Anschaulicher geht es nicht! Ihre Schüler vollziehen mithilfe des Modells die komplexen Vorgänge nach, die bei der Ausbildung eines Aktionspotentials ablaufen.

• Niveau: Sekundarstufe II
• Dauer: 3–4 Unterrichtsstunden
• Material: Verschiedenfarbiges Papier (creme, hellblau, dunkelblau, gelb, orange, hell- grün, dunkelgrün, rosa und rot), Klebstoff, Laminiergerät, Laminiertaschen in DIN-A4, kleine Perlen und Draht, grüne und rote wasserlösliche Folienstifte
• Ziele: Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich das Prinzip der spannungsgesteuerten Ionenkanäle im Zusammenhang mit dem zeitlichen Ablauf eines Aktionspotenzials und den damit verbundenen unterschiedlichen Leitfähigkeiten der Membran für die relevanten Ionen (Na+- und K+-Ionen). Dabei üben sie den Umgang mit naturwissenschaftlichen Methoden (hier das Lesen und Interpretieren von Messwerten und deren Übertragung in eine Modellvorstellung).

Die Lernenden sollten sich voraussetzend mit dem Reiz-Reaktions-Schema, dem Aufbau und den anatomischen Besonderheiten eines Neurons gegenüber anderen Zellen und mit den Entstehungsbedingungen von Ruhe- und Aktionspotenzialen befasst haben. Letztere können mit dem vorliegenden Material zusammenfassend wiederholt werden. Die Bedeutung und Funktionsweise spannungsgesteuerter Ionenkanäle kann dabei besonders berücksichtigt werden, um in den folgenden Stunden auf die Weiterleitung von Aktionspotenzialen entlang des Neuriten eingehen zu können.

Bei der Erarbeitung des zeitlichen Ablaufs eines Aktionspotenzials ergeben sich für die Lernenden häufig Fragestellungen zur Funktionsweise der relevanten spannungsgesteuerten Ionenkanäle: „Woher wissen denn die Kanäle, wann sie sich zu öffnen haben?“ etc. Die Auseinandersetzung mit dieser Fragestellung mithilfe eines Modells erleichtert den Zugang zu einem interessanten und wesentlichen Aspekt der Ausbildung und anschließenden Weiterleitung von Aktionspotenzialen für die Lernenden und fördert das Verständnis.

Das Modell ist in seinem Aufbau stark reduziert und soll die Aufmerksamkeit der Lernenden auf das entsprechend dem Thema relevante Verhalten der „Türmoleküle“ lenken. Der konkrete Aufbau sowohl der Biomembran als auch der Ionenkanäle und der Ionenpumpen spielen eine untergeordnete Rolle und werden demnach nahezu vollständig ausgeblendet. Diese „Türmoleküle“ lassen sich – da beweglich – in ihrer Stellung entsprechend den unterschiedlichen Phasen eines Aktionspotenzials in ihrer Position verändern.

Im Unterricht besteht demnach die vornehmliche Aufgabe der Lernenden darin, ihr zum Aktionspotenzial erworbenes Wissen und die gegebenen Messwerte auf das vorliegende Modell zu übertragen – also die Prozesse, die dem Aktionspotenzial im Bereich der spannungsabhängigen Ionenkanäle zugrunde liegen, nachzuzeichnen.

Dieses Modell, das die Struktur der relevanten Ionenkanäle stark vereinfacht widerspiegelt, soll dazu beitragen, Anschaulichkeit zu erreichen. Da Anschauungsmodelle im Regelfall zu klein sind, soll jede Arbeitsgruppe ein Modell zum Arbeiten erhalten. Durch bewegliche Elemente können die Schülerinnen und Schüler nicht nur visuell mit dem Modell arbeiten, sondern es auch „begreifen“. Zusätzlich können durch die laminierte Oberfläche veränderbare elektrische Ladungen und Ionenströme mit einem Folienstift eingetragen werden. Insgesamt soll durch die individuelle Auseinandersetzung mit dem Modell eine höhere Behaltensleistung erreicht werden. Darüber hinaus können einzelne Schülerinnen und Schüler ein Modell aufgrund der praktischen Größe zur Nachbereitung mit nach Hause nehmen.

Die Art des Modells und die Anzahl erlauben in den folgenden Unterrichtsstunden eine weitere Verwendung: Die Modelle können zusammen mit weiteren Modellen von Na+/K+-Pumpen aneinander gereiht werden, so dass mit ihnen die Weiterleitung von Aktionspotenzialen entlang der Membran erarbeitet werden kann – was üblicherweise sonst nur mit Abbildungen geschieht.

Eine abschließende Diskussion der Arbeitsergebnisse und die Sicherung können mithilfe eines entsprechenden Folienmodells erfolgen. Dieses entspricht dem vorliegenden Modell und wurde lediglich auf Folie übertragen.

Mit der Aufgabe 6 (M 2) wird das Modell in den weiteren Unterricht eingebettet und ein Ausblick auf neue Fragestellungen gegeben. So könnte mit den Materialien M 12–M 14 aus der Reihe „Grundlagen der Neurophysiologie (Signatur II/G.1, Reihe 1)“ weitergearbeitet werden.