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Bildungsplanarbeit für die Beruflichen Gymnasien 2021
Bioinformatik
Eingangsklasse, Jahrgangsstufen 1 und 2
Fachbezogene Vorbemerkungen
1. Fachspezifischer Bildungsauftrag (Bildungswert des Faches)
Die Bioinformatik als interdisziplinäre Wissenschaft löst Fragestellungen aus den Lebenswissenschaften mit theoretischen, computergestützten Methoden. Ein prominentes Beispiel für die Bedeutung dieser Disziplin ist ihr Anteil an der Sequenzierung des menschlichen Genoms. Auch bei aktuell stattfindenden und zukünftigen funktionellen Analysen von Genom‑, Proteom- und Metabolomdaten sind bioinformatische Methoden unerlässlich. Die Bioinformatik leistet damit einen zentralen Beitrag zum Verständnis des Lebens und dem Selbstverständnis des Menschen.
Das Fach Bioinformatik gewährt den Schülerinnen und Schülern eine Orientierung bezüglich beruflicher Perspektiven im Bereich der Datenerhebung und Datenanalyse, vor allem in den Gesundheits- und Lebenswissenschaften als bedeutsamen Anwendungsbereichen einer Vielzahl informatischer Methoden. Die Bioinformatik ist somit eine wertvolle Ergänzung zu den naturwissenschaftlichen Profilfächern.
Der fächerübergreifende Unterricht ermöglicht den Schülerinnen und Schülern die englische Sprache als die „Wissenschaftssprache“ kennen zu lernen und durch deren regelmäßige Anwendung zu vertiefen. Der interdisziplinäre Charakter der Bioinformatik wird unter anderem auch durch die Querverweise zu den Bildungsplänen Biotechnologie, Chemie und Informatik als bedeutende wissenschaftliche Disziplin deutlich.
Die biologischen Fragestellungen und informationstechnischen Herausforderungen, die sich insbesondere durch das Vorhandensein großer Datenmengen ergeben, werden mithilfe bioinformatischer Methoden bearbeitet und letztendlich zielführende Antworten und Lösungen ermittelt. Zusammen mit dem Fach Informatik unterstützt das Fach damit die Entwicklung von digitalen Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler und bereitet sie auf eine zunehmend digitalisierte Lebens- und Arbeitswelt vor.
Die Auswahl der Themengebiete und die inhaltliche Gestaltung der Bildungsplaneinheiten berücksichtigt die biologischen und informationstechnischen Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler mit einem mittleren Bildungsabschluss und ist mit der Zielsetzung erfolgt, eine Weiterentwicklung ihrer fachlichen und personalen Kompetenzen zu ermöglichen.
Die Schülerinnen und Schüler werden durch die Ausbildung von inhalts- und prozessbezogenen Kompetenzen über eine kompetenzorientierte Gestaltung des Unterrichts im Fach Bioinformatik befähigt, sich aktiv an gesellschaftlichen und wissenschaftlichen Diskussionen zu beteiligen.
2. Fachliche Aussagen zum Kompetenzerwerb, prozessbezogene Kompetenzen
Inhaltsbezogene Kompetenzen
Die inhaltsbezogenen Kompetenzen orientieren sich an aktuellen biologischen Fragestellungen, vor allem aus dem Bereich der Genomik, sowie deren Lösungen durch Einsatz (bio)informatischer Methoden. Im Einzelnen ist Fachwissen aus folgenden Themenkomplexen beinhaltet: digitale Plattformen und Programme zur Protokollierung und Auswertung naturwissenschaftlicher Daten, digitale Medien zur Darstellung und Präsentation abstrakter biologischer und chemischer Prozesse, Verwaltung und Auswertung biologischer Sequenzdaten und Entwicklung bioinformatischer Programme. Die Erarbeitung der fachlichen Inhalte erfolgt exemplarisch mit dem Ziel, die einzelnen Inhalte mit informatischen Grundsätzen und biologischen Prinzipien zu verknüpfen.
Die Schülerinnen und Schüler befassen sich im Unterricht der Eingangsklasse schwerpunktmäßig mit der rechnergestützten Protokollierung, Auswertung und Präsentation von Daten. Diese Daten stammen aus einem Praktikumsunterricht oder wurden bei der Durchführung von Experimenten im naturwissenschaftlichen Unterricht gesammelt. Zudem lernen die Schülerinnen und Schüler, mithilfe geeigneter Programme, Animationen und Lernvideos zu molekular- und zellbiologischen Vorgängen zu erstellen und deren Qualität zu bewerten. Sie sind darüber hinaus in der Lage, die Qualität der verwendeten Informationen und Quellen zu beurteilen. In der Summe haben die Schülerinnen und Schüler die Gelegenheit, digitale Medien als Lernwerkzeuge und auch als Werkzeuge kooperativen Lernens für sich zu entdecken. Diese Art der Nutzung digitaler Medien im naturwissenschaftlichen Unterricht stellt als Kernkompetenz eine wichtige Grundlage für das spätere Berufsleben dar.
