Abbildung 2: Vereinfachte Darstellung der Funktionsweise einer Aquaponikanlage.

Das Aquaponik-Naturmodell – Angewandtes Lernen im Schulzimmer

Das Aquaponik-Naturmodell ermöglicht, Kreisläufe und Zusammenhänge in der Natur anschaulich im Unterrichtszimmer zu vermitteln. Zudem dient das Naturmodell als Ausgangspunkt, um diverse Themen der naturwissenschaftlichen Fächern aus dem Lehrplan 21 miteinander zu verknüpfen.

Die Lernumgebung „Naturmodell“

Das Naturmodell ist eine kleine Aquaponikanlage (Abbildungen 1 und 2). Diese Kreislaufanlage besteht hauptsächlich aus Fischen, Bakterien und Pflanzen (Abbildung 2). Durch diese Hauptorganismen verdeutlicht das Naturmodell beispielhaft, wie Organismen in der Natur miteinander in Beziehung stehen.

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Abbildung 1: Unser Naturmodell, die kleine Aquaponikanlage.
Abbildung 1: Unser Naturmodell, die kleine Aquaponikanlage.
Aquaponik“ ist ein Schachtelwort, bestehend aus Aquakultur (Fischzucht) und Hydroponik (Pflanzenanbau ohne Erde). Das beleuchtete Pflanzbeet befindet sich über dem Fischaquarium.
Abbildung 2: Vereinfachte Darstellung der Funktionsweise einer Aquaponikanlage.
Abbildung 2: Vereinfachte Darstellung der Funktionsweise einer Aquaponikanlage.
Der Fisch erhält Fischfutter. Ein Teil dieses Futters verbraucht der Fisch für seinen Körperaufbau und seine Körperfunktionen. Der Rest wird als Kot in das Wasser abgegeben. Bakterien im Pflanzbeet wandeln die Stickstoffverbindungen im Fischkot zu Nährstoffen um, die von Pflanzen über die Wurzeln aufgenommen werden können. So wird das Wasser wieder gereinigt. Der Mensch kann den Fisch und die Pflanzen als Nahrungsmittel nutzen.

Das Naturmodell hilft den Lehrpersonen das Wissen über unsere Natur und Umwelt mit ihren Kreisläufen und Stoffflüssen anschaulich zu vermitteln. Dabei ermöglicht es diverse Themen des Lehrplans 21 aus den Fachbereichen Natur, Mensch, Gesellschaft (im 1. und 2. Zyklus) und Natur und Technik (im 3. Zyklus) anzusprechen und miteinander zu verknüpfen.

Die Schülerinnen und Schüler entdecken mit dem  Naturmodell, wie Lebewesen voneinander und von ihrer Umgebung abhängen. Zudem vereinfacht das Naturmodell den Schülerinnen und Schülern den Zugang zu Stoffflüssen und -kreisläufen. Die Auseinandersetzung mit dem Naturmodell soll die Fähigkeit, Zusammenhängen zwischen Lebewesen und ihrer Umgebung in der Natur zu erkennen, fördern.

Pilotphase der Umsetzung

In Aquaponik wachsen Pflanzen bis zu doppelt so schnell wie in Erde.
In Aquaponik wachsen Pflanzen bis zu doppelt so schnell wie in Erde.

Die Pilotphase dient zur Erprobung des Naturmodells in der Schule und soll im Rahmen einer Projektwoche stattfinden. In dieser Projektwoche legen wir den Fokus auf einen kompetenzorientierten Unterricht mit Einbezug diverser Themen aus dem Lehrplan 21. Dabei sieht die grobe Planung des Unterrichts in dieser Projektwoche wie folgt aus:

Am ersten Tag der Projektwoche steht die Aquaponikanlage und ihre Funktionsweise im Zentrum. Gemeinsam mit den Schülerinnen und Schülern erarbeiten wir durch gezielte Fragestellungen das Verständnis für diese Anlage. DesweiterenWeiter werdenird auf die Vor- und Nachteile einer Aquaponikanlage als Nahrungsmittelproduktionsanlage eingegangen und diese diskutiert.

Für die nächsten Tage der Projektwoche stellen wir Module mit unterschiedlichen Themenschwerpunkten zur Verfügung. Ein Modulthema kann einen ganzen oder einen halben Tag umfassen. Diese Module sind nach Belieben in der Projektwoche kombinierbar, da für alle Module das Naturmodell der Ausgangspunkt darstellt.

