halt mal die luft an! - atmung beim menschen · ein beitrag von dr. erwin graf, freiburg mit...

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Halt mal die Luft an! - Atmung beim Menschen

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IV Der Mensch • Beitrag 16 Die Atmung beim Menschen (Klasse 7/8) 1 von 32

13 RAAbits Realschule Biologie März 2014

Halt mal die Luft an! – Atmung beim Menschen

Ein Beitrag von Dr. Erwin Graf, FreiburgMit Illustrationen von Julia Lenzmann

Wir atmen täglich mindestens 10.000 Liter Luft ein und aus. Dies geschieht für uns völlig unbewusst. Doch was passiert mit der Luft eigentlich in unserem Körper und welche Vorgänge laufen beim Prozess der Atmung ab?

Diese Einheit gibt Antworten auf diese Fragen. Ihre Schüler führen selbst viele verschiedene Versuche zum Prozess der Atmung durch und vollziehen den Weg der Atemluft durch unseren Körper nach. Durch die handlungs- und schüler-orientierte Vorgehensweise fördert die Einheit neben den fachlichen Kompetenzen auch methodisch-strategische und sozial-kommunikative Fähigkeiten bei den Lernenden.

Das Wichtigste auf einen Blick

Klassen: 7/8Dauer: 8 Stunden (Minimalplan: 6)

Kompetenzen: Die Schüler …

· können den Weg der Atemluft beschreiben.

· sind in der Lage, Brust- und Bauch-atmung voneinander abzugrenzen.

· können erklären, an welchen Stellen im Körper welcher Gasaustausch erfolgt.

· können mit anderen Schülern konstruktiv zusammenarbeiten, sich in gemeinsame Arbeitsteams einbringen und auftretende Problemsituationen erfolgsorientiert angehen.

Aus dem Inhalt:

· Welchen Weg nimmt die Atemluft durch unseren Körper?

· Wie erfolgt der Gasaustausch in der Lunge und im Körpergewebe?

· Wie unterscheiden sich Brust- und Bauchatmung?

· Wie groß ist unser Atem- und Lungenvolumen?

· Wie unterscheiden sich Ein- und Ausatemluft?

· Welchen Sauerstoffbedarf haben verschiedene Lebewesen?

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Mit vielen

Schülerversuchen!

Unsere Lunge ist ständig gefragt. Welche Vorgänge laufen eigentlich in ihr ab?

IIIDie Atmung beim Menschen (Klasse 7/8) Der Mensch • Beitrag 162 von 32


Rund um die Reihe

Warum wir das Thema behandeln

Wir atmen mindestens 10.000 Liter Luft täglich ein und aus. Dies ist so selbstverständlich, dass wir unseren Atemorganen erst dann Beachtung schenken, wenn wir „außer Atem“ sind oder „in Atemnot“ geraten.

In dieser Einheit werden unsere Atemorgane in den Mittelpunkt gerückt. Neben sachlich-fachlichen Themenfeldern (wie „Der Weg der Atemluft“, „Regulation der Atmung“, „Grund-prinzipien des Gasaustauschs in Lunge und Kapillaren“ und „Atemmechanik“) werden die Schülerinnen und Schüler* dabei auch in zahlreichen anderen Kompetenzbereichen geför-dert. So können durch die Nutzung spezifisch naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeits-weisen, wie vertieftes Betrachten, folgerichtiges Beobachten, problemlösendes Experimen-tieren und systematisches Vergleichen, methodisch-strategische Fähigkeiten geschult und angewandt werden. Auch sozial-kommunikative Kompetenzen können durch den adäquaten Wechsel verschiedener Methoden und Lernformen gefördert und gefestigt werden.

* Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet.

Was Sie zum Thema wissen müssenWozu braucht unser Körper überhaupt Sauerstoff?

Unser Körper benötigt für die unterschiedlichen Körpervorgänge (z. B. Zellteilung, Abwehr von Krankheitserregern, Muskel- und Nerventätigkeit) fortlaufend Energie. Diese wird in Form von ATP (Adenosintriphosphat) im Vorgang der Zellatmung (innere Atmung) bereitge-stellt. Die Zellatmung erfordert Sauerstoff und erfolgt in den Mitochondrien der Zellen. Dabei wird Glucose unter Freisetzung von Wasser und Kohlenstoffdioxid vollständig oxidiert. In der Alltagssprache versteht man unter „Atmung“ meist den Vorgang, bei dem Sauerstoff aus der Umwelt in den Körper aufgenommen wird und das im Körper entstandene Kohlenstoffdi-oxid an die Umwelt abgegeben wird (äußere Atmung). Die Menge an Kohlenstoffdioxid, die ein Organismus ausscheidet, ist ein Maß für die Intensität der Atmung, d. h., je mehr Kohlen-stoffdioxid ausgeschieden wird, desto höher ist der Sauerstoffbedarf des Organismus.