Der Unterricht in den Jahrgangsstufen 1 und 2 kann ohne Vorkenntnisse aus der Eingangsklasse erfolgen.
In der Jahrgangsstufe 1 steht die Analyse informationstragender Sequenzen verschiedener Arten von Biomolekülen im Vordergrund. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass solche Daten mittels international zugänglicher Datenbanken verwaltet und für eine Auswertung zur Verfügung gestellt werden. Sie können somit ihre Kompetenzen in Bezug auf das Entwickeln von zielgerichteten Abfragestrategien stärken. Des Weiteren bringen die Schülerinnen und Schüler bei der Analyse der ermittelten Datensätze ihre Englischkenntnisse ein und gelangen zu einem tieferen Verständnis der biologischen Grundlagen, die zur Beantwortung ihrer Ausgangsfragestellungen nötig sind. In der Anwendung der Methodik des Sequenzvergleichs lernen sie vor allem die Prinzipien der Mustererkennung kennen. Die Schülerinnen und Schüler können damit die Bedeutung einer systematischen Herangehensweise zur Lösung eines Problems in Form von Algorithmen einschätzen und als Kompetenz einsetzen.
Sequenzvergleiche liefern in der Jahrgangsstufe 2 Daten, die zur Rekonstruktion molekularer Stammbäume genutzt werden. Zur Beurteilung der erstellten phylogenetischen Modelle erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler Grundlagen der Evolutionstheorie und Taxonomie. Die Auseinandersetzung mit dieser Thematik verhilft den Schülerinnen und Schülern zu einer vertieften Reflexion über das Leben und das Selbstverständnis des Menschen. Zudem werden die innerhalb des Fachs Informatik vermittelten Grundkenntnisse der Programmierung in der Bioinformatik genutzt, um Anwendungsprogramme zu erstellen, die typische Probleme der Mustererkennung im Kontext der Sequenzanalyse lösen. Dazu entwickeln die Schülerinnen und Schüler schrittweise die entsprechenden Algorithmen und implementieren sie in Form von ablauffähigen Programmen.
Prozessbezogene Kompetenzen
Die Vermittlung der prozessbezogenen Kompetenzen erfolgt anhand der fachlichen Inhalte gemeinsam mit den inhaltsbezogenen Kompetenzen und setzt eine entsprechende fachdidaktische Unterrichtsgestaltung voraus.
Die Schülerinnen und Schüler strukturieren und vernetzen Daten, indem sie z. B. naturwissenschaftliche Versuchsbeschreibungen und ‑ergebnisse sammeln, dokumentieren und in eine digitale Plattform einbinden (BPE 1), indem sie Objekte für Animationen strukturiert anordnen und verknüpfen (BPE 3) und indem sie Beziehungen von Daten in Stammbaum-Hierarchien oder in taxonomischen Einordnungen erkennen und erläutern (BPE 10). Sie strukturieren und vernetzen Prozesse, indem sie z. B. dokumentierte Versuchsdaten in kausal begründeten Schritten auswerten (BPE 1 und 2), eine digitale Plattform als Schnittstelle für die arbeitsteilige Aufbereitung und Bewertung der Dokumentationen nutzen (BPE 1) und indem sie die nötigen Handlungsschritte bei der Erstellung und Auswertung von Sequenzvergleichen chronologisch und kausal ordnen (BPE 7, 8 und 9).
Die Schülerinnen und Schüler analysieren naturwissenschaftliche Problemstellungen und bereiten sie auf, indem sie z. B. für die Visualisierung abstrakter biologischer Prozesse relevante Informationen herausarbeiten (BPE 3) und indem sie Informationen zur Sequenzanalyse aus Datenbanken beschaffen und analysieren (BPE 6). Sie konzipieren und entwickeln Lösungen, indem sie z. B. Lösungsstrategien für das Erstellen von Sequenzalignments auswählen (BPE 8) und indem sie Sequenzdaten als informatische Modelle der Phylogenie von Lebewesen darstellen (BPE 10). Die Schülerinnen und Schüler implementieren, indem sie Algorithmen zur Sequenzanalyse in einer Programmiersprache codieren (BPE 11). Sie testen und reflektieren, indem sie z. B. erstellte Sequenzalignments (BPE 8) und modellierte Stammbäume (BPE 10) bewerten, sowie Fehler in der Implementierung systematisch aufspüren und beheben (BPE 11).
