Ideen für interaktiven Biologieunterricht mit Simulationen

Diese Ideen für interaktiven Biologieunterricht machen aus zehn kostenlosen Simulationen kurze, gezielte Aktivitäten, von Pflanzen- und Tierzellen bis zur Herdenimmunität. Die Biologie hat zwei Probleme, die Simulationen gut lösen. Viele Vorgänge sind zu klein, um sie zu beobachten, etwa Wasser, das eine Membran durchquert, oder ein Ribosom, das ein Codon liest. Andere sind zu langsam, etwa eine Population, die sich über fünfzig Generationen entwickelt, oder Füchse und Kaninchen, die über Jahrzehnte schwanken. Eine Simulation verdichtet beides auf wenige Minuten, und die Lernenden können einen Faktor ändern und erneut laufen lassen. Jede Idee unten nennt die Klassenstufe, eine Leitfrage, die Schritte und das Ergebnis, das die Lernenden erreichen sollten, mit in der Simulation geprüften Werten. Alle laufen auf Simulic über einen Link oder QR-Code, und die Lernenden brauchen nie ein Konto.

Zu den allgemeinen Routinen im Unterricht lesen Sie Interaktive Simulationen im Unterricht einsetzen. Dieser Leitfaden geht weiter in die Biologie und nutzt andere Simulationen als dessen Beispiele.

Zellen und Stofftransport

1. Was hat eine Blattzelle, das eine Wangenzelle nicht hat?

Klassen 6–7 · Bau von Pflanzen- und Tierzelle

Leitfrage: Welche Zellbestandteile haben alle Zellen gemeinsam, und welche gibt es nur bei Pflanzen?

1. Wählen Sie Pflanzenzelle. Die Lernenden klicken jeden Bestandteil an und notieren seinen Namen, seine Aufgabe und wo er vorkommt.
2. Wiederholen Sie das mit Tierzelle und öffnen Sie dann Vergleich, um ihre Listen zu prüfen.
3. Ändern Sie die Vergrößerung von ×100 auf ×1000 und beobachten Sie den Maßstabsbalken von 10 µm.

Erwartetes Ergebnis: Beide Zellen haben eine Zellmembran, Zytoplasma und einen Zellkern. Nur die Pflanzenzelle hat eine Zellwand aus Cellulose, Chloroplasten und eine große zentrale Vakuole. Schalten Sie für stärkere Gruppen die Mitochondrien ein: Beide Zelltypen haben sie. Bei ×400 zeigt die Anzeige Okular 10× und Objektiv 40×, eine nützliche Verbindung zum echten Mikroskop.

2. Warum platzt ein rotes Blutkörperchen in reinem Wasser, eine Pflanzenzelle aber nicht?

Klassen 8–10 · Diffusion und Osmose in Zellen

Leitfrage: Was geschieht mit einer Zelle, wenn die Lösung außen salziger, gleich salzig oder weniger salzig ist als innen?

1. Nutzen Sie die Standardwerte: ein rotes Blutkörperchen mit 0,9 % innen und 2 % außen. Die Lernenden benennen den Lösungstyp und sagen die Volumenänderung voraus.
2. Stellen Sie außen auf 0,9 % ein, dann auf 0 %.
3. Drücken Sie auf Zelltyp wechseln und wiederholen Sie 2 % und 0 % mit der Pflanzenzelle.
4. Vergleichen Sie auf der Seite der Diffusion, wie lange das Gleichgewicht bei 5 °C und bei 45 °C braucht.

Erwartetes Ergebnis: Bei 2 % schrumpft das rote Blutkörperchen (hypertonisch). Bei 0,9 % bleibt sein Volumen konstant (isotonisch). Bei 0 % schwillt es an und platzt. Die Pflanzenzelle plasmolysiert bei 2 %, wird bei 0 % aber nur prall (turgeszent), weil die Zellwand das Platzen verhindert. Die Diffusion erreicht bei der höheren Temperatur schneller das Gleichgewicht. Für den aktiven Transport erweitern Sie mit Membrantransport: Jedes ATP bewegt 3 Na⁺ nach außen und 2 K⁺ nach innen.