Der Weg der Atemluft durch unseren Körper

Die Atemgase Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid werden beim Menschen nicht nur durch aktive, gerichtete Strömungsvorgänge (Konvektion), sondern auch passiv durch Diffusion transportiert. Durch Diffusion gelangt der Sauer stoff nicht nur aus der Lungenluft ins Blut, sondern auch aus dem Blut in die Zellen der unterschiedlichen Gewebe und Organe. Gleiches gilt in umgekehrter Richtung für das Kohlenstoffdioxid.

Der Mensch nimmt die Luft beim Atmen über die Mundhöhle oder die Nasengänge auf. Über den Rachenraum (Pharynx) gelangt die eingeatmete Luft in die dünnwandige Luft-röhre (Trachea), die bei einem Erwachsenen einen Durchmesser von ca. 2 cm hat und durch c-förmige Knorpelspangen vor dem Kollabieren infolge der wechselnden Drücke beim Ein- und Ausatmen bewahrt wird. Einige dieser Knorpelringe kann man unterhalb des Kehlkopfs ertasten.

Die Atemluft gelangt anschließend in die beiden Hauptbronchien, in die sich die Luftröhre unterhalb des Kehlkopfes teilt und die in den rechten und linken Lungenflügel führen. In den Lungenflügeln teilen sich die Bronchien immer stärker auf: Während die Bronchien noch Knorpelringe haben, sind diese bei den Bronchiolen bereits verschwunden. Die Bronchi-olen wiederum zweigen sich ebenfalls immer stärker auf, sodass schließlich eine baumar-tige Struktur entsteht, an deren Enden sich die dünnwandigen Alveolen (Lungenbläschen) befinden. Diese sind die Orte des pulmonalen Gasaustauschs. Die Alveolen haben einen Durchmesser von 0,1 bis 0,3 mm und ergeben beim Menschen eine Oberfläche von bis zu



140 m2, was der Fläche eines Tennisplatzes entspricht. Da sowohl die Alveolarepithelien als auch die Kapillarendothelien extrem dünn sind, misst die Diffusionsstrecke zwischen Luft und Blut weniger als 2 µm.

Ein- und Ausatmen

Unsere Lunge liegt in der Brusthöhle, die oben vom Schultergürtel, unten vom Zwerchfell (Diaphragma) und seitlich vom Rippenkorb begrenzt wird. Die rechte und linke Hälfte der Brusthöhle sind vom Brustfell (Pleura), einer durchgehenden Zellschicht, ausgekleidet. Die beiden Blätter des Brustfells bilden einen schmalen Spalt, der als Pleurahöhle oder Interpleu-ralspalt bezeichnet wird.

Die Pleurahöhle ist mit Flüssigkeit gefüllt, sodass beim Atmen die Innenflächen des Brustfells während der Atembewegungen fast widerstandslos beweglich sind. Infolge der Oberflächen-spannung innerhalb des Interpleuralspalts ist es schwer, die beiden Blätter voneinander zu trennen. Kommt es – beispielsweise durch einen Messerstich in die Brust – zu einer Verlet-zung des Interpleuralspalts, so strömt bei jedem Atemzug Luft in den Spalt statt in die Lunge (Pneumohorax), wodurch sich der Interpleuralspalt ständig erweitert und die Lunge schließ-lich kollabiert, was zum Ersticken führen kann.

Die Inspiration (Einatmen) wird durch die Kontraktion des muskulösen Zwerchfells einge-leitet. Durch diese Kontraktion kommt es zu einer Vergrößerung der Brusthöhle und zu einem Unterdruck, wodurch Luft in die Lunge strömt (sog. Unterdruckatmung). Das Ausatmen (Exspiration) beginnt, wenn die Kontraktion des Zwerchfells aufhört, dieses sich entspannt und sich im Brustkorb nach oben bewegt. Somit ist Einatmen ein aktiver Prozess, während das Ausatmen ein passiver Prozess ist.