Die Schülerinnen und Schüler stellen Überlegungen, Lösungswege und Ergebnisse dar, indem sie z. B. fachspezifische Schreibweisen zur Darstellung biologischer Sequenzen (BPE 4) oder Programmcode (BPE 11) verwenden und indem sie Ergebnisse von Sequenzvergleichen als Alignments (BPE 8 und 9) und z. B. Phylogramme (BPE 10) unter Beachtung von Fachterminologie erläutern und strukturiert darstellen. Sie dokumentieren und kommentieren, indem sie vorhandenen Programmcode lesen und verstehen bzw. eigenen Programmcode kommentieren und dokumentieren (BPE 11). Sie arbeiten kooperativ, indem sie als Team ein digitales Laborjournal führen und die Daten arbeitsteilig aufbereiten, präsentieren und reflektieren (BPE 1). Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren in der Gesellschaft, indem sie z. B. verantwortungsvoll mit eigenen und fremden personenbezogenen Daten umgehen und Sicherheitsaspekte bei ihrem Kommunikationsverhalten berücksichtigen (BPE 1).
Die Schülerinnen und Schüler analysieren und bewerten, indem sie z. B. unterschiedliche Lösungsansätze und Vorgehensweisen bei der Durchführung von Sequenzvergleichen (BPE 7), beim Erstellen von Sequenzalignments (BPE 8 und 9) und molekularen Stammbäumen (BPE 10) miteinander vergleichen und bewerten, daraus einen Optimierungsbedarf ermitteln und Lösungswege optimieren, indem sie Einsatzbereiche und Grenzen von Modellen erkennen (BPE 8, 9 und 10), indem die Schülerinnen und Schüler Auswirkungen von Computersystemen und informatischen Modellen auf Gesellschaft, Berufswelt und persönliches Lebensumfeld aus verschiedenen Perspektiven bewerten (BPE 1, 5 und 10) und indem sie im Zusammenhang mit einer digitalisierten Gesellschaft einen eigenen Standpunkt zu ethischen Fragen in der Informatik einnehmen und ihn argumentativ vertreten (BPE 1). (vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Berufliche Informatik der KMK i. d. F. vom 10.05.2007)
Hinweise zum Umgang mit dem Bildungsplan
Der Bildungsplan zeichnet sich durch eine Inhalts- und eine Kompetenzorientierung aus. In jeder Bildungsplaneinheit (BPE) werden in kursiver Schrift die übergeordneten Ziele beschrieben, die durch Zielformulierungen sowie Inhalts- und Hinweisspalte konkretisiert werden. In den Zielformulierungen werden die jeweiligen fachspezifischen Operatoren als Verben verwendet. Operatoren sind handlungsinitiierende Verben, die signalisieren, welche Tätigkeiten beim Bearbeiten von Aufgaben erwartet werden. Die für das jeweilige Fach relevanten Operatoren sowie deren fachspezifische Bedeutung sind jedem Bildungsplan im Anhang beigefügt. Durch die kompetenzorientierte Zielformulierung mittels dieser Operatoren wird das Anforderungsniveau bezüglich der Inhalte und der zu erwerbenden Kompetenzen definiert. Die formulierten Ziele und Inhalte sind verbindlich und damit prüfungsrelevant. Sie stellen die Regelanforderungen im jeweiligen Fach dar. Die Inhalte der Hinweisspalte sind unverbindliche Ergänzungen zur Inhaltsspalte und umfassen Beispiele, didaktische Hinweise und Querverweise auf andere Fächer bzw. BPE.
Der VIP-Bereich des Bildungsplans umfasst die Vertiefung, individualisiertes Lernen sowie Projektunterricht. Im Rahmen der hier zur Verfügung stehenden Stunden sollen die Schülerinnen und Schüler bestmöglich unterstützt und bei der Weiterentwicklung ihrer personalen und fachlichen Kompetenzen gefördert werden. Die Fachlehrerinnen und Fachlehrer nutzen diese Unterrichtszeit nach eigenen Schwerpunktsetzungen auf Basis der fächerspezifischen Besonderheiten und nach den Lernvoraussetzungen der einzelnen Schülerinnen und Schüler.
Der Teil „Zeit für Leistungsfeststellung“ des Bildungsplans berücksichtigt die Zeit, die zur Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung von Leistungsfeststellungen zur Verfügung steht. Dies kann auch die notwendige Zeit für die gleichwertige Feststellung von Schülerleistungen (GFS), Nachbesprechung zu Leistungsfeststellungen sowie Feedback-Gespräche umfassen.
Eingangsklasse
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Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) |
20 |
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Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
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BPE 1 |
Dokumentation von naturwissenschaftlichen Versuchen in einem digitalen Laborjournal |
20 |
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Die Schülerinnen und Schüler nutzen eine digitale Plattform, um Versuche aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht zu protokollieren und die Versuchsergebnisse zu interpretieren. Sie erkennen, dass durch den Austausch von Materialien und durch das gemeinsame, strukturierte Bearbeiten von Aufgabenstellungen Lernerfolge verbessert werden können. Dabei lernen sie auch die für die Nutzung von digitalen Medien notwendigen Prinzipien der Datensicherheit kennen.
