VLAAMS VERBOND VAN HET KATHOLIEK SECUNDAIR ONDERWIJS

VLAAMS VERBOND VAN HET KATHOLIEK SECUNDAIR ONDERWIJS Guimardstraat 1 - 1040 BRUSSEL LEERPLAN SECUNDAIR ONDERWIJS

TECHNIEK-WETENSCHAPPEN Derde graad TSO

Brussel - Licap - D/1992/0279/070B - september 1992

LESSENTABEL

TECHNIEK-WETENSCHAPPEN

1

Basisvorming AV AV AV AV AV AV AV

12

12

2 1 2 1 2 2 2

2 1 2 1 2 2 2

Godsdienst Aardrijkskunde Frans Geschiedenis Lichamelijke opvoeding Nederlands Wiskunde

Voor de leerlingen die een studierichting kiezen die één of meer vakken omvat die ook voorkomen in de basisvorming, vervallen deze vakken in de basisvorming. Deze vakken worden in het studierichtingsgedeelte steeds aangeduid met (*). 2

Optie

2.1

Studierichting (fundamenteel gedeelte)

28

28

AV AV AV AV TV TV TV

2 3 4 6 5 2 6

2 3 4 6 5 2 6

4

4

2.2

Engels Frans (*) Nederlands (*) Wiskunde (*) Elektriciteit/Elektronica/Toegepaste fysica Toegepaste biologie (x) Toegepaste chemie (x)

(x)

Complementair gedeelte

- Te kiezen uit de vakken en/of de specialiteiten opgesomd in het Besluit van de Vlaamse regering van 5 juni 1989 tot vaststelling van de algemene vakken, de kunstvakken, de technische vakken en de praktische vakken, voor zover het vakken en specialiteiten betreft waarvoor het Besluit van de Vlaamse regering van 14 juni 1989, zoals gewijzigd, bekwaamheidsbewijzen vastlegt in de derde graad.. - Wanneer in het complementair gedeelte één of meer vakken gekozen worden die ook voorkomen in de basisvorming of in het fundamenteel gedeelte dan vervallen deze vakken niet in de basisvorming, noch in het fundamenteel gedeelte. - Geen pedagogische aanbevelingen.

_________________________________ (x) Voor deze vakken werd het leerplan in deze brochure opgenomen.

INHOUD

blz.

1

BEGINSITUATIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2

STUDIEPROFIEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3

ALGEMENE DOELSTELLINGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

4

ALGEMENE METHODOLOGISCHE WENKEN

...................

5

5

RELATIE TUSSEN DE DOELSTELLINGEN, DE EVALUATIE EN DE GEINTEGREERDE PROEF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

6

BEGINSITUATIE, LEERINHOUDEN, DOELSTELLINGEN, METHODOLOGISCHE WENKEN PER VAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

TV Elektriciteit/Elektronica/Toegepaste fysica

......................

7

.....................................

33

TV Toegepaste chemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

BIBLIOGRAFIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

TV Toegepaste biologie

7

5 1

BEGINSITUATIE

De meeste leerlingen die de 3de graad van de studierichting Techniek-wetenschappen beginnen, zullen ook reeds in de 2de graad deze studierichting gevolgd hebben. Men kan dus verwachten dat deze leerlingen interesse hebben voor de natuurwetenschappen en reeds enige vorderingen hebben gemaakt in het zich eigen maken van de natuurwetenschappelijke denk- en werkwijze. Ook leerlingen uit diverse studierichtingen van het ASO en sommige studierichtingen van het TSO kunnen in de 3de graad de studierichting Techniek-wetenschappen aanvatten. Overgang vanuit een studierichting met een niet-wetenschappelijk accent is evenwel bijna onmogelijk. Het spreekt vanzelf dat leerlingen die in de 2de graad een andere studierichting volgden, voor sommige vakken een zekere achterstand zullen moeten inhalen. Deze achterstand zal zich voordoen bij de wetenschappelijke vakken, vooral bij Chemie en bij het Laboratoriumwerk. De leerling in de studierichting Techniek-wetenschappen moet voldoen aan het hiernavolgende profiel: een leerling met duidelijke interesse voor de natuurwetenschappen, een leerling met voldoende motorische aanleg om met accuraatheid waarnemingen en experimenten uit te voeren, een voldoende begaafde leerling die iets meer tijd nodig heeft om te komen tot theoretische redeneringen en het zich eigen maken van abstracte begrippen, dan de leerling uit de wetenschappelijke richtingen van het ASO, een leerling die een voldoende wiskundige aanleg bezit, een leerling die talen voldoende beheerst, doch verbaal iets minder sterk is, zodat men niet evenveel kan eisen als wat er van leerlingen in de wetenschappelijke richtingen van het ASO zou moeten geëist worden. 2