Atemvolumen, Vital- und Totalkapazität

Pro Atemzug und in Ruhe atmen wir etwa 500 ml Luft ein und aus (Atemzugvolumen, Tidal-volumen). Atmen wir ganz tief ein, so können wir über das normale Atemvolumen hinaus bis zu 3 l Luft aufnehmen (bei Leistungssportlern ist dieses Volumen noch höher). Dieses Luftvo-lumen beim tiefen Einatmen bezeichnet man als inspiratorisches Reservevolumen.

Atmen wir ganz tief aus, so können wir zusätzlich zum normalen Ausatemvolumen weitere 1 bis 1,5 l Luft als sog. exspiratorisches Reservevolumen ausatmen. Atemzugvolumen, inspi-ratorisches und exspiratorisches Reservevolumen bezeichnet man als Vitalkapazität. Sie ist bei Frauen etwas kleiner als bei Männern. Bei Sportlern kann die Vitalkapazität um bis zu 2 l erhöht sein. Die Vitalkapazität umfasst jedoch nicht das gesamte Lungenvolumen, da sich der Brustkorb nicht beliebig komprimieren lässt. Das Restvolumen, das auch nach maximalem Ausatmen in der Lunge verbleibt, bezeichnet man als Residualvolumen. Es beträgt ca. 1,5 l. Lunge und Luftwege können also nie ganz geleert werden.

Addiert man Vitalkapazität und Residualvolumen, so erhält man die Totalkapazität der Lunge. Sie beträgt bei einem Jugendlichen im Alter von 13–15 Jahren (abhängig von Geschlecht, Körpergröße, Konstitution, Trainingszustand etc.) im Schnitt 4–5 l.

Vorschläge für Ihre UnterrichtsgestaltungVoraussetzungen der Lerngruppe

Für die Einheit ist es vorteilhaft, wenn die Lernenden einen guten Überblick über den Bau des menschlichen Körpers haben und Organe wie Haut, Gehirn, Herz, Magen, Lunge, Niere benennen sowie verorten können. Ferner sollten die Schüler damit vertraut sein, in Klein-gruppen nach Anweisung weitgehend eigenständig zu arbeiten, Versuche durchzuführen, Beobachtungen zu dokumentieren und auf geeignete Hilfsmittel wie Schulbücher, das Internet oder Lexika zurückzugreifen.



Tipps zur Differenzierung

Ihnen stehen folgende Möglichkeiten zur Differenzierung der Einheit zur Verfügung:

· Beschränken Sie die Anzahl der Stationen und geben Sie eine bestimmte Anzahl an Pflicht- und Wahlstationen vor. Dann können an leistungsstärkere Schüler zusätzliche Erwar-tungen gestellt und weitere Stationen eingefordert werden.

· An den Stationen 1 (M 4), 2 (M 5), 3 (M 6), 4 (M 7) und 8 (M 11) werden Expertenaufgaben angeboten. Diese können freiwillig von leistungsstärkeren Schülern beantwortet werden.

· Bei leistungsschwächeren Klassen oder Klassen, die eigenständiges Arbeiten noch nicht gewohnt sind, können Sie sogenannte Meilensteine einbauen: Diese erfolgen nach jeder Schulstunde in Form einer Zäsur, in der die Gruppen von ihrer Arbeit im Stationenlernen berichten und sich über aufgetretene Schwierigkeiten sowie Tipps zu den einzelnen Stati-onen austauschen.

Aufbau der Reihe

Der Einstieg in die Reihe erfolgt durch ein Brainstorming, bei dem Schüler alle Begriffe, die ihnen zum Thema „Atmung des Menschen“ einfallen, an der Tafel sammeln. Anschließend bringen die Schüler ihre Vorstellungen zum Aufbau unserer Atemorgane und dem Weg der Atemgase durch unseren Körper zu Papier (Arbeitsblatt M 1). Der Aufbau der Atemorgane wird anschließend gemeinsam besprochen, bevor die Schüler mithilfe des Vor- und Nach-tests M 2 ihr Vorwissen zum Thema „Atmung“ überprüfen und somit ihren Leistungszu-wachs während der Einheit nachvollziehen können.

