Das Aquaponik-Naturmodell – Angewandtes Lernen im Schulzimmer

Mit dem Aquaponik-Naturmodell werden Kreisläufe und Zusammenhänge in der Natur anschaulich im Unterrichtszimmer vermittelt. Das Naturmodell ist ebenfalls Ausgangspunkt für die Verknüpfung von diversen Themen der naturwissenschaftlichen Fächer aus dem Lehrplan 21.

Die Lernumgebung „Naturmodell“ 

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

Abbildung 1: mögliche Grösse für das Naturmodell, die kleine Aquaponikanlage.

„Aquaponik“ ist ein Schachtelwort aus „Aquakultur“ (Fischzucht) und „Hydroponik“ (Pflanzenanbau ohne Erde). Das Pflanzbeet befindet sich in diesem Fall über dem Fischaquarium.

Abbildung 2: So funktioniert eine Aquaponik Anlage.

Inputs des Sysems sind hauptsächlich Fischfutter, Licht und Wärme. Ein Teil dieses Futters verbraucht der Fisch für seinen Körperaufbau und seine Körperfunktionen. Ein Teil wird als Kot in das Wasser abgegeben. Die Bakterien im Pflanzbeet wandeln die Stickstoffverbindungen im Fischkot zu Nährstoffen um. Diese werden von Pflanzen über die Wurzeln aufgenommen werden. So wird das Wasser wieder gereinigt. Der Mensch kann Fisch und Pflanzen als Nahrungsmittel nutzen.

Das Naturmodell unterstützt Lehrpersonen, das Wissen über die Natur und Umwelt mit ihren Kreisläufen und Stoffflüssen anschaulich zu vermitteln. Diverse Themen des Lehrplans 21 aus den Fachbereichen Natur, Mensch, Gesellschaft (im 1. und 2. Zyklus) und Natur und Technik (im 3. Zyklus) können behandelt werden.

Die Schülerinnen und Schüler entdecken mit dem  Naturmodell, wie Lebewesen voneinander und von ihrer Umgebung abhängen. Das Naturmodell zeigt den Schülerinnen und Schülern wie Stoffflüsse und -kreisläufe funkionieren. Die Auseinandersetzung mit dem Naturmodell fördert die Fähigkeit, Zusammenhängen zwischen Lebewesen und ihrer Umgebung in der Natur zu erkennen.

Pilotphase der Umsetzung

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.

Abbildung 3: In der Aquaponik Anlage wachsen Pflanzen deutlich schneller als in der Erde.

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.

Abbildung 4: Beleuchtung unterstützt die wachsenden 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.

indoor Aquaponik
Abbildung 5: Hydroponik und Aquakultur

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 LebewesenNMG.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 GüternNMG.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
BodennutzungNT9.2
Naturnutzung, NaturschutzNT.9.3

Thematische Begriffe aus dem Lehrplan 21, die in den Modulen zum Naturmodell thematisiert werden können.

Anhang

Ergänzende Vertiefungen zur Aquaponikanlage

Das Fischfutter dient den Fischen als Nahrungsquelle und wird der Aquaponikanlage beigegeben (Abbildung 6). Die Fische verunreinigen das Wasser mit ihrem Kot, der unter anderem fischtoxische, stickstoff-haltige Stoffwechselendprodukte (Ammoniak, Ammonium) enthält. Dank spezifischen Bakterien (Nitrosomonas spund 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 (Pfeil in der Abbildung 6). Zudem wird ein Teil des Nitrats möglicherweise mehrmals durch den Wasserkreislauf zirkulieren, bis es von der Pflanze aufgenommen wird.

Abbildung 6: Details zur Funktionsweise einer Aquaponik Anlage.

Die Grundausstattung einer Aquaponikanlage besteht im wesentlichen aus einem Fischtank, und einem Gemüsebeet (Abbildung 7) 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 7: schematische Darstellung Aquaponik

Mögliche Modulkombination in der Projektwoche

Der Ausgangspunkt ist für jedes Modul das Naturmodell, aber die Module werden untereinander ebenfalls verknüpft (Abbildung 8). Der Begriff in der Schnittstelle der Modulthemenkreise verdeutlicht, mit welchen Themen die Module miteinander verbunden werden können.

Abbildung 8: mögliche Modulthemen- Kombinationen in einer Projektwoche

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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