STUDIEPROFIEL

Techniek-wetenschappen is een wetenschappelijke technische studierichting, dat wil zeggen dat het curriculum bestaat uit: wetenschapsbeoefening en het verwerven van natuurwetenschappelijke kennis op zich (wetenschappelijke component), toepassingen van de natuurwetenschappen (technische component), inzicht verwerven in de samenhang tussen natuurwetenschappen, maatschappij, techniek en wereldbeeld (algemeen vormende component). Techniek-wetenschappen is een studierichting voorbereidend op het hoger onderwijs van het korte type zonder het universitair niveau uit te sluiten. Principieel zijn alle types HOBU aangewezen, maar toch is er een zekere voorkeur voor de richtingen met een uitgesproken natuurwetenschappelijk karakter. De twee peilers van de vorming zijn de natuurwetenschappen, ondersteund door de laboratoriumoefeningen en de wiskunde. De andere vormingscomponenten komen voldoende aan bod, doch worden niet benadrukt. 3

ALGEMENE DOELSTELLINGEN

Aan leerlingen die op gebied van aanleg voor abstracte en logische denkwijzen voldoende begaafd zijn een vormingsmogelijkheid aanbieden via de natuurwetenschappen en de toepassingen van de natuurwetenschappen.

6 Optimale vormingskansen scheppen voor de leerlingen met het oog op hogere studies, ook die hogere studies die niet onmiddellijk in de lijn der verwachtingen liggen zoals de richtingen binnen het paramedisch of pedagogisch hoger onderwijs. 4


De didactische aanpak is typisch technisch: gekenmerkt door de unieke wisselwerking tussen theorie en laboefeningen. De sterke accentuering van het labwerk houdt een belangrijk verschilpunt in met de aanpak in de wetenschappelijke richtingen van het ASO. De laboratoriumoefeningen beogen daarbij de volgende drie doelstellingen: de theorie verduidelijken, de fijne motoreik ontwikkelen, voldoende tijd geven aan de leerlingen om van concreet naar abstract redeneren te evolueren. Zo krijgen minder abstract-denkende leerlingen meer tijd om de intellectuele en manueel-motorische vaardigheden te verwerven. Vertrekkend vanuit concrete feiten worden de meer abstracte begrippen geleidelijk bij de leerling geïntroduceerd. 5