Im Stationenlernen (M 3–M 12) beschäftigt sich die Klasse in Gruppenarbeit an neun Stati-onen mit der Atem- und Pulsfrequenz (Stationen 1–2), mit dem Weg der Atemluft durch unseren Körper (Station 3), mit der Temperatur der Einatem- und Ausatemluft (Station 4), mit dem Brustumfang beim Atmen (Station 5), mit dem Atemvolumen (Station 6), mit dem Vergleich der Ausatem- und Einatemluft (Station 7), mit dem Sauerstoffbedarf verschiedener Lebewesen (Station 8) und mit dem Gasaustausch in Lunge und Körpergewebe (Station 9). Als Pufferstationen dienen zwei Arbeitsblätter mit einem Quiz und einem Rätsel (Zusatzma-terial auf CD ( )).

Nach jeder Station kontrollieren die Schüler ihre Ergebnisse selbstständig mithilfe von Lösungskarten. Die Stationsübersicht M 3 dient als Checkliste. In der Abschlussstunde wird der Vor- und Nachtest M 2 erneut zur Selbsteinschätzung eingesetzt.

Diese Kompetenzen trainieren Ihre SchülerDie Schüler …

· können den Weg der Atemluft beschreiben.

· sind in der Lage, Brust- und Bauchatmung voneinander abzugrenzen.

· können erklären, an welchen Stellen im Körper welcher Gasaustausch erfolgt.

· können die Zusammensetzung der ein- und ausgeatmeten Luft systematisch hinsichtlich ihrer prozentualen Zusammensetzung beschreiben.

· können den Zusammenhang von Atem- und Pulsfrequenz erfassen und erläutern, welche Auswirkungen körperliche Anstrengung auf die Atemfrequenz hat.

· wenden systematisch naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen an und erweitern ihre Kenntnisse hinsichtlich einer erfolgsorientierten Vorgehensweise.

· können mit anderen Schülern konstruktiv zusammenarbeiten, sich in gemeinsame Arbeitsteams einbringen und auftretende Problemsituationen erfolgsorientiert angehen.

Ideen für die weitere Arbeit

Die Einheit bzw. der eine oder andere Baustein kann auch in Form eines Projekts durchge-führt werden. Hierfür wären die folgenden Themen denkbar: „Atmung und Gesundheit“ oder „Konzen tration, Entspannung und Atmung“.



Medientipps

Literatur für Schüler

Brehme, Siegfried; Meincke, Irmtraut (Hrsg.): Wissensspeicher Biologie. Verlag Volk und Wissen. Berlin 1998.

Besonders auch für junge Leser geeignetes Nachschlagewerk mit kurzen, verständli-chen Informationen zu vielen Gebieten der Biologie.

Literatur für Lehrer

Hattie, John: Lernen sichtbar machen. Schneider Verlag. Hohengehren 2013.

In diesem Werk werden über 50.000 große empirische Studien zum Unterrichtserfolg ausgewertet und es wird herausgearbeitet, was im Unterricht im Hinblick auf Lernerfolge messbar wird. Man erhält dadurch sehr viele Anregungen für den eigenen erfolgreichen Unterricht.

Markl, Jürgen (Hrsg.): Purves, Biologie. Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg 2011.

Nachschlagewerk mit didaktisch gut aufbereiteten Texten und hervorragenden Abbil-dungen, auch zur Funktionsweise der menschlichen Lunge.

Schmidt, Robert F. (Hrsg.): Physiologie des Menschen mit Pathophysiologie. Springer Verlag. Heidelberg 2010.

Das Standardwerk ist didaktisch bestens aufgebaut und stellt auch komplexe Sach-verhalte sehr gut verständlich dar. Empfehlenswert als Nachschlagewerk zum Thema „Atmung beim Menschen“.

Filme

Die Atmung, DVD, 2005, ca. 20 min, Hagemann Verlag. FWU-Nr. 4654008

Der Film gibt einen guten Überblick über den Aufbau und die Funktion der Lunge. In den anschließenden Abschnitten werden der Weg der Atemluft sowie die Vorgänge des Gasaustauschs in der Lunge – didaktisch gut aufbereitet – visualisiert. Das Ein- und Ausatmen wird durch Versuche verdeutlicht. Auch Erkrankungen des Atmungssystems werden besprochen.

Der Stoffwechsel der Tiere. Die Atmung, DVD, 2000, ca. 23 min, Hagemann Verlag. FWU-Nr. 4667849

Hier erhält man einen recht guten Überblick über den Aufbau und die Funktionsweise der verschiedenen Atmungsorgane im Tierreich (Lungen, Tracheen, Kiemen, Hautatmung). Dies kann zur Erweiterung der Thematik „Atmung beim Menschen“ eingesetzt werden.

