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Sachunterricht

Bionik-Experimente: Wenn Biologie auf Technik trifft

Wenn Natur und Technik aufeinandertreffen, können sich bereits Grundschüler für wissenschaftliche Experimente begeistern. Bionik bietet im Sachunterricht der 3./4. Klasse ein weites Forschungsfeld für naturwissenschaftliches Arbeiten und Lernen.

Sachunterricht: Bionik-Experimente: Wenn Biologie auf Technik trifft Den Lotuseffekt kann man auch mit heimischen Pflanzen demonstrieren: hier ein Frauenmantelblatt auf dem Wasser abperlt © Chris - Fotolia.com

„Gestern, als ich mit meinen Eltern in der Waschstraße war, ist danach der Regen vom Auto abgeperlt. Das hat bestimmt auch etwas mit dem Lotuseffekt zu tun“, verkündet Markus im Erzählkreis seinen Klassenkameraden. Seit sich die vierte Klasse im Sachunterricht mit Phänomenen aus der Bionik beschäftigt, kommen die Schüler täglich mit neuen Erkenntnissen in die Schule. Viele sind sehr interessiert, noch mehr technische Neuerungen kennenzulernen, die aus der Natur abgeschaut wurden. So vereint der Begriff „Bionik“ Biologie und Technik. In der Verknüpfung der beiden Wissenschaften werden durch die Beobachtung der Natur wichtige Erkenntnisse für Technik gewonnen.

Um Schüler für naturwissenschaftliche Phänomene im Sachunterricht zu begeistern, eignen sich Experimente oder Erkenntnisse der Bionik. Die Skepsis mancher Kollegen, dass Schüler der Grundschule diese Inhalte noch nicht verstehen könnten, ist sehr schnell verflogen, wenn man Schüler beim begeisterten Forschen und Experimentieren beobachtet hat. Laut Forschungsstudien haben sich die kognitiven Entwicklungsstadien vorverlegt, sodass bereits Grundschulkinder wissenschaftliche Erkenntnisse verstehen, oftmals sogar erklären können.

Bionik — der Natur in den Bauplan geschaut

Schon Leonardo da Vinci forschte im Gebiet der „Bionik“, ohne dass dieser Forschungsbereich damals bekannt war. Er studierte den Vogelflug, um nach dessen Vorbild erste Fluggeräte, Fallschirme und Hubschrauber zu bauen. Leider fehlten ihm die technischen Mittel zur Umsetzung, die heute möglich sind. Doch auch nachfolgende Generationen passten die Konstruktion von Fluggeräten an die Studien des Vogelflugs an. Durch immer bessere Technik hat die Forschung viele Neuentwicklungen der Natur abgeschaut: beginnend beim Klettverschluss angelehnt an die Klettpflanze, über verbesserte Schwimm- und Flugtechniken bis hin zu Leichtbauweisen nach Pflanzenart.

Weiterführende Links:

Experimente zur Bionik.

Lehrerfortbildung Bionik.

Unterrichtsmaterial zur Bionik.

Viele Infos finden sich auch hier.

Neben der Vermittlung von natürlichen Vorbildern und den technischen Fortschritten kann der Bionik-Unterricht durch Experimente und Erkenntnisse der Schüler bereichert werden.

Die Natur als Vorbild für technische Konstruktionen — Experimente

Beim naturwissenschaftlichen Arbeiten gehen die Experimentierenden von einem Problem aus, stellen Vermutungen an, führen einen Versuch durch, nach dessen Beobachtung sie versuchen, ihn zu erklären. Ebenso können die Schüler zu Fluggeräten forschen.
Erste Erkenntnisse zu Eigenschaften von Luft helfen auf der Suche nach dem optimierten Papierflieger als Vorbild eines Flugzeugs.

Durch das Wiegen eines leeren und aufgeblasenen Luftballons erfahren die Schüler, dass Luft ein Gewicht hat. Wenn die Schüler mit einem aufgespannten Schirm über den Schulhof rennen, spüren sie die Kraft, die bewegte Luft hat. Um die Flugeigenschaften zu benennen, erklären die Schüler, was sie beim Beobachten eines fliegenden Vogels gesehen haben. Schnell werden die Gemeinsamkeiten von Flugzeug und Vogel klar. Ein Flugzeug muss ebenso wie ein Vogel windschnittig sein, Flügel in Form von Tragflächen besitzen, ähnlich der Schwanzfedern mit einem Höhenruder ausgestattet sein und ein geringes Gewicht haben.

Nach diesen Erkenntnissen werden die Schüler zu meisterhaften Papierflugzeugforschern — und sicher den Meister des Langstreckenflugs am Ende der Experimentierphase auf dem Schulhof küren.

Zur Flugtechnik sind ebenso Versuche mit Flugsamen von Bäumen spannend durchzuführen und gegebenenfalls mit Papier nachzubauen.

Erkenntnisse zur wasserabweichenden Oberfläche sammeln die Schüler durch das Benetzen von verschiedenen Materialien mit Wasser aus einer Pipette. Neben Blättern eignen sich alle Materialien ihrer Textilien bis zu Kerzenwachs. Schnell erkennen sie, dass der sogenannte Lotuseffekt von der Lotusblume kommt, die eine wachsähnliche Schicht besitzt.

Um die Wärmedämmung beim Eisbären zu erforschen, müssen sie Kenntnisse über sein Fell und seine Haut erwerben. Es wird für viele Schüler überraschend sein, dass der Eisbär unter seinem weißen Fell schwarze Haut hat. Sicher ahnen bereits viele Schüler beim Experiment von Wasser in einer schwarzen und einer weißen Flasche, dass sich das Wasser in einer schwarzen Flasche durch Sonneneinstrahlung schneller und stärker erhitzt als in der weißen Flasche. Mit dieser Erkenntnis forschen die Wissenschaftler an einer Wärmedämmung für Häuser.

Weiterhin ist das Blatt einer Palme Vorbild für Stabilität. So können die Schüler beim Bau einer Brücke aus Papier erkennen, dass ein gefaltetes Blatt mehr Stabilität beim Brückenbau aufweist.

Spannend sind die Experimente mit rohen Eiern. Die Schüler werden sehr erstaunt sein, wie viel Gewicht auf ein Ei gestellt werden kann, ohne dass es zerbricht. Das Geheimnis hier ist die Verteilung des Drucks aufgrund der runden Schale. Diese Erkenntnis erinnert an ein Iglu, welches sehr stabil ist. Viele Architekten konstruierten inzwischen eiförmige Dächer.

Hightech aus der Natur

Neben Versuchen, um Bionik handlungsorientiert zu erfahren, sind viele Schüler an weiteren, in der Schule (leider) nicht durchführbaren technischen Experimenten interessiert. Hier eignen sich Bücher oder Karteien zum Thema. Es lohnt sich ebenso, im Internet zu folgenden Natur- und Technikpartnern zu forschen: die aus der Anschauung der Haut des Hais entwickelte Ribletfolie für Flugzeuge, die Treibstoff sparen lässt, die Ultraschallwellen als Einparkhilfen beim Auto ähnlich der Fledermaus-Sinne, ein Klebeband ähnlich der Struktur des Geckofußes, das große Haftkraft entwickelt, Belüftungen für Häuser angelehnt an den Bau eines Präriehundes oder Messer so scharf wie Rattenzähne.

Wenn die Schüler im Forscherfieber sind, werden sie sicher noch viele weitere Beispiele erforschen und in den Unterricht einbringen können.

Marion Keil

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