Enzyme und Energie

3. Kann mehr Substrat einen Hemmstoff schlagen?

Klassen 10–12 · Enzymaktivität

Leitfrage: Zwei Wirkstoffe verlangsamen beide ein Enzym. Woran erkennen Sie, welcher um das aktive Zentrum konkurriert?

1. Wählen Sie Amylase bei 37 °C und pH 7. Notieren Sie die gemessene Rate.
2. Fügen Sie den kompetitiven Hemmstoff hinzu, notieren Sie den Rückgang und drücken Sie dann mehrmals auf +20 Substrat.
3. Setzen Sie zurück und wiederholen Sie das mit dem nicht-kompetitiven Hemmstoff.
4. Wechseln Sie zu Pepsin und Trypsin und finden Sie den pH-Wert, bei dem jedes am besten arbeitet.

Erwartetes Ergebnis: Mit dem kompetitiven Hemmstoff steigt die Rate beim Zugeben von Substrat wieder gegen ihren ungehemmten Wert, weil das Substrat am aktiven Zentrum den Hemmstoff zahlenmäßig zu übertreffen beginnt. Mit dem nicht-kompetitiven Hemmstoff kann die Rate nie über ein Drittel des normalen Maximums (Vmax) steigen, wie viel Substrat Sie auch zugeben. Pepsin arbeitet am besten bei pH 2 und Trypsin bei pH 8. Die Version dieser Simulation mit Erhitzen und Abkühlen finden Sie im Enzymbeispiel in Vorhersagen, beobachten, erklären mit Simulationen.

4. Wann gibt eine Pflanze keinen Sauerstoff mehr ab?

Klassen 9–12 · Fotosyntheserate und Kompensationspunkt

Leitfrage: Eine Pflanze betreibt im Licht Fotosynthese. Warum kann sie trotzdem gar keinen Sauerstoff abgeben?

1. Lesen Sie die Standardwerte ab: Licht 500, CO₂ 400 ppm, 25 °C. Notieren Sie Brutto-Fotosynthese, Zellatmung und Netto-Fotosynthese.
2. Senken Sie das Licht, bis keine O₂-Bläschen mehr erscheinen. Lesen Sie den Kompensationspunkt im Diagramm ab.
3. Erhöhen Sie die Temperatur auf 35 °C und lesen Sie den Kompensationspunkt noch einmal ab.
4. Stellen Sie das Licht auf 2000 und erhöhen Sie dann das CO₂ auf 1000 ppm.

Erwartetes Ergebnis: Bei den Standardwerten liegt die Brutto-Fotosynthese bei etwa 10,7 und die Zellatmung bei 2,0, die Netto-Fotosynthese also bei etwa 8,7 mg CO₂/dm²/Stunde. Der Kompensationspunkt liegt bei 25 °C bei etwa 35 µmol/m²/s, bei 35 °C aber bei etwa 122, weil sich die Zellatmung verdoppelt, während die Fotosynthese sinkt. Bei Licht 2000 hebt eine Erhöhung des CO₂ von 400 auf 1000 ppm die Netto-Fotosynthese von etwa 12,3 auf 17,3: CO₂ ist zum limitierenden Faktor geworden. Eine vollständige Stundenstruktur zu diesem Thema finden Sie im 5E-Unterrichtsplan mit interaktiven Simulationen.

Genetik und Genexpression

5. Warum ergeben echte Kreuzungen nicht genau 3 : 1?

Klassen 9–10 · Kombinationsquadrat – Mendelsche Regeln

Leitfrage: Mendel sagte 3 gelbe Samen auf einen grünen voraus. Warum würden 20 Samen selten genau 15 : 5 zeigen?