Beispiele möglicher Modulthemen:

  • Der Stickstoffkreislauf im Naturmodell und in der Natur
  • Der Bach als Lebensraum
  • Vergleich natürlicher und künstlicher Lebensräume
  • Einflüsse der Menschen auf die Natur
  • Die moderne Landwirtschaft
  • Herkunft und Umgang mit Lebensmitteln

In geführten Exkursionen und eigenständigen Arbeiten vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihr Verständnis für die Natur und Umwelt.

Mit künstlicher Beleuchtung und natürlichen Nährstoffen wachsende Pflanzen.
Mit künstlicher Beleuchtung und natürlichen Nährstoffen wachsende Pflanzen.

Zur Sensibilisierung der Schülerinnen und Schüler für umweltbewusstes und nachhaltiges Handeln, denken sie in Diskussionsrunden über die Verhaltensweisen und die Einflüsse des Menschen auf diverse Lebensräume, Tiere und Pflanzen nach. Anschliessend suchen wir gemeinsam nach möglichen Lösungen und Verbesserungsmöglichkeiten.

Nach der Pilotphase evaluieren wir gemeinsamen mit den beteiligten Lehrpersonen, wie praxistauglich das Modell für den schulischen Einsatz ist. Falls sich das Naturmodell bewährt, ist unsere Vision, das Naturmodell als Hilfsmittel auch für den regulären Schulunterricht zur Verfügung zu stellen.

Zudem streben wir an, weitere Projektwochen unter Verwendung des Naturmodells mit denselben, erweiterten oder neuen Modulthemen zu erstellen.

Das fertiggestellte Naturmodell wird von uns einsatzbereit mitgebracht. Auf Wunsch kann es jedoch auch erst in der Schule in Betrieb genommen werden.

Zielgruppe der Projektwoche

Die Zielgruppe umfasst alle Altersgruppen der Schülerinnen und Schüler der obligatorischen Schule. Die verschiedenen angesprochenen Themen können in ihrem Schwierigkeitsgrad und ihrer Komplexität auf die jeweilige Schulstufe angepasst werden. Die Pilotphase der Projektwoche richtet sich vorerst auf den 3. Zyklus (Oberstufe) aus.

Hydrokultur trifft auf Hydroponik.
Hydrokultur trifft auf Hydroponik.

Vorbereitete Unterrichtsmaterialien

Für die Lehrpersonen werden auf unserer Website vorbereitete Unterrichtsblätter und Ideen für die Gestaltung der Projektwochenmodule passwortgeschützt zur Verfügung gestellt. Zudem werden Vorschläge für Exkursionsorte und ein Beispiel für die Strukturierung einer Projektwoche auf der Webseite bereitgestellt. Die Exkursionen können von uns oder durch die Lehrpersonen durchgeführt werden. Wie die Präsenzzeit unseres Personals bei der Durchführung der Projektwoche ausfällt, hängt vom Wunsch und dem Bedürfnis der Lehrperson bzw. der Lehrerschaft ab.

Naturmodell und Lehrplan 21

Das Naturmodell vereinfacht den Schülerinnen und Schülern den Zugang zu gewissen naturwissenschaftlichen Themen, indem es Kreisläufe, Zusammenhänge und Verknüpfungen in der Natur erfahrbarer macht. Dabei ist der Hauptfokus und ein grosser Gewinn, dass diverse naturwissenschaftliche und gesellschaftliche Themen des Lehrplan 21 ausgehend vom Naturmodell angesprochen und vernetzt behandelt werden können (Tabelle 1).

Lebensmittel (Herkunft, Umgang)NMG.1.3
Lebensräume von Pflanzen und TierenNMG.2.1
Wechselwirkung zwischen Lebewesen NMG.2.1
Einflüsse der unbelebten Natur auf die LebewesenNMG.2.2
Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung (Lebewesen)NMG.2.3; NT.8.2
ArtenvielfaltNMG.2.4; NT.8.1
Einflüsse des Menschen auf die NaturNMG.2.6
Künstliche und natürliche LebensräumeNMG.2.6
NachhaltigkeitNMG.2.6; NT.3.3; NT.9.2
Bedeutung und Folgen technischer EntwicklungNMG.5.3; NT.1.3
Rohstoffkreisläufe, Produktion und Wege von Gütern NMG.6.3; NT.3.3; NT.9.2
TrennverfahrenNMG.3.4; NT.2.2
Säuren und BasenNT.3.1
EvolutionstheorieNT.8.1
Genetik und GentechnikNT.8.3
Bodennutzung NT9.2
Naturnutzung, NaturschutzNT.9.3
Thematische Begriffe aus dem Lehrplan 21, die in den Modulen zum Naturmodell thematisiert werden können. Ja, Anfrage machen für Lehrmittel