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BPE 1.1 |
Die Schülerinnen und Schüler stellen Ergebnisse aus naturwissenschaftlichen Versuchen in einem digitalen Laborjournal in geeigneten Dateiformaten dar und dokumentieren diese. Sie überprüfen die erstellten Dokumentationen nach dem Peer-Review-Verfahren. |
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BPE 1.2 |
Die Schülerinnen und Schüler vervollständigen die bestehende Dokumentation von Versuchen mit erläuternden Dateien. Auf dieser Basis werten sie die Versuchsergebnisse aus und nehmen Stellung zu Versuchsdurchführung und Versuchsergebnis. |
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BPE 1.3 |
Die Schülerinnen und Schüler begründen die Notwendigkeit für den sicheren Umgang mit Daten bei der Nutzung des Laborjournals als digitales Medium. Sie bewerten Richtlinien für die Vergabe von Nutzungsrechten. |
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BPE 2 |
Anwendung eines Tabellenkalkulationsprogrammes zur Auswertung und Darstellung von naturwissenschaftlichen Daten |
10 |
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Die Schülerinnen und Schüler wenden ein Tabellenkalkulationsprogramm zur Erfassung und Darstellung naturwissenschaftlicher Daten an. Sie gewinnen die Erkenntnis, dass die durch das Programm gegebenen Auswertungs- und Darstellungsmöglichkeiten die Aufbereitung der Daten verbessern können. Dabei vertiefen sie ihr eigenes Verständnis für das Datenmaterial und dessen Interpretation. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass durch die Form der Darstellung die Interpretation der Daten bis zu einem gewissen Maß gelenkt werden kann. So werden sie im Umgang mit entsprechenden Diagrammen in Bezug auf deren Interpretation sensibilisiert.
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BPE 2.1 |
Die Schülerinnen und Schüler stellen naturwissenschaftliche Daten in einem Tabellenkalkulationsprogramm dar und werten sie mithilfe eines Rechenblatts aus. |
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BPE 2.2 |
Die Schülerinnen und Schüler erstellen Diagramme zu den auf einem Rechenblatt erfassten Daten. Sie definieren Diagrammtypen und begründen deren Wahl mit dem zugrundeliegenden Zahlenmaterial und dem Ziel der Visualisierung. |
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BPE 2.3 |
Die Schülerinnen und Schüler wenden zusätzliche Diagrammelemente für eine vertiefte Auswertung der Daten an und diskutieren die Aussagekraft des erstellten Diagramms. |
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BPE 3 |
Erstellen von Animationen und Lernvideos zur Erläuterung von zell- oder molekularbiologischen Vorgängen |
20 |
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Die Schülerinnen und Schüler erkennen das Potenzial von Animationen und Videosequenzen zur modellhaften Darstellung von komplexen zellulären oder molekularen Vorgängen. Sie nutzen die selbst erstellten Modelle zur Visualisierung und Erklärung der entsprechenden Abläufe. Dabei reflektieren sie Eigenschaften bzw. Kennzeichen, die Lernvideos aufweisen sollten, um ihre Funktion erfüllen zu können.
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BPE 3.1 |
Die Schülerinnen und Schüler erweitern ihre Kenntnisse über Bildschirmpräsentationsprogramme um die Animation von Objekten. Sie stellen einen einfachen biologischen oder chemischen Ablauf modellhaft dar. |
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BPE 3.2 |
Die Schülerinnen und Schüler wenden Videobearbeitungsprogramme zum Erstellen eines Lernvideos an. |
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BPE 3.3 |
Die Schülerinnen und Schüler erläutern einen komplexen Vorgang unter Anwendung von Bildschirmpräsentations-, Animations- oder Videobearbeitungsprogrammen zum Erstellen eines Lernvideos. Sie diskutieren und beurteilen die Qualität des Lernvideos. |
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Zeit für Leistungsfeststellung
10
70
80
Jahrgangsstufe 1
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Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) |
20 |
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Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
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BPE 4 |
Biologische Moleküle als Informationsträger |
12 |
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Als Grundlage für die bioinformatische Analyse von Sequenzdaten machen sich die Schülerinnen und Schüler die Bedeutung der Proteine und Nukleinsäuren als zentrale Bestandteile des Informationsspeicher- und Informationsumsetzungssystems von Zellen bewusst. Aus der Betrachtung von Genstrukturen leiten sie ab, dass sich der Informationsgehalt von DNA nicht nur auf die Codierung von Bauplänen beschränkt, sondern auch die Steuerung der Genexpression umfasst. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass das Speichermedium DNA ein enormes Potenzial hinsichtlich technologischer Anwendungen aufweist und in seiner Komplexität auch die Verwendung bioinformatischer Methoden zur Analyse erfordert.