1. Kreuzen Sie Aa × Aa. Die Lernenden tippen auf die Felder, um Genotypen und Phänotypen abzulesen.
2. Stellen Sie 20 Nachkommen ein, drücken Sie dreimal auf „N Nachkommen simulieren“ und notieren Sie jedes Mal die Zahlen.
3. Drücken Sie auf „N weitere simulieren“, bis einige hundert Pflanzen gezählt sind.
4. Probieren Sie die Rückkreuzung Aa × aa, dann AaBb × AaBb.

Erwartetes Ergebnis: Das Quadrat ergibt 1 AA : 2 Aa : 1 aa und ein Phänotypenverhältnis von 3 : 1. Kleine Stichproben streuen (12 : 8 und 17 : 3 sind beide normal), und die Balken wandern auf 3 : 1 zu, wenn die Zahl wächst. Die Rückkreuzung ergibt 1 : 1. Die dihybride Kreuzung ergibt 9 : 3 : 3 : 1, also sollten 400 Nachkommen nahe an 225 : 75 : 75 : 25 liegen.

6. Verändert jede Mutation das Protein?

Klassen 11–12 · Transkription, Translation und Punktmutationen

Leitfrage: In einem Gen ändert sich eine Base. Ändert sich das Protein immer?

1. Lassen Sie das Standardgen laufen (codogener Strang TACAAAGGCTTACCGACT). Die Lernenden schreiben die mRNA und die Aminosäuren auf, bevor die Simulation fertig ist.
2. Wählen Sie Austausch eines Nucleotidpaars an Position 5 mit der Base G.
3. Tauschen Sie Position 9 gegen A aus.
4. Wählen Sie Einfügen eines Nucleotidpaars an Position 5 und vergleichen Sie die Zeilen Polypeptid.

Erwartetes Ergebnis: Die mRNA lautet AUG UUU CCG AAU GGC UGA und codiert Met–Phe–Pro–Asn–Gly und dann Stopp. Position 5 → G macht aus UUU ein UCU, also wird aus Phe ein Ser: eine Missense-Mutation. Position 9 → A macht aus CCG ein CCU, weiterhin Pro: eine stille Mutation, weil der Code degeneriert ist. Die Einfügung verschiebt das Leseraster und ändert jedes Codon danach.

Evolution und Ökologie

7. Überlebt ein weißes Kaninchen besser?

Klassen 9–12 · Natürliche Selektion – Kaninchenpopulation

Leitfrage: Eine Mutation gibt einem Kaninchen weißes Fell. Breitet sich weißes Fell aus?

1. Fügen Sie auf dem Bildschirm Einführung einen Partner hinzu und drücken Sie für einige Generationen auf Start.
2. Fügen Sie die Fellfarben-Mutation (weißes Fell) hinzu. Die Lernenden sagen voraus, was in der Arktis mit und ohne Wölfe geschieht.
3. Schalten Sie Wölfe ein. Setzen Sie dann zurück, wählen Sie den Äquator (braune Erde) und wiederholen Sie es.
4. Vergleichen Sie auf dem Bildschirm Labor ein dominantes und ein rezessives mutiertes Allel.

Erwartetes Ergebnis: Ohne Wölfe macht die Fellfarbe keinen Unterschied. Mit Wölfen auf Schnee überleben weiße Kaninchen besser, und ihr Anteil steigt über die Generationen. Auf brauner Erde wird dieselbe Mutation ausgemerzt. „Besser“ hängt von der Umwelt ab, nicht vom Merkmal selbst. Ein rezessives Allel breitet sich anfangs langsamer aus, weil es sich in braunfelligen Trägern versteckt. Für einen klassischen echten Fall nehmen Sie die Simulation zum Birkenspanner dazu.

8. Mehr Gras, mehr Kaninchen?

Klassen 11–12 · Räuber-Beute-Beziehung

Leitfrage: Wenn die Wiese doppelt so viele Kaninchen ernähren kann, was geschieht mit den Kaninchen und den Füchsen?