Lunge, DVD, 2013, ca. 4 min, JPP Medien. FWU-Nr. 4670351

Der Film zeigt den Weg der Luft in die Lunge, die Verteilung von Sauerstoff im Körper und den Transport von Kohlenstoffdioxid nach außen. Auch auf den Aufbau der Lunge und den täglichen Sauerstoffbedarf wird eingegangen.

Das Wunder der Lunge, DVD, 2011, ca. 7 min, Lungenliga Schweiz. FWU-Nr. 4667278

Der Film erklärt nicht nur die Funktionsweise und den Aufbau der Lunge, sondern infor-miert auch über den Einfluss von Schadstoffen auf die Leistungsfähigkeit und mögliche Vorbeugungs- und Schutzmaßnahmen. Der Film kann im Anschluss an die Einheit einge-setzt werden.



Die Reihe im Überblick

· V = Vorbereitung SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt

· D = Durchführung LEK = Lernerfolgskontrolle = Zusatzmaterial auf CD

Stunde 1: Vor- und Nachtest

Material Thema und Materialbedarf

M 1 (Ab) Wie stellst du dir unsere Atmung vor?

r1 Rolle Packpapier r2 Filzstifte

M 2 (LEK) Teste dich selbst! – Was weißt du alles über die Atmung des Menschen?

Stunden 1–8: Stationenlernen „Halt mal die Luft an! – Die Atmung des Menschen“

Material Thema und Materialbedarf

M 3 (Ab) Stationsübersicht: Halt mal die Luft an! – Die Atmung des Menschen

M 4 (SV)

· V: 5 min

· D: 15 min

Station 1: Wie häufig atmet ihr pro Minute?

r1 Stoppuhr

M 5 (SV)

· V: 5 min

· D: 15 min

Station 2: Welcher Zusammenhang besteht zwischen eurer Atem- und Pulsfrequenz?

r1 Stoppuhr

M 6 (Ab) Station 3: Welchen Weg nimmt die Atemluft im Körper?

M 7 (SV)

· V: 5 min

· D: 10 min

Station 4: Welche Temperatur hat die Einatemluft und welche die Aus atemluft?

r1 Thermometer rBiologiebücher

M 8 (SV)

· V: 5 min

· D: 15 min

Station 5: (Wie) Verändert sich der Brustumfang beim Atmen?

r1 Maßband oder 1 Stück Schnur mit Metermaß

r1 Skelett des Menschen oder 1 Modell zur „Brustatmung“

revtl. Internetzugang oder Fachbücher

M 9 (SV)

· V: 5 min

· D: 25 min

Station 6: Wie groß ist euer Atemvolumen?

r1 Glas- oder Kunst-stoffglocke mit Literan-gaben (Spirometer)

r1 große Kunststoff-wanne (10–20 l)

r1 gebogenes Glasrohr

r3 Porzellanschiffchen

r1 Wasserstrahlpumpe

rLeitungswasser

r1 Haushaltsmessbecher (1 l)

r1 Kunststoffschlauch (ca. 1 m lang)

r1 Mundstück (pro Schüler)

M 10 (SV)

· V: 5 min

· D: 15 min

Station 7: Wir untersuchen die eingeatmete und die ausgeatmete Luft

r2 Teelichter

r4 Bechergläser (200 ml)

r1 Packung Streichhölzer

r1 Stoppuhr

r1 feuerfeste Unterlage



M 11 (Ab) Station 8: Wie viel Sauerstoff benötigen verschiedene Lebewesen?

M 12 (Ab) Station 9: Gasaustausch in der Lunge und im Körpergewebe

(LEK) Wo stehen die Begriffe? – Die Atmung

(LEK) Richtig oder falsch? – Der Weg der Atemluft

Dein Bio-Lexikon – Begriffe von A bis Z

MinimalplanBei wenig Zeit können Sie den Vor- und Nachtest M 2 als Hausaufgabe einsetzen oder ganz wegfallen lassen und nur mit Arbeitsblatt M 1 in die Unterrichtsreihe einsteigen. Das Stati-onenlernen M 3–M 12 können Sie um zwei Stunden verkürzen, indem Sie auf die Stationen M 4, M 5 und M 7 verzichten.

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Auszug aus:

Das komplette Material finden Sie hier:

Halt mal die Luft an! - Atmung beim Menschen

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