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BPE 4.1 |
Die Schülerinnen und Schüler benennen zelluläre Biomakromoleküle und deren prinzipielle Funktion. Sie identifizieren Nukleinsäuren und Proteine als die wesentlichen informationstragenden sowie funktionellen Moleküle und beschreiben deren chemischen Aufbau. |
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BPE 4.2 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Struktur und die prinzipiellen Funktionselemente von pro- und eukaryotischen Genen. Anhand ausgewählter Funktionselemente stellen sie die Funktionsweise von DNA als biologischen Informationsspeicher dar. |
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BPE 4.3 |
Die Schülerinnen und Schüler kennzeichnen die Codierungsmöglichkeiten von DNA und anderen informationstragenden Medien. Sie entwickeln Strategien zur Umwandlung und Speicherung von Texten als DNA-Molekül. |
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BPE 4.4 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Potenzial der DNA als modernes Speicher- und Kennzeichnungsmedium. |
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BPE 5 |
Genomik: Generierung, Verwaltung und Auswertung biologischer Sequenzdaten |
6 |
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Aus der Erkenntnis heraus, dass biologische Sequenzdaten Informationen zum Verständnis zellulärer Prozesse liefern können, beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit der Genomik als der Disziplin, die Sequenzdaten in großem Maßstab generiert, verwaltet und auswertet. Sie erkennen, dass bioinformatische Methoden zur Bewältigung der anfallenden Datenmengen unerlässlich sind. Ihnen wird bewusst, dass die Genomik letztendlich darauf abzielt, die Funktion gesamter Genome, sowie deren Entstehung in der Evolution offenzulegen.
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BPE 5.1 |
Die Schülerinnen und Schüler benennen Vorgehen und Zielsetzungen der Genomik, z. B. in Form eines Advance Organizers. |
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BPE 5.2 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Sequenzierung großer DNA-Moleküle auf der Basis des Schrotschuss-Verfahrens. Mithilfe von Modellsequenzen entwickeln die Schülerinnen und Schüler die prinzipielle Methodik der Sequenz-Assemblierung und überprüfen das Ergebnis. |
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BPE 6 |
Nutzung von biologischen Sequenzdatenbanken |
6 |
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Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass Informationen über Nukleinsäure- und Aminosäuresequenzen in Datenbanken in bestimmten Formaten hinterlegt sind. Sie lernen allgemeine Grundsätze kennen, nach denen Informationen aus Datenbanken abgerufen werden können. Die Schülerinnen und Schüler können Informationen aus der Beschreibung eines Sequenzeintrags oder aus der Nukleotid- bzw. Aminosäuresequenz entnehmen. Dadurch wird ihnen die Bedeutung von Sequenzdatenbanken nicht nur für die Verwaltung von Sequenzdaten, sondern auch für deren Charakterisierung und damit der Analyse von Gen- oder Genomsequenzen bewusst gemacht.
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BPE 6.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Darstellungsformen beispielhafter Datensätze in einer Sequenzdatenbank und erläutern deren Gliederung. |
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BPE 6.2 |
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln Abfragestrategien zum zielgerichteten, auf Suchkriterien basierendem Abrufen von GenBank-Datensätzen und wenden dabei logische Operatoren an. |
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BPE 6.3 |
Die Schülerinnen und Schüler wenden eine GenBank-Abfrage zum Auffinden eines definierten Datensatzes an. Im Hinblick auf festgelegte, die Sequenz charakterisierende Aspekte, werten sie einen Datensatz aus. |
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BPE 7 |
Darstellung und Interpretation von paarweisen Sequenzvergleichen mithilfe der Dot-Plot-Methode |
8 |
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Die Schülerinnen und Schüler begreifen, dass aus Sequenzvergleichen Informationen über die Funktionen von Biomolekülen abgeleitet werden und Ergebnisse von Sequenzvergleichen grafisch dargestellt werden können. Es wird deutlich, dass dabei entstehende Muster Hinweise auf die biologische Bedeutung der entsprechenden Sequenzmotive geben. Darüber hinaus erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass entsprechende Methoden der biologischen Sequenzanalyse auch als generelle Verfahren zur Analyse von textuellen Mustern eingesetzt werden können.