1. Lassen Sie „nur Kaninchen“ laufen und vergleichen Sie die S-förmige Kurve mit der exponentiellen Linie.
2. Wechseln Sie mit den Standardwerten zu Kaninchen und Füchsen. Notieren Sie, welche Population zuerst ihr Maximum erreicht, und lesen Sie das Gleichgewicht ab.
3. Erhöhen Sie die Kapazität K von 1000 auf 2000 und lesen Sie das neue Gleichgewicht ab.
4. Erhöhen Sie die Sterberate der Füchse auf 1,2.

Erwartetes Ergebnis: Die Maxima der Füchse hinken immer hinter denen der Kaninchen her. Das Standardgleichgewicht liegt bei 500 Kaninchen und 50 Füchsen. Eine Verdopplung von K ergibt 75 Füchse, aber die Kaninchen pendeln sich wieder bei 500 ein, weil die zusätzliche Nahrung am Ende mehr Füchse ernährt. Bei einer Sterberate der Füchse von 1,2 brauchen die Füchse mehr als 1000 Kaninchen, die die Wiese nicht tragen kann, also sterben sie aus. Für die Sekundarstufe I nutzen Sie Populationswachstum und Kapazität, wo eine Dürre K von 300 auf 150 halbiert.

Der menschliche Körper und die Gesundheit

9. Was macht das Herz, wenn Sie zu laufen beginnen?

Klassen 6–8 · Herz-Kreislauf-System und Atmung

Leitfrage: Warum atmen Sie schneller und schlägt Ihr Herz schneller, wenn Sie laufen?

1. Bei Ruhen verfolgen die Lernenden den Blutweg und notieren, wo das Blut von dunkelrot zu hellrot wechselt.
2. Drücken Sie nacheinander auf Schlafen, Gehen und Laufen und halten Sie Herzfrequenz, Herzzeitvolumen, Atemfrequenz und Atemminutenvolumen in einer Tabelle fest.
3. Bitten Sie sie, das Herzzeitvolumen selbst aus Herzfrequenz × Schlagvolumen zu berechnen.

Erwartetes Ergebnis: In Ruhe sind 75 Schläge pro Minute × 70 mL etwa 5 L Blut pro Minute, mit 16 Atemzügen zu 0,5 L. Beim Laufen steigt die Herzfrequenz auf 158 und das Herzzeitvolumen auf etwa 15 L/min, das Dreifache. Das Atemminutenvolumen springt von 8 auf etwa 68 L/min. Das Blut wird in der Lunge hellrot, und die Lungenarterie führt dunkles, sauerstoffarmes Blut, obwohl sie eine Arterie ist.

10. Wie viele Menschen brauchen eine Impfung, um einen Ausbruch zu stoppen?

Klassen 9–12 · Ausbreitung von Infektionen und Herdenimmunität

Leitfrage: Warum braucht Masern eine viel höhere Impfquote als Grippe?

1. Wählen Sie COVID-19 mit den Standardwerten (30 % geimpft, 20 % Kontaktreduktion). Notieren Sie den Gipfel und die Gesamtzahl der Infizierten.
2. Erhöhen Sie die Impfquote, bis der Ausbruch nicht mehr in Gang kommt. Wiederholen Sie das für Grippe und Masern.
3. Stellen Sie bei COVID-19 die Kontaktreduktion auf 40 % und finden Sie die Impfquote, die jetzt ausreicht.

Erwartetes Ergebnis: Die Standardwerte ergeben Rₑ ≈ 1,9, der Ausbruch kommt also in Gang. Ohne Kontaktreduktion braucht Grippe mindestens 56 % Impfquote, COVID-19 mindestens 96 % und Masern mindestens 97 %, weil Masern R₀ ≈ 15 haben (die Simulation berücksichtigt auch Impfstoffe, die nicht zu 100 % wirksam sind). Bei 40 % Kontaktreduktion stoppen etwa 64 % Geimpfte COVID-19. Masken und Impfstoffe wirken auf dieselbe Zahl, Rₑ.