RELATIE TUSSEN DE DOELSTELLINGEN, DE EVALUATIE EN DE GEINTEGREERDE PROEF

-

In zijn taak als didacticus heeft de leraar een plannings- en voorbereidingstaak: hij zet het leerplan om in een jaarplanning en de verschillende leerinhouden en doelstellingen zet hij om in een aangepast didactisch proces. De leraar heeft uiteraard ook een beoordelingstaak: hij moet de kennis, de vaardigheden en de attitudes van de leerlingen objectief evalueren in functie van de doelstellingen. Een verantwoorde evaluatie vertrekt dus van duidelijk geformuleerde en operationele lesdoelstellingen. In dit leerplan worden geen les-, maar leerplandoelstellingen geformuleerd, die een lessenreeks overspannen. Alle leerplandoelstellingen van de vakken van het studierichtingsgedeelte worden omvat door de algemene doelstellingen van de studierichting. De einddoelstellingen sluiten op hun beurt aan bij het studie- of beroepsopleidingsprofiel dat wij in de 3de graad duidelijk nastreven en dat een probleemloze overstap naar een functieof beroepsprofiel moet kunnen garanderen. Dit functieof beroepsprofiel werd door de beroepsfederaties geformuleerd binnen de voormalige Hoge Raad voor het Technisch en Beroepsonderwijs of binnen de huidige sectoriële commissies van de Vlaamse Onderwijsraad. Een leraar die zijn evaluatie ernstig wil opvatten, moet zich dus bewust zijn van de verschillende doelstellingen die hij minimaal moet bereiken om tenslotte aan het studieprofiel te beantwoorden. In het totale toetsingsmechanisme moet de leraar aandacht hebben voor de permanente evaluatie of het dagelijks werk (zeker voor de praktische vakken), voor de formatieve toetsen (waarin de foutenanalyse en de remediëring een belangrijke rol spelen) en voor de summatieve toetsen of voor de examens. Binnen het evaluatiesysteem neemt de geïntegreerde proef een speciale plaats in. De relatie tussen de geïntegreerde proef, de einddoelstellingen en het nagestreefde studie- of beroepsopleidingsprofiel moet de leraar duidelijk voor ogen staan. De geïntegreerde proef die in de loop van het 2de leerjaar van deze 3de graad moet georganiseerd worden, wil het geheel van kennis, vaardigheden en attitudes gericht op de beroepsactiviteit evalueren en omvat de vakken van het fundamenteel optioneel gedeelte. De geïntegreerde proef heeft een vakoverschrijdend, een beroeps- en realiteitsgericht karakter. De proef kan de vorm aannemen van een project dat vanaf het begin van het schooljaar opgebouwd wordt en waarvan het zwaartepunt op het einde van het schooljaar ligt. Ook een eindwerk of een praktische realisatie kan op dezelfde wijze langzamerhand tot stand komen.

-

-

7 Het concept, het ontwerp, de realisatie van de proef moet van bij het begin van het 2de leerjaar van de 3de graad aandacht krijgen. De aanstelling van de beoordelingsjury, die voor een groot deel uit deskundige buitenstaanders moet bestaan, dient ook in het begin van het schooljaar te gebeuren. Samenvattend kunnen wij besluiten dat bij de interpretatie van dit leerplan voor de 3de graad niet voorbijgegaan kan worden aan het studieprofiel, de einddoelstellingen en de evaluatie ervan in de geïntegreerde proef. 6

BEGINSITUATIE, LEERINHOUDEN, DOELSTELLINGEN, METHODOLOGISCHE WENKEN PER VAK

8 TV Elektriciteit/Elektronica/Toegepaste fysica 1

1ste en 2de leerjaar: 5 u./w.

BEGINSITUATIE

De leerlingen die de 3de graad van deze richting beginnen kunnen een sterk verschillende achtergrond hebben. Het meest waarschijnlijk is dat ze de basisrichting Techniek wetenschappen in de 2de graad gevolgd hebben. Deze leerlingen hebben dus reeds 4 uur Fysica in het 1ste leerjaar van de 2de graad en 4 uur Fysica in het 2de leerjaar van de 2de graad gevolgd, waarvan telkens twee uur theorie en twee uur lab. Ze bezitten dus reeds een voldoende basiskennis over: de structuur van de materie, meetkundige optica, krachten, druk, arbeid, vermogen, energie, de gaswetten, warmteleer. Bovendien hebben deze leerlingen in het lab reeds enige experimenteervaardigheid kunnen opdoen. Ook leerlingen uit diverse studierichtingen van het ASO en sommige studierichtingen uit het TSO kunnen de studierichting Techniek wetenschappen in de 3de graad aanvatten. Het spreekt vanzelf dat deze leerlingen een zekere achterstand zullen moeten ophalen, vooral wat betreft het labwerk. De school en de leraars zullen zich van deze concrete situatie goed moeten vergewissen. Een groot aantal van de leerlingen die de studierichting Techniek wetenschappen volgen, zullen in het hoger onderwijs terechtkomen, waar Fysica een basiscursus is. De technische vaardigheden waarover zij beschikken zullen hen in staat stellen de theoretische achtergronden beter te begrijpen. 2


