Schülerlabor Neurowissenschaften

Willkommen

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Die Neurowissenschaften integrieren verschiedene Disziplinen, zu denen beispielsweise die Neurophysiologie, Molekularbiologie und Psychologie gehören. Innerhalb der Lebenswissenschaften spielt das Verstehen neuronaler Funktionen auf allen Komplexitätsebenen - von der einzelnen Nervenzelle bis hin zum gesamten Gehirn und der aktiven Auseinandersetzung mit der Umwelt - eine zentrale Rolle.

Experimentell-analytische Vorgehensweisen in der neurowissenschaftlichen Forschung sind in der Schule oft schwierig zu vermitteln. Im Schülerlabor Neurowissenschaften wird diese Problematik berücksichtigt. In Form eines breitgefächerten Angebots für alle Jahrgangsstufen in denen Neurobiologie unterrichtet wird, wurden geeignete, schülerorientierte Angebote geschaffen, die neurowissenschaftliche Forschung durch den eigenen Umgang mit modernen Forschungsapparaturen und -inhalten für Schülerinnern und Schüler direkt erfahrbar machen.

Die Schülerlaborangebote orientieren sich dabei an den Lehrplänen, so dass eine Einbindung in Unterrichtsabläufe gelingt. Für die jüngeren Jahrgangsstufen liegt der Fokus bei Vergrößerungstechniken und modernen mikroskopischen Verfahren, in der Mittelstufe werden Sinnessysteme und Wahrnehmungsprozesse thematisiert und in der Oberstufe werden neben der Verhaltensbiologie verschiedene Labortage zur Funktionsweise von Nervenzellen angeboten.

Das Kooperationsprojekt „Schülerlabor Neurowissenschaften“, zwischen der Goethe-Universität Frankfurt und der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung, wurde im Jahr 2014 ins Leben gerufen. Basierend auf dem Ansatz, das Thema der Neurowissenschaften in Schulen zielgerichtet zu stärken, wurden in enger Kooperation mit der Stiftung schülerorientierte Konzepte rund um neurobiologische Fragestellungen erstellt. In der Abteilung für Didaktik der Biowissenschaften hat sich das Schülerlabor Neurowissenschaften zu einem zentralen Bestandteil des bestehenden Schülerlabors „Goethe-BioLab“ entwickelt.

Kooperations- und Förderungspartner

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Vielfalt von Zellen

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Vielfalt von Zellen

Titel: Von der Vielfalt der Zellen

Thema: Differenzieren von Zell- und Gewebetypen mit verschiedenen mikroskopischen Verfahren

Zielgruppe: Jahrgangsstufe 5-8

Zeitrahmen: 9.00 – 13:00 Uhr

Unkosten: 8 Euro / Person (Anmerkung: Bei Teilnahme an einer Evaluationsstudie zu dem Schülerlabortag wird der Unkostenbeitrag auf 4 Euro ermäßigt. Die vorherige Anmeldung zur Studie ist obligatorisch.)

Voraussetzungen: Die Handhabung und der Umgang mit Mikroskopen sollten vertraut sein. Thematisch sind Vorkenntnisse zur Grundstruktur von Tier- und Pflanzenzellen notwendig.

Lernziele: Beschreiben von Zellen und ihrer Struktur als Grundbausteine von Lebewesen; Einordnen verschiedener Präparate in Organisationsstufen; Anwenden des Lichtmikroskops als biologisches Arbeitsgerät; Differenzieren von Tier- und Pflanzenzellen; Differenzieren von Zelltypen in unterschiedlichen Strukturen in Verbindung mit ihrer Funktion

Betreuung: Alena Greßler (a.gressler@em.uni-frankfurt.de)

Inhalte:Ausgehend von der Frage, ob alle Zellen gleich aussehen, dreht sich an dem Labortag alles um die Vielfalt von Zellen. Dabei erarbeiten die Schülerinnen und Schüler (SuS) im Verlauf des Tages, dass nicht alle Pflanzen- und Tierzellen gleich gestaltet und ausgestattet, sondern sie an ihre unterschiedlichen Funktionen strukturell angepasst sind. Die SuS wenden hierzu sowohl klassische Techniken der Lichtmikroskopie an, als auch moderne Methoden der virtuellen Mikroskopie und betrachten u.a. Fluoreszenzpräparate. Dazu wird zunächst ein eigener Blattquerschnitte angefertigt, mikroskopiert und anhand der eigenen Übersichtszeichnungen sichtbare zelluläre Strukturen, Gewebe und deren Funktionsweisen besprochen.

