyse des Phänomens experimentelle Untersuchung Transfer auf mögliche Anwendungen) auch zur exemplarischen Vermittlung typischer Vorgehensweisen naturwissenschaftlicher Forschung.
Experimentieren mit dem Smartphone
Das Experimentieren mit dem Smartphone gewinnt seit einigen Jahren zunehmend Bedeutung im Physikunterricht [1]. Dabei werden im Unterricht die Smartphones der Kinder und Jugendlichen unter Beachtung gewisser Rahmenbedingungen u.a. als Experimentierwerkzeuge genutzt. Neben dem Einsatz als Experimentierwerkzeug können Smartphones auch eine individuelle Datenanalyse und -auswertung durch die Lernenden ermöglichen.
Insbesondere für bionische Anwendungen, d.h., bei der Untersuchung von Pflanzen, Insekten etc., offenbaren Smartphones eine zusätzliche Stärke dadurch, dass Beobachtungen und Messungen auch direkt in der Natur durchgeführt werden können.
Die Verwendung von Smartphones in Experimenten zu Beispielen aus der Bionik wird im Folgenden beschrieben.
Bionik 1: Der Lotuseffekt
Obwohl sich der Lotuseffekt dem Namen nach auf die in Asien und Australien beheimatete Lotosblume bezieht, lässt sich dieses Naturphänomen auch auf den Blättern einiger europäischer Pflanzen, wie der Kapuzinerkresse, dem Frauenmantel oder dem Kohlrabi, beobachten.
Bereits mit bloßem Auge kann man erkennen, dass Regentropfen, die auf die Blätter dieser Pflanzen fallen, an der jeweiligen Oberfläche nahezu vollständig abperlen. Bei genauerer Beobachtung stellt man zudem fest, dass die abperlenden Wassertropfen Schmutzpartikel aufnehmen. Durch dieses Phänomen bleiben die Blätter dieser Pflanzen auch in schlammigen Umgebungen sauber.
Fachliche Beschreibung
Im Gleichgewicht molekularer Kohäsionskräfte und der Gravitationskraft bildet...

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