Anhang

Ergänzende Vertiefungen zur Aquaponikanlage

Das Fischfutter dient den Fischen als Nahrungsquelle und wird der Aquaponikanlage beigegeben (Abbildung 3). Die Fische verunreinigen das Wasser mit ihrem Kot, der unter anderem fischtoxische, stickstoff-haltige Stoffwechselendprodukte (Ammoniak, Ammonium) enthält. Dank spezifischen Bakterien (Nitrosomonas sp. und Nitrobacter sp.) werden diese Stickstoffverbindungen in eine für Pflanzen gut aufnahmefähigeaufnehmbare Stickstoffverbindung (Nitrat) umgewandelt. Dabei wird das Ammoniak zuerst durch die Nitrosomonas sp. in Nitrit umgewandelt und danach wandeln die Nitrobacter sp. das Nitrit zu Nitrat um. Diese Umwandlung von Ammoniak über Nitrit zu Nitrat wird Nitrifikation genannt. Indem die Pflanzen das Nitrat aus dem Wasser entnehmen und es für ihren Aufbau und ihre Funktionsweise benötigen, reinigen sie auch das Wasser . Dieses wird wieder in den Fischtank zurückgeführt. Die grossen Fische und Pflanzen oder deren Früchte können vom Menschen als Nahrungsmittel genutzt werden. Pflanzen, die im Beet der Aquaponikanlage gewachsen sind, können auch den Fischen wieder zum Verzehr gegeben werden (gelber Pfeil in der Abbildung 3). Zudem wird ein Teil des Nitrats möglicherweise mehrmals durch den Wasserkreislauf zirkulieren, bis es von der Pflanze aufgenommen wird.

Abbildung 3: Detaillierte Darstellung der Funktionsweise einer Aquaponikanlage.
Abbildung 3: Detaillierte Darstellung der Funktionsweise einer Aquaponikanlage.

Die Grundausstattung einer Aquaponikanlage besteht im wesentlichen aus einem Fischtank, und einem Gemüsebeet (Abbildung 4) und sowie eventuell aus einem Wassersammelbehälter. Zwischen diesen drei verschiedenen Behältern zirkuliert das Wasser (Kreislaufanlage).

Mittels einer Belüftung wird für die Fische ein genügend höher Sauerstoffgehalt sichergestellt. Durch ein Überlaufrohr wird das von den Fischen mit Ammoniak verunreinigte Wasser vom Fischtank in das Gemüsebeet geführt. Das Granulat des Gemüsebeets ist von den Bakterien besiedelt, die die Nitrifikation durchführen. Dabei wandeln die Bakterien im Gemüsebeet das Ammoniak zuerst in Nitrit und dann in Nitrat um. Die Pflanzen können das Nitrat aufnehmen und verwerten. Durch die Entnahme des Nitrats wird das Wasser von den Stickstoffverbindungen gereinigt. Das gereinigte Wasser fliesst direkt in den Fischtank oder in einen Wassersammelbehälter, wo es durch eine Wasserpumpe wieder in den Fischtank zurückgeführt wird.

Abbildung 4: Allgemeine Darstellung einer Aquaponikanlage mit den generellen Grundausstattungen.
Abbildung 4: Allgemeine Darstellung einer Aquaponikanlage mit den generellen Grundausstattungen.

Mögliche Modulkombination in der Projektwoche

Der Ausgangspunkt ist für jedes Modul das Naturmodell, aber die Module werden untereinander ebenfalls verknüpft (Abbildung 5). Der Begriff in der Schnittstelle der Modulthemenkreise verdeutlicht, mit welchen Themen die Module miteinander verbunden werden können.

Abbildung 5: Beispiel für eine Modulthemenkombination in einer Projektwoche.
Abbildung 5: Beispiel für eine Modulthemenkombination in einer Projektwoche.
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Quellenverzeichnis

Somerville, C., Cohen, M., Pantanella, E., Stankus, A. & Lovatelli, A. 2014. Small-scale aquaponic food production. Integrated fish and plant farming. FAO Fisheries and Aquaculture
Technical Paper No. 589. Rome, FAO. 262 pp.

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