Aufbauend auf den Erkenntnissen aus der Pflanzenwelt werden in einer weiteren Phase tierische Zellen näher betrachtet. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung eines Grundtypus von Neuronen. Für das Verständnis der komplexen Strukturen von Nervenzellen stehen Fluoreszenzpräparate zur Verfügung, die mit einem speziell entwickelten virtuellen Mikroskop betrachtet werden können. Gerade dieser Ansatz ermöglicht eine spannende Auseinandersetzung mit neurobiologischen Fragestellungen.

Kleine Dinge ganz groß

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Kleine Dinge ganz groß

Thema: Sinnesorgane von Insekten in verschiedenen Dimensionen

Zielgruppe: Jahrgangsstufe 5-8

Zeitrahmen: 9.00 – 13:00 Uhr

Unkosten: 8 Euro / Person (Anmerkung: Bei Teilnahme an einer Evaluationsstudie zu dem Schülerlabortag wird der Unkostenbeitrag auf 4 Euro ermäßigt. Die vorherige Anmeldung zur Studie ist obligatorisch.)

Voraussetzungen: Die Handhabung von Lichtmikroskopen sollte vertraut sein. Vorkenntnisse sind nicht notwendig, können aber berücksichtigt werden.

Lernziele: Ableiten verschiedener Größenordnungen durch das Anwenden unterschiedlicher mikroskopischer Techniken; Erfassen des strukturellen Aufbaus von Sinnesorganen in der Insektenwelt; Erkennen des Zusammenhangs zwischen biologischen Strukturen und deren Funktion

Betreuung: Alena Greßler (a.gressler@em.uni-frankfurt.de)

Inhalte:Die Schülerinnen und Schüler (SuS) tauchen von der makroskopischen Ebene in die mikroskopische Ebene ein. Dies wird am Beispiel von Sinnesorganen bei Insekten umgesetzt. Ausgehend von der Beobachtung lebender Grillen (Gryllus bimaculatus) wird die methodische Vielfalt von Vergrößerungstechniken (Lichtmikroskopie, Elektronenmikroskopie) vorgestellt. Hierbei werden die Hör- und Gesangsorgane der Grillen eingehend betrachtet. Den SuS wird dabei ein Verständnis der räumlichen Dimensionen vermittelt, wobei methodische Zusammenhänge und verwendete Vergrößerungstechniken erarbeitet werden.

Darüber hinaus werden wichtige Inhalte zur Funktionalität von Sinnesorganen exemplarisch vermittelt. Die SuS erkennen Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion von Sinnesorganen. Auch ein Exkurs zum Verhalten der Tiere ist Bestandteil des Schülerlabortages.

Visuelle Wahrnehmung

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Visuelle Wahrnehmung

Ich sehe was, was du nicht siehst

Thema: Visuelle Wahrnehmung und Verarbeitung sowie Studien mit Eyetracking

Zielgruppe: ab Jahrgangsstufe 9

Zeitrahmen: 9.00 – 14:00 Uhr

Unkosten: 8 Euro / Person

(Anmerkung: Die maximale Teilnehmerzahl beträgt 30 SchülerInnen.)

Voraussetzungen: Die Schülerinnen und Schüler sollten ein Grundlagenwissen zu Bau und Funktion des Auges und im Speziellen zum Aufbau der Netzhaut haben.

Lernziele: Anwenden des Wegs wissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung: Dokumentieren von Wahrnehmungsprozessen mit Hilfe der Eyetracking-Technik im Selbstversuch; Darstellen, Auswerten und Einordnen eigener Versuchsergebnisse

Betreuung: Sandra Zimmermann (s.zimmermann@em.uni-frankfurt.de)

Inhalte: Der Schülerlabortag knüpft an bereits erarbeitete Unterrichtsinhalte zum Sinnesorgan Auge an und beschäftigt sich vertiefend mit der visuellen Wahrnehmung und Verarbeitung. Einführend werden mithilfe einer interaktiven Lernoberfläche die Anatomie des Auges wiederholt und Inhalte zur Wahrnehmungspsychologie sowie zu der Forschung mit Eyetracking erarbeitet.

Darauf aufbauend wird genauer auf die Verarbeitung von visuellen Informationen und die resultierende Wahrnehmung im Gehirn eingegangen. Dazu haben die Schüler und Schülerinnen (SuS) verschiedene Stationen zur Auswahl, die sie bearbeiten können.