De doelstellingen Fysica situeren zich op het vlak van de cognitieve, de affectieve en de psychomotorische componenten. 2.1

Cognitief

Het verwerven van feitenkennis is ongetwijfeld belangrijk. Het is echter evenzeer belangrijk dat de leerlingen Fysica ervaren als een coherent geheel van kennis en niet als een opsomming van afzonderlijke wetten en formules. Overzicht van het geheel is belangrijker dan de kennis van elk detail. Het verwerven van inzicht in de natuurwetenschappelijke methode is eveneens een belangrijke doelstelling. De natuurwetenschappelijke methode is ruimer dan alleen de experimentele methode. De natuurwetenschappelijke methode heeft een dubbel kenmerk, zowel experimenteel als verklarend. Het waardevolle en het vormende zit in de wisselwerking tussen beide aspecten. Op het einde van de 3de graad moeten de leerlingen in staat zijn een eenvoudig probleem zelfstandig te onderzoeken en hierover verslag uit te brengen. 2.2

Affectief

Objectiviteit, eerlijkheid, leergierigheid, sociale gerichtheid, doorzettingsvermogen, durf, voorzichtigheid, nauwkeurigheid en efficiëntie zijn attitudes die in het labwerk bereikt worden.

9 2.3

Psychomotorisch

Door de proeven zelf uit te voeren maken de leerlingen een goede kans hun motoriek te ontwikkelen, te stimuleren en te verfijnen. 3


Het is voor deze studierichting onontbeerlijk dat de school over een goed uitgerust fysicalokaal beschikt, waar leerlingenproeven kunnen ingericht worden. De vakbegeleiders kunnen eventueel voor advies zorgen. Het lijkt ons vanzelfsprekend dat theorie en lab door dezelfde leraar worden gegeven. 4

LEERPLANDOELSTELLINGEN

4.1

1ste leerjaar: THEORIE

4.1.1

MECHANICA

4.1.1.1

Bewegingsleer

- Rust en beweging . De relativiteit van rust en beweging en de daarmee gepaard gaande noodzaak aan een referentiestelsel inzien. . Weten dat de positie van een puntmassa aangegeven wordt door een plaatsvector. . De definitie van de baan van een puntmassa geven. . Weten dat, indien de baan gekend is, de positie ook kan worden weergegeven door de baancoördinaat s. . De definitie en de eenheid van de afgelegde weg )s en het tijdsverloop )t geven, alsook het onderscheid met de baancoördinaat s en het tijdstip t inzien. . Het verschil tussen de verplaatsing )r en de afgelegde weg )s op een voorbeeld aantonen. - De eenparig rechtlijnige beweging . De definitie van de eenparige beweging weergeven en inzien hoe die definitie vanuit het experiment tot stand komt. . De formule voor snelheid bij een eenparige beweging geven en in concrete gevallen gebruiken. . De eenheid van snelheid kennen. . De formule voor de afgelegde weg afleiden en in concrete gevallen gebruiken. . s(t)- en v(t)-diagrammen interpreteren en in concrete gevallen zelf opstellen. . Inzien dat bij een eenparig rechtlijnige beweging de snelheidsvector een constante vector is. - De eenparig veranderlijke beweging . De definitie van de eenparig veranderlijke beweging weergeven en inzien hoe die definitie vanuit het experiment tot stand komt. . Inzien dat een veranderlijke beweging niet noodzakelijk eenparig verandert en dit met concrete voorbeelden illustreren. . De formule voor de versnelling bij een eenparig veranderlijke beweging geven en in concrete gevallen gebruiken. . Daaruit de formule voor snelheid afleiden en in realistische voorbeelden hanteren. . De betekenis van het begrip versnelling als verandering van snelheid in al zijn facetten (snelheidstoename, snelheidsafname, verandering van richting) inzien.