Die passende Idee für Ihre Einheit wählen

Idee	Fehlvorstellung, die sie angeht	Anzuhängende Frage
2. Osmose	„Salz wandert in die Zelle.“	Multiple Choice: In welche Richtung bewegt sich Wasser bei 2 % außen?
3. Enzyme	„Alle Hemmstoffe wirken gleich.“	Kurzantwort: Wie zeigt zusätzliches Substrat die Art des Hemmstoffs?
4. Fotosynthese	„Pflanzen atmen nur nachts.“	Zahl: Kompensationspunkt bei 25 °C (35 ± 3)
5. Kombinationsquadrat	„3 : 1 heißt genau 3 von je 4.“	Vorhersage: Zahlen in einer Stichprobe von 20
7. Natürliche Selektion	„Tiere verändern sich, um in ihre Umwelt zu passen.“	Kurzantwort: Warum ging es weißen Kaninchen in der Arktis besser?
8. Räuber-Beute	„Mehr Nahrung heißt mehr Beute.“	Zahl: Füchse im Gleichgewicht bei K = 2000 (75 ± 2)

So setzen Sie diese Ideen im Unterricht ein

• Beginnen Sie mit einer Vorhersage am Beamer. Die Ideen 2, 7 und 8 spalten eine Klasse gut. Öffnen Sie Ihren Link im Präsentationsmodus (hängen Sie ?present=1 an), lassen Sie abstimmen, führen Sie die Simulation aus und drücken Sie dann auf QR-Code zeigen, damit die Paare auf eigenen Geräten weitermachen. Unterricht mit Beamer behandelt diesen Ablauf.
• Sperren Sie die Vorhersage. Fügen Sie dem Fragenset des Links bis zu drei Vorhersagefragen hinzu. Die Simulation bleibt gesperrt, bis sich jede Schülerin und jeder Schüler festlegt. Führen Sie die Diskussion mit Vorhersagen, beobachten, erklären.
• Prüfen Sie das Verständnis noch am selben Tag. Eine Zahlenfrage mit Toleranz, etwa zum Kompensationspunkt, zeigt Ihnen in Minuten, wer den Graphen lesen kann. Simulationen für formative Leistungsbewertung erklärt, wie Sie aus der Ergebnistabelle handeln.

Legen Sie auf jedem Klassenlink die Startwerte fest (Seite Teilen), damit alle vom selben Aufbau ausgehen. Planen Sie 15–20 Minuten pro Idee ein und schließen Sie mit einem Satz, der das Ergebnis biologisch erklärt.

Häufige Fragen

Welche Biologieidee eignet sich am besten für jüngere Lernende?

Die Ideen 1 (Zellen) und 9 (Herz und Lunge). Beide sind anschaulich, brauchen keine Formeln und knüpfen an den eigenen Körper der Lernenden an.

Sind die Zahlen zu Populationen und Krankheiten echte Daten?

Nein. Sie stammen aus Standardmodellen (logistisches Wachstum, Lotka-Volterra und SIR) mit realistischen Einstellungen, etwa R₀ ≈ 15 bei Masern. Behandeln Sie sie als Modelle und fragen Sie die Lernenden, was echte Populationen hinzufügen.

Warum erhalten meine Lernenden bei der Aktivität zur natürlichen Selektion unterschiedliche Ergebnisse?

Jeder Durchlauf verwendet zufällige Paarung und zufälliges Überleben, deshalb variieren die Ergebnisse. Das ist nützlich: Vergleichen Sie die Graphen mehrerer Gruppen und suchen Sie das Muster, das sie teilen.

Kann ich diese Ideen als Hausaufgabe verwenden?

Ja. Stellen Sie den Link in Ihr Lernmanagementsystem oder drucken Sie den QR-Code aus, hängen Sie ein kurzes Fragenset an und prüfen Sie die Ergebnistabelle vor der nächsten Stunde.