Forschendes Lernen mit Ernstcharakter – elektrische Ladungstrennung bei der Gerinnung von Blut Peter Eyerer, Dörthe Krause, Peter Elsner, Sebastian Eyerer, Gisela König TheoPrax Zentrum und TheoPrax Stiftung www.theo-prax.de und www.theoprax-stiftung.de Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT www.ict.fraunhofer.de

Fraunhofer ICT TheoPrax Wehrtechnik, Umwelt- und Polymer Engineering 450 Mitarbeiter, 26 Mio € Umsatz (eV!)

Inhalt Jugend lernt Technik und forscht begeistert! Ausgangslage – Schule und Forschung Einführung ins fachliche Thema Fachübergreifendes forschendes Lernen mit SchülerInnen am Thema Durchführung mit SchülerInnen Fachliche Ergebnisse Ausblick und Vision

Jugend lernt Technik und forscht begeistert!

Jugend lernt Technik und forscht begeistert! TheoPrax = Methodenmischung darin: Lehr-/studienplanintegrierte Projektarbeit im betreuten Team an Industrie- und /oder Forschungs-Themen Angebots-Auftrags-Verhältnis (Ernstcharakter)

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Ausgangslage – Schule Praxisbezug im Unterricht Projektorientierte Unterrichtseinheiten Einbeziehung von externen Partnern Fächerverbünde – z. B. NWT Klassenstufe 8, 9, 10 (Baden-Württemberg): 4 Pflicht-Wochenstunden P-Seminar (30 von 900 Punkten)und W-Seminar (60 von 900 Punkten)(Bayern) abiturrelevanter Seminarkurs (Baden- Württemberg) (60 von ca. 860 Punkten) geplant ab 2010: Projektarbeit als Pflicht in Oberstufe in Nordrhein-Westfalen Projektfach in Schleswig-Holstein Seminarfach in Thüringen

Zwischenbilanz März 2009 TheoPrax Methodik Ausgangslage – Schule Zwischenbilanz März 2009 TheoPrax Methodik ca. 300 Projekte erfolgreich abgeschlossen, mit Themen aus Industrie, Forschung, Kommunen davon 20 Großprojekte z. B. Landesstiftung BaWü - SchülerInnen forschen an Technikthemen BMBF – Nachwuchs und Materialforschung, mit über 200 SchülerInnen aus 5 Bundesländern BMBF/BLK – nachhaltige Schülerfirmen BMBF/LeLa – Forschung-Schule-Umwelt Brasilien seit 2006 Einführung von TheoPrax Methodik in 2 Bundesstaaten an 15 SENAI-Technikerschulen (Bahia, Rio Grande do Sul)

Ausgangslage – Forschung Beispielthemen, an denen SchülerInnen forschend beteiligt waren (Auswahl): Bruchflächendarstellung von Sheet Molding Compound (ICT) Temperatur Minimierung von Lasergasen (Trumpf) Faserverbundwerkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe– Materialentwicklung (BMBF) Thema heute: Elektrische Ladungstrennung an wandernden Phasenfronten bei der Gerinnung von Blut (ICT)

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Ausgangslage – Themenbezogene Forschung Stand der Technik zum Thema Ladungstrennung Costa Ribeiro, Sao Paulo: Carnauba Wachs ab 1944 Workman / Reynolds, USA: Wasser / Eis 1950 Eyerer, Uni Stuttgart: Kunststoffe 1969, 1985 Eyerer et al., Fraunhofer ICT: Blutgerinnung 2007/2008

Prinzip des Effekts I + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Elektro- ­ fest + + + + + + + + + + + + + + + + + Phasen- front + Elektro- meter flüssig ­ +

Grundprinzip bei Frieren von Wasser – +

Versuchsaufbau für Kunststoffe Versuchanordnung für elektrische Messungen während der Aushärtung des Epoxidharz-Systems (Amid, Amin) 1 Epoxidharz-System 2 Elektroden 3 Abstandhalter (Glimmer, Polyimid) 4 Schutzring 5 O-Ring 6 elektrischer Anschluss 7 Isolierplatte (PTFE oder PF) durchströmt oder elektr. beheizt 8 Heizkammer

Messergebnisse Kunststoffe Vernetzungspotentiale von ungesättigtem Polyester (UP) +2% Benzoylperoxid als Funktion der Zeit mit Differenztemperatur als Parameter ­ UP-Dicke 2 mm ­ wärmere Elektrode 70 °C

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Fachübergreifendes forschendes Lernen am Thema »Läßt sich Ladungstrennung auch bei der Gerinnung von Blut nachweisen?« Integrierte Fachbereiche: Physik (z. B. Strom, Spannung, Messtechnik, Widerstände, Ladungen, Abschirmung) Chemie (z. B. Elektrochemie, Kunststoffkunde, Vernetzung, Aushärtung) Biologie (z. B. Blut-Gerinnung, Gerinnungsabläufe, Blutplasma, Inhibierung) Mikrosystemstechnik (z. B. Elektroden-Anordnung, Messaufbau)