Mit Hilfe der modernen Eyetracking-Technik werden Wahrnehmungsprozesse von den SuS im Selbstversuch erfasst, visualisiert und anschließend in Gruppenarbeit ausgewertet.

Bei der Aufnahme der Eyetracking-Studie bekommen die SuS Bilder aus unterschiedlichen Forschungsrichtungen präsentiert. Dabei zeichnet der Eyetracker unter anderem die Blickrichtung und die Dauer der Fixierungen von einzelnen Bildbereichen auf. Die Eyetracking-Methode und ihre Anwendungsbereiche werden detailliert erläutert, wobei Möglichkeiten und Grenzen berücksichtigt werden.

Verhaltensbiologie

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Verhaltensbiologie

Wir sind Verhaltensforscher

Thema: Die Verhaltensbiologie der Zweifleckgrille durch eigene Studien erforschen

Zielgruppe: Sekundarstufe II

Zeitrahmen: 9.00 – 15:00 Uhr

Unkosten: 10 Euro / Person

(Anmerkung: Die maximale Teilnehmerzahl beträgt 24 SchülerInnen. Bei Teilnahme an einer Evaluationsstudie zu dem Schülerlabortag wird der Unkostenbeitrag auf 5 Euro ermäßigt. Die vorherige Anmeldung zur Studie ist obligatorisch.)

Voraussetzungen: Es werden keine inhaltlichen Vorkenntnisse bei den Schülerinnen und Schülern benötigt. In der Vermittlung des benötigten Basiswissens zu Begriffen der Ethologie kann vorhandenes Wissen berücksichtigt werden

Lernziele: Planen und Durchführen eigener Verhaltensstudien; Auswerten von Ethogrammen; Erfassen des strukturellen Aufbaus der Hör- und Gesangsorgane von Gryllus bimaculatus; Erkennen des Zusammenhangs zwischen biologischen Strukturen und deren Funktion; Analysieren und Vergleichen der Grillengesänge mit Hilfe von Sonagrammen.

Betreuung: Sandra Zimmermann (s.zimmermann@em.uni-frankfurt.de)

Inhalte: Die Schülerinnen und Schüler sollen die Verhaltensbiologie aus Sicht eines Verhaltensbiologen erfahren. Sie erfahren wie ein Verhaltensbiologe arbeitet und seine Daten erfasst. Das zu erforschende Tier ist an diesem Tag die Zweifleckgrille (Gryllus bimaculatus), deren Revier- und Balzverhalten in Gruppenarbeit genauer untersucht wird.

Gryllus bimaculatus nutzt Stridulationsorgane zur Lauterzeugung (Männchen) und Tympanalorgane zur Detektion dieser Laute (Weibchen und Männchen). Ausgehend von morphologischen Untersuchungen zur Verortung und Funktionalität der angesprochenen Strukturen, rückt das Verhalten von G. bimaculatus zunehmend in den Fokus des Labortages. Zu erwartende Verhaltensmuster als Elemente der artinternen Kommunikation können hierbei in Verhaltensstudien am lebenden Objekt erforscht werden. Typische Verhaltensweisen in verschiedenen Situationen werden über Beobachtungen, Protokollierung, Film- und Tonaufnahmen erfasst und ausgewertet. Revier- und Balzverhalten lassen sich hierbei sowohl anhand charakteristischer Lautfolgen der Männchen wie auch anhand der Interaktion mit Hilfe der Körpersprache der Tiere unterscheiden.

Neuro?Logisch! – Elektrophysiologie

Elektrophys

Neuro?Logisch! – Elektrophysiologie

Thema: Virtuelle Ableitungen von Nervenzellen und ihre Auswertung

Zielgruppe: Sekundarstufe II

Zeitrahmen: 9.00 – 15:00 Uhr

Unkosten: 10 Euro / Person 

(Anmerkung: Die maximale Teilnehmerzahl beträgt 20 SchülerInnen.Bei Teilnahme an einer Evaluationsstudie zu dem Schülerlabortag wird der Unkostenbeitrag auf 5 Euro ermäßigt. Die vorherige Anmeldung zur Studie ist obligatorisch.)

Voraussetzungen: Den Schülerinnen und Schülern müssen Grundlagen der Elektrophysiologie bekannt sein. Diese beinhalten den Aufbau von Nervenzellen, die Bildung von Ruhe- und Aktionspotenzialen sowie deren Weiterleitung und Übertragung.