10 . Inzien dat bij een eenparig veranderlijke beweging de versnelling aangeeft hoe vlug de snelheid verandert per tijdseenheid en dit via een voorbeeld uitleggen. . s(t)- en v(t)-diagrammen interpreteren. . In eenvoudige realistische voorbeelden de formules hanteren. - De eenparig cirkelvormige beweging (U) . Inzien dat de snelheid en de versnelling wel constant zijn in grootte, maar voortdurend van richting veranderen. . Het onderscheid, het nut en de eenheden van baansnelheid en hoeksnelheid kennen en begrijpen. . In eenvoudige realistische voorbeelden de formules hanteren. - De valbeweging . Vanuit het experiment inzien dat de valbeweging een voorbeeld is van een eenparig versnelde beweging. . Weten dat in het luchtledige de massa geen invloed heeft op de valtijd en dat in de atmosfeer luchtweerstand en vorm een rol spelen. . Inzien dat de zwaarteveldsterkte g = 9,81 N/kg en de valversnelling g = 9,81 m/s² op het zelfde neerkomen. - Samenstellen van bewegingen (U) . Vanuit het experiment tot het onafhankelijkheidsbeginsel van bewegingen komen en van hieruit de baan van de resulterende verplaatsing construeren. . Weten uit welke enkelvoudige bewegingen een horizontale en een schuine worp zijn samengesteld. 4.1.1.2

Krachtenleer

- Het begrip kracht (herhaling) . Inzien dat kracht naast grootte, richting en zin ook een vierde kenmerk heeft: het aangrijpingspunt. . Weten dat kracht zowel een statische als een dynamische uitwerking heeft. . Het traagheidsbeginsel weergeven en gebruiken om concrete situaties uit te leggen. . Het verband tussen kracht, massa en versnelling kennen en hanteren in concrete voorbeelden. . Inzien dat krachten steeds in paren voorkomen die even groot, maar tegengesteld van zin zijn en die wisselwerking in concrete voorbeelden uitleggen. . Herhalen van de begrippen arbeid, energie en vermogen en afleiden van de formule van de kinetische energie. - Algemene gravitatie, zwaartekracht . Inzien dat massa's elkaar aantrekken. . De algemene gravitatiewet kennen en intuïtief begrijpen dat de gravitatiekracht evenredig is met het produkt van de massa's en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de onderlinge afstand. . Weten dat de zwaartekracht de gravitatiekracht is van de aarde op alle massa's errrond. . Kennismaking met het begrip krachtveld met g als (zwaarte)veldsterkte. - Moment van een kracht, rotatie, evenwicht van lichamen . Inzien hoe een rotatie tot stand komt. . De definitie (van de grootte) van het moment van een kracht kennen en inzien dat dit het draaiend effect van een kracht uitdrukt. . Weten dat een draaibaar opgesteld lichaam in evenwicht is als de som van de momenten nul is en dit narekenen in eenvoudige praktische voorbeelden. - Krachtstoot en behoud van hoeveelheid van beweging . De definitie en de eenheid van krachtstoot en hoeveelheid van beweging weergeven en in eenvoudige voorbeelden hanteren.

11 . Aantonen dat de krachtstoot op een lichaam gelijk is aan de verandering van hoeveelheid van beweging van dat lichaam. . Behoud van hoeveelheid van beweging toepassen bij één-dimensionale volkomen elastische en inelastische botsingen. 4.1.1.3

Recentere inzichten in de mechanica

- Inzien dat de massa van een lichaam afhankelijk is van de snelheid. - De formule die het verband geeft tussen energie en massa kunnen afleiden en weten dat massa en energie identieke begrippen zijn. 4.1.2

ELEKTRICITEIT: GELIJKSTROOM

4.1.2.1

Elektrische krachten

- Weten dat door wrijving lading kan worden opgewekt en dat die lading op verschillende manieren kan worden opgewekt. - Weten dat ladingen aangebracht op een geleider zich gaan verspreiden en op een isolator ter plaatse blijven. - De grootte van de elektrostatische krachtwerking berekenen en de analogie en het verschil met de gravitatiekracht inzien. 4.1.2.2