Fachübergreifendes forschendes Lernen am Thema »Läßt sich Ladungstrennung auch bei der Gerinnung von Blut nachweisen?« Methodenlernen: wissenschaftliches Arbeiten (Recherchieren, Versuchsplanung, Experimentieren, Dokumentation, Auswertung, Interpretation, Statistik) Projektmanagement (Recherchieren, Planung, Kommunikation, Teambildung, Kreativität, Konflikte, Controlling, Kosten, Präsentation, Bericht, Reflexion)

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Durchführung mit SchülerInnen 2 lehrplanintegrierte, abiturrelevante Seminarkurse 2 ausserschulische Freizeitkurse mit Schülerinnen Klasse 9-11 1 Science Academy Baden-Württemberg Gesamtanzahl der Schüler: 45 Teilweise beteiligte Lehrer: 4 Beteiligte Externe (Ärzte, Chemiker, Physiker): 5 Dauer der Versuche/Kurse: 2 x 12 Wochen, 2 x ein Schuljahr, 1 x Sommerferienkurs Abschluss: Jeweils Abschlussbericht der einzelnen Gruppen, Abschlusspräsentation und Kolloquium

Durchführung mit SchülerInnen Vorversuche mit Wasser/Eis Vorversuche mit inhibitiertem Blutplasma aktivierbar mit CaCl2

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Messaufbau – Ladungstrennung bei der Gerinnung von Blutplasma

Fachliche Ergebnisse – Gerinnungsstrom IG von Blutplasma (Eyerer et al. 2008) Inhibiertes Blutplasma, initiiert mit Calziumchlorid CaCl2 Strommessung mit Goldelektroden und Ringerlösung, CaCl2 Zugabe optische Wegmessung der Gerinnungsfront Stromkurve

Gerinnungsfront bei Blutplasma

Fachliche Ergebnisse – Untersuchungen ab März 2009 Gleichzeitige Erfassung in einer Glassküvette von Gerinnungsstrom IG NIR Spektroskopie mikroskopische Gerinnungsfront- wanderung von Auge oder

Inhalt Jugend lernt Technik und forscht begeistert! Ausgangslage – Schule und Forschung Einführung ins fachliche Thema Fachübergreifendes forschendes Lernen mit SchülerInnen am Thema Durchführung mit SchülerInnen Fachliche Ergebnisse Ausblick und Vision Quelle: http://ipkitten.blogspot.com/2006/03/stuck-in-mdu-parties-in-court-with.html

Ausblick und Vision pädagogisch: Schüler lernen motivierter und effizienter didaktisch: Lehrer hat andere und mehr Arbeit methodisch: beide Gruppen erarbeiten forscherisches und anwendungsorientiertes Problemlösungsverhalten fachlich: fachübergreifende Sichtweisen mit der Chance zu breitem und tiefem Wissen praktisch: in-vivo Verfolgung von Blutgerinnsel um Stents und Bypässe

»Man wird im allgemeinen durch die Gründe, Unsere Überzeugung »Man wird im allgemeinen durch die Gründe, die man selbst gefunden hat, besser überzeugt als durch die, welche im Geiste anderer entstanden sind.« (Blaise Pascal, 1623-1662)

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Weitere Informationen finden Sie unter www.theo-prax.de www.theoprax-stiftung.de www.ict.fraunhofer.de

Kombinierte Lehr- und Lernkultur generiert Unternehmer TheoPrax – Was ist das? Kombinierte Lehr- und Lernkultur generiert Unternehmer Frontalunterricht, Vorlesung passiv zuhören & sehen kompakte, strukturierte Wissensvermittlung sozial isoliert Kurzzeitspeicherung Lehre im Dialog diskutieren Wissen hinterfragen und bewerten Gesprächskultur üben projektorientierte Gruppenübung aktiv Fragen stellen Wissen erwerben & verarbeiten Gruppenprozess üben Ideensimulation Projektarbeit mit Ernst- charakter im Team fachübergreifendes Umsetzen Wissen anwenden + generieren zusammenarbeiten Realität erleben und begreifen Verantwortung übernehmen Entrepreneur Freude am Erfolg Systemdenken Mut zum Risiko soziales Engagement Selbständigkeit Wissen und Fähigkeiten umsetzen zu Produkten Problemlösen

Lerneffizienz: Wissensvergleich Frontalvorlesung – TheoPrax Methodik Beispiel: Studenten 5. und 6. Semester Maschinenbau/Kunststoffkunde Universität Stuttgart - Erfassung in den Jahren 1996/1997, 2003/2004 und 2005/2006 über anonymen Wissensfragebogen Lehr-Lern- Methode Lerneffizienz Frontale Wissens- vermittlung TheoPrax Methodik vor WS nach SS prozentual richtige Antworten (Wissen) 18 31 20 47 Notendurchschnitt 3,3 2,0 ergänzend: Kompetenzen in Projektmanagement Sozialem vernetzte Themen Industriekontakten Behauptung: Speicherung im Langzeitgedächtnis etwas aufwändiger für Studenten Dozentenaufwand sehr viel größer