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BPE 7.1 |
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln die Methodik des Dot-Plots zum positionsweisen Vergleich von zwei Sequenzen und wenden geeignete Programme zur Generierung von Dot-Plots an. Sie ermitteln Muster in Dot-Plots und stellen Korrelationen zu einer möglichen biologischen Bedeutung dar. |
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BPE 7.2 |
Die Schülerinnen und Schüler erweitern den positionsweisen Sequenzvergleich um die Fenstermethode zur Generierung von Dot-Plots. Sie begründen die Bedeutung der Fenstergröße und erläutern die Bedeutung des Übereinstimmungskriteriums innerhalb eines Sequenzfensters für den Vergleich wenig ähnlicher Sequenzen. |
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BPE 7.3 |
Die Schülerinnen und Schüler diskutieren Anwendungsmöglichkeiten der Dot-Plot-Methode als Mustererkennungsverfahren außerhalb der biologischen Sequenzanalyse. |
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BPE 8 |
Erstellen von Sequenzalignments zur Bearbeitung biologischer Fragestellungen |
10 |
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Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass das Erstellen von Alignments als eine Methode des Sequenzvergleichs nicht nur Aussagen über den Ähnlichkeitsgrad der verglichenen Sequenzen erlaubt; vielmehr wird ihnen bewusst, dass Alignments auch die Identifikation von funktionell bedeutsamen Abschnitten in Nukleotid- oder Aminosäuresequenzen ermöglichen. In diesem Zusammenhang wird ihnen die Bedeutung der Algorithmus-Entwicklung näher gebracht. Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass die Kenntnis von funktionell bedeutsamen Sequenzmotiven einen wichtigen Ansatzpunkt zur funktionellen Analyse von Nukleotid- oder Aminosäuresequenzen unbekannter Funktion bietet und damit einen wichtigen Beitrag hinsichtlich der Zielsetzungen der Genomik leisten kann.
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BPE 8.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Alignment als eine Methode des Sequenzvergleichs. |
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BPE 8.2 |
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln einen Algorithmus zum Erstellen von paarweisen Nukleotid-Aligments und erläutern die Bedeutung von Gap-Penalties für die Score-Bestimmung. |
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BPE 8.3 |
Die Schülerinnen und Schüler wenden geeignete Programme zum Erstellen von Alignments an und erläutern die Bedeutung von Substitutionsmatrizen für das Alignment von Aminosäuresequenzen. Sie beurteilen erstellte Alignments auf der Basis relevanter Größen. |
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BPE 8.4 |
Die Schülerinnen und Schüler wenden multiple Nukleotid- und Aminosäure-Alignments zum Bearbeiten biologischer Fragestellungen an. Sie beurteilen die aus Alignments abgeleiteten Consensus-Sequenzen und diskutieren die Relevanz der Ergebnisse in Bezug auf die Fragestellung. |
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BPE 9 |
Sequenzbasierte Datenbank-Abfragen mit BLAST |
8 |
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Die Schülerinnen und Schüler lernen die BLAST-Methode als ein unerlässliches Verfahren der Sequenzanalyse kennen. BLAST ermöglicht eine sequenzbasierte Abfrage von Sequenzdatenbanken. Ihnen wird bewusst, dass BLAST ein Instrument zur Charakterisierung neuer Sequenzen darstellt mit dem eine funktionelle Analyse erfolgen kann. Darüber hinaus erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass mittels BLAST homologe Sequenzen in unterschiedlichen Organismengruppen ermittelt und für eine vertiefte Untersuchung bekannter Sequenzen genutzt werden können, z. B. zur Identifizierung funktioneller Domänen von Proteinen.
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BPE 9.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben BLAST als Datenbank-Abfrage und erklären die Vorgehensweise zu deren Durchführung. Sie erläutern die Zielsetzungen von BLAST-Abfragen und die diesbezüglichen Einsatzmöglichkeiten der BLAST-Varianten. Die Schülerinnen und Schüler werten die Ergebnisse von BLAST-Abfragen anhand vorgegebener Kriterien aus. |
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BPE 9.2 |
Die Schülerinnen und Schüler wenden BLAST-Abfragen an. Sie werten angewandte Methoden des Sequenzvergleichs hinsichtlich ihres Potenzials zur Beantwortung biologischer Fragestellungen aus. |
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Zeit für Leistungsfeststellung
10
70
80
Jahrgangsstufe 2
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Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) |
16 |
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Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
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BPE 10 |
Stammbaumrekonstruktion: Evolution, Taxonomie und molekulare Phylogenie |
20 |
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Die Betrachtung von Evolutionstheorie und Taxonomie bietet den Schülerinnen und Schülern die Basis für die Erkenntnis, dass molekulare Daten in Form von biologischen Sequenzen zur Untersuchung der Phylogenie von Organismengruppen herangezogen werden können. Mit der Anwendung verschiedener Verfahren zur Rekonstruktion von Stammbäumen gelangen die Schülerinnen und Schüler zu dem Verständnis, dass diese Verfahren Modelle der Phylogenie und damit der Evolution von Organismengruppen liefern. Diese sind zwar diskutierbar, stellen aber dennoch einen weiteren, signifikanten Beleg für die Evolutionstheorie dar. Darüber hinaus lernen die Schülerinnen und Schüler, dass die Verfahren der Stammbaumrekonstruktion mittels Sequenzdaten auch in anderen Bereichen der Biologie, wie z. B. der Epidemiologie eingesetzt werden können.