Veldwerking

- De definitie van de elektrische veldsterkte geven en het nut ervan inzien, alsook de analogie en het verschil met de zwaarteveldsterkte inzien. - Vanuit het experiment de introductie van het veldlijnenconcept inzien. - De definitie van potentiaal geven en het verband met de potentiële energie inzien, zodat het begrip spanning als potentiaalverschil kan begrepen worden. De eenheid van spanning geven. 4.1.2.3

Ladingstransport

- Inzien dat elektrische stroom transport van ladingen (elektronen) is en hierbij goed het onderscheid inzien met de conventionele stroomzin. - Inzien dat zonder spanningsbron en zonder gesloten kring er geen sprake kan zijn van elektrische stroom. - De definitie en de eenheid van stroomsterkte geven. - Vanuit het experiment tot de wet van Ohm komen en dat verband tussen spanning en stroomsterkte intuïtief inzien. - De formules betreffende het Joule-effect voor warmte en vermogen geven en toepassen. 4.1.2.4

Schakelen van weerstanden

- Vanuit het experiment de wetten van serie- en parallelschakeling afleiden en deze, evenals de formules voor de subsitutieweerstand, vlot hanteren bij eenvoudige gemengde schakelingen met één spanningsbron. - Uitleggen waarom de inwendige weerstand van een ampèremeter klein is en de inwendige weerstand van een voltmeter groot is. Daarenboven weten wat een shunt en een voorschakelweerstand is en verklaren hoe ze het meetbereik van respectievelijk ampèremeter en voltmeter wijzigen.

12 - Vanuit het experiment de wet van Pouillet afleiden, deze weergeven en de verschillende factoren verklaren. - Inzien dat de weerstand op verschillende manieren kan bepaald worden en dat de nulmethode een nauwkeurige meting geeft. - De invloed van de inwendige weerstand van een bron kennen en het onderscheid tussen E.M.S. en klemspanning inzien. Met deze begrippen in praktische gevallen onder de vorm van de veralgemeende vorm van de wet van Ohm werken. 4.1.2.5

Condensatoren

- Weten wat een condensator is en de verschillende types in de realiteit herkennen. - De definitie en de eenheid van de capaciteit geven en gebruiken. - Het exponentiëel verloop en de invloed van R en C bij het open ontladen van een condensator vanuit het experiment afleiden. - De substitutiecapaciteit bij serie- en parallelschakeling van condensatoren berekenen. - De invloed van de oppervlakte, de dikte en het diëlectricum op de waarde van de capaciteit van een condensator kennen. - De formule voor de energie van een condensator kennen en het verband zien met de formule voor de kinetische energie (U). 4.1.3

ELEKTROMAGNETISME

4.1.3.1

Magnetische verschijnselen

- De kenmerken en de krachtwerking van permanente magneten weergeven. - Vanuit het onderzoek van de magnetische krachtwerking van stroomvoerende geleiders van verschillende vorm tot het inzicht komen dat elk magnetisch veld het gevolg is van beweging van ladingen en het verband kunnen leggen met de verklaring van permanente magneten. - Vanuit het experiment vaststellen dat er magnetische krachtwerking optreedt als men een elektrische stroom door een solenoïde met ijzeren kern stuwt. 4.1.3.2

Magnetische inductie

- Het veldlijnenconcept hanteren uitgaande van het experiment en de daaruit volgende praktische regels. - Komen tot de definitie en de eenheid van de grootheid magnetische inductie en weten dat dit een grootheid is waarmee de sterkte van het magneetveld wordt aangegeven. - Onderzoek van de factoren die de magnetische inductie bij een rechte geleider en bij een solenoïde beïnvloeden. - Experimentele afleiding van het verschijnsel elektromagnetische inductie en de daaruit volgende inductiewet hanteren. - Inzien dat het verschijnsel zelfinductie een toepassing is van elektromagnetische inductie