Lernziele: Anwenden relevanter Forschungs- und Arbeitsweisen in der Neurobiologie; Erarbeiten und Interpretieren der morphologischen und funktionellen Eigenschaften von Nervenzellen; Durchführen elektrophysiologischer Messverfahren.

Betreuung: Sandra Zimmermann (s.zimmermann@em.uni-frankfurt.de)

Inhalte: Nervenzellen leiten ihre Informationen in Form von elektrischen Signalen fort. An einem authentischen elektrophysiologischen Messaufbau können die Schülerinnen und Schüler (SuS) virtuelle Experimente an Nervenzellen durchführen. Sie lernen am Beispiel des Nervensystems von Hirudo medicinalis (medizinischer Blutegel) morphologische und funktionelle Eigenschaften verschiedener Nervenzellen und elektrophysiologische Messverfahren kennen. Die SuS führen verschiedene Versuche und Messmethoden durch und untersuchen zum Beispiel die Wirkung von neuronalen Botenstoffen auf verschiedene Nervenzellen. Die Reaktionen der Zellen können dabei ohne Zeitverlust verfolgt werden. Die aufgezeichneten Messspuren werden unter Berücksichtigung neurophysiologischer Fragestellungen in Gruppenarbeit ausgewertet und interpretiert.

Ausgehend vom Nervensystem des Blutegels wird es außerdem einen Exkurs zum menschlichen Gehirn geben. Mit einem EEG-Headset können wir Aufzeichnungen durchführen, bei denen das Summenpotenzial der Gehirnaktivität gemessen und analysiert wird. Die SuS lernen so Möglichkeiten und Grenzen von EEGs kennen.

Nachmittags beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit unterschiedlichen Präparaten von Nervenzellen. Die Präparate werden mit unserem virtuellen Mikroskop betrachtet. So haben die SuS die Möglichkeit unterschiedlichste Färbungen und Präparate kennen zu lernen und u.a. das Gehirn eines Guppys mit dem eines Orang-Utans Kriterien geleitet zu vergleichen.

Neuro?Logisch! - Summenpotentiale

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Neuro?Logisch! - Summenpotentiale

Thema: Elektrophysiologische Messungen am Menschen

Zielgruppe: Sekundarstufe II

Zeitrahmen: 9.00 – 15:00 Uhr

Unkosten: 10 Euro / Person

(Anmerkung: Die maximale Teilnehmerzahl beträgt 24 SchülerInnen. Bei Teilnahme an einer Evaluationsstudie zu dem Schülerlabortag wird der Unkostenbeitrag auf 5 Euro ermäßigt. Die vorherige Anmeldung zur Studie ist obligatorisch. )

Voraussetzungen: Den Schülerinnen und Schülern müssen Grundlagen der Elektrophysiologie bekannt sein. Diese beinhalten den Aufbau von Nervenzellen, die Bildung von Ruhe- und Aktionspotenzialen sowie deren Weiterleitung und Übertragung. Kenntnisse über die Anatomie des Herzens und des Muskels sind vorteilhaft, aber nicht obligatorisch.

Lernziele: Bezüge herstellen zwischen der Funktionsweise einzelner Nervenzellen und deren Resultat auf systemischer Ebene; Verständnis über Entstehung von Summenpotenzialen; Messen und Analysieren von EKGs; Verstehen der Funktionsweise des elektrischen Leitungssystem des Herzens; Auswerten von Messungen der elektrischen Muskelaktivität; Interpretation von EEG Spuren.

Betreuung: Sandra Zimmermann (s.zimmermann@em.uni-frankfurt.de)

Inhalte: Ausgehend von Nervensignalen, wird die systemische Ebene genauer betrachtet. Dazu wird erarbeitet wie ein Summenpotenzial entsteht und wie man es interpretieren kann. Die Schülerinnen und Schüler (SuS) führen dazu Selbstversuche durch und erweitern ihre Kenntnisse zur Funktionalität des eigenen Körpers mit EKG, EMG und EEG Messungen.

Zur Durchführung der Experimente stehen ausreichend viele schülerorientierte Setups zur Verfügung, die von den SuS eigenständig bedient werden können.

Neben den elektrophysiologischen Untersuchungen der Organe wird auch die Morphologie und Anatomie behandelt und in Bezug gesetzt.

Mit einem EEG-Headset können wir Aufzeichnungen durchführen, bei denen das Summenpotenzial der Gehirnaktivität gemessen und analysiert wird. Die SuS lernen so Möglichkeiten und Grenzen von EEGs kennen.