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BPE 10.1 |
Die Schülerinnen und Schüler erläutern Belege für die Evolutionstheorie und erklären zentrale Punkte der Evolutionstheorie. |
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BPE 10.2 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Gruppierungsmöglichkeiten von Lebewesen als Grundlage für die Phylogenetik und benennen Strukturelemente von Stammbäumen. Sie erläutern die Unterschiede zwischen verschiedenen Stammbaumtypen. |
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BPE 10.3 |
Die Schülerinnen und Schüler stellen das Konzept einer molekularen Uhr dar und erklären deren Anwendungsmöglichkeit. Sie beschreiben die prinzipiellen Grundlagen von verschiedenen Verfahren zur Rekonstruktion von Stammbäumen. |
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BPE 10.4 |
Die Schülerinnen und Schüler modellieren auf der Basis eines Alignments molekulare Stammbäume mithilfe von geeigneten Programmen. Sie diskutieren Gründe für unterschiedliche Ergebnisse bei dem Einsatz verschiedener Verfahren und entwickeln Hypothesen über die Validität der einzelnen Ergebnisse. Die Schülerinnen und Schüler erläutern weitere Anwendungsmöglichkeiten der molekularen Phylogenie. |
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BPE 10.5 |
Die Schülerinnen und Schüler stellen das grundsätzliche Prinzip des Bootstrapping-Verfahrens dar. Sie überprüfen die Hypothesen zur Validität der ermittelten Stammbäume. |
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BPE 11 |
Programmierung zur Sequenzanalyse |
20 |
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Nachdem die Schülerinnen und Schüler einige Programme und Werkzeuge zur Sequenzanalyse kennengelernt und damit deren Bedeutung für die Genomik erkannt haben, soll ihnen nun die Programmierung als prinzipielle Möglichkeit der Entwicklung neuer, bedarfsgerechter Werkzeuge aufgezeigt werden. Hierzu können sie auf bereits vorhandene Grundkenntnisse der Programmierung zurückgreifen, trainieren aber in besonderer Weise die Entwicklung von spezifischen Algorithmen im Kontext der Mustererkennung als Basis der Sequenzanalyse.
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BPE 11.1 |
Die Schülerinnen und Schüler übertragen vorhandene Grundkenntnisse der Programmierung auf die Anwendung einer Programmiersprache, die bevorzugt zur spezifischen Bearbeitung von Fragestellungen der Sequenzanalyse eingesetzt wird. Sie erweitern die Grundkenntnisse um spezifische Elemente, die für die textuelle Mustererkennung als Grundlage einer Sequenzanalyse erforderlich sind. |
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BPE 11.2 |
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln einfache Algorithmen, die es ermöglichen, die spezifischen Anforderungen der Sequenzanalyse zu bearbeiten. Sie dokumentieren, kommentieren und implementieren die erarbeiteten Algorithmen. |
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BPE 11.3 |
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln, dokumentieren, kommentieren und implementieren einen Algorithmus zur ORF-Analyse als bioinformatisches Werkzeug der Sequenzanalyse. |
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Zeit für Leistungsfeststellung
8
56
64
Operatorenliste
Anforderungsbereiche
Anforderungsbereiche
Anforderungsbereich I umfasst die Wiedergabe von bekannten Sachverhalten aus einem abgegrenzten Gebiet im gelernten Zusammenhang, die Beschreibung und Darstellung bekannter Verfahren, Methoden und Prinzipien der Informatik, die Beschreibung und Verwendung gelernter und geübter Arbeitstechniken und Verfahrensweisen in einem begrenzten Gebiet und in einem wiederholenden Zusammenhang.
Anforderungsbereich II umfasst die selbstständige Verwendung (Auswählen, Anordnen, Verarbeiten und Darstellen) bekannter Sachverhalte zur Bearbeitung neuer Frage- oder Problemstellungen unter vorgegebenen Gesichtspunkten in einem durch Übung bekannten Zusammenhang, die selbstständige Übertragung des Gelernten auf vergleichbare neue Situationen mit veränderten Fragestellungen, veränderten Sachzusammenhängen oder abgewandelten Verfahrensweisen, die Anwendung bekannter Verfahren, Methoden und Prinzipien der Informatik zur Lösung eines neuen Problems aus einem bekannten Problemkreis.
Anforderungsbereich III umfasst das planmäßige Verarbeiten komplexer Gegebenheiten mit dem Ziel, zu selbstständigen Gestaltungen bzw. Deutungen, Folgerungen, Begründungen, Wertungen zu gelangen; die bewusste und selbstständige Auswahl und Anpassung geeigneter gelernter Methoden und Verfahren in neuartigen Situationen, dabei werden aus gelernten Denkmethoden bzw. Lösungsverfahren die zur Bewältigung der Aufgabe geeigneten selbstständig ausgewählt und einer neuen Problemstellung angepasst.
| Operator | Erläuterung |
Zuordnung AFB |
|---|---|---|
| anwenden |
einen bekannten Sachverhalt, eine bekannte Methode auf eine neue Problemstellung beziehen
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I, II |
| auswerten |
Daten, Einzelergebnisse oder Sachverhalte zu einer abschließenden Gesamtaussage zusammenführen
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II, III |
| begründen |
für einen gegebenen Sachverhalt einen folgerichtigen Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung herstellen
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II |
| benennen, nennen |
Sachverhalte, Strukturen und Prozesse begrifflich aufführen
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I, II |
| berechnen |
mittels charakteristischer Merkmale einen Sachverhalt genau feststellen und beschreiben
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I, II |
| beschreiben |
Strukturen, Sachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten wiedergeben
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I, II |
| bestimmen |
einen Zusammenhang oder einen möglichen Lösungsweg aufzeigen und das Ergebnis formulieren
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II, III |
| beurteilen |
den Stellenwert von Sachverhalten oder Prozessen in einem Zusammenhang bestimmen, um kriterienorientiert zu einem begründeten Sachurteil zu gelangen
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III |
| bezeichnen |
Sachverhalte, Strukturen und Prozesse erkennen und zutreffend formulieren
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I |
| darstellen |
Zusammenhänge, Sachverhalte, Methoden etc. in strukturierter Form grafisch oder gegebenenfalls fachsprachlich wiedergeben
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I, II |
| definieren |
einen Begriff exakt bestimmen, um ihn von anderen abzugrenzen
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II, III |
| diskutieren |
zu einem Sachverhalt, zu einem Konzept oder zu einer Problemstellung eine Argumentation entwickeln, die zu einer begründeten Bewertung führen
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II, III |
| dokumentieren |
alle notwendigen Erklärungen, Herleitungen und Skizzen darstellen
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II, III |
| einordnen |
einen Sachverhalt oder eine Aussage mit erläuternden Hinweisen in einen Zusammenhang stellen
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II, III |
| entwerfen, planen |
zusammenstellen von Funktionalitäten unter Berücksichtigung vorgegebener Daten
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II, III |
| entwickeln |
zu einem Sachverhalt oder zu einer Problemstellung ein konkretes Lösungsmodell oder ein Lösungskonzept begründend skizzieren
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II, III |
| erklären, erläutern |
Strukturen, Prozesse und Zusammenhänge von Erscheinungen erfassen, in Einzelheiten verdeutlichen und durch zusätzliche Informationen verständlich machen
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I, II |
| ermitteln |
einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren
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I, II |
| erstellen |
darstellen von Sachverhalten gemäß der vorgegebenen Syntax
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II |
| erweitern |
eine vorgegebene Struktur um Bestandteile ergänzen
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II, III |
| identifizieren, kennzeichnen |
das Wesentliche und Typische benennen
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II |
| implementieren |
Algorithmen und Datenstrukturen in eine Programmiersprache umsetzen
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II |
| kommentieren |
kausale Zusammenhänge anhand gegebener oder eigener Ergebnisse präzise vorstellen
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II, III |
| modellieren |
zu einem Ausschnitt der Realität ein informatisches Modell anfertigen
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II, III |
| skizzieren |
die wesentlichen Eigenschaften eines Objektes, eines Sachverhaltes oder einer Struktur grafisch darstellen
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I, II |
| Stellung nehmen |
unter Heranziehung von Kenntnissen differenziert eine eigene begründete Position beziehen
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III |
| überprüfen, testen |
Sachverhalte, Probleme, Fragestellungen nach bestimmten fachlich üblichen Kriterien untersuchen
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II, III |
| übertragen |
einen bekannten Sachverhalt, eine bekannte Methode auf eine neue Problemstellung beziehen
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II, III |
| vervollständigen |
Sachverhalte, Ausdrücke oder Aussagen nach bereits vorliegenden Kriterien mit zusätzlichen Informationen versehen
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I, II |
| zeichnen |
eine anschauliche und hinreichend exakte grafische Darstellung gegebener Strukturen anfertigen
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I, II |
Amtsblatt des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg
Lehrplanheft 2/2020
hier:
Berufliches Gymnasium der dreijährigen Aufbauform
Vom 23. Juli 2020
44 – 6512.- 240/211
I.
II.
für die Eingangsklasse am 1. August 2021
für die Jahrgangsstufe 1 am 1. August 2022
für die Jahrgangsstufe 2 am 1. August 2023
in Kraft.
Im Zeitpunkt des jeweiligen Inkrafttretens tritt der im Lehrplanheft 2/2007 veröffentlichte Lehrplan in diesem Fach vom 03. September 2007 (Az. 45-6512-240/109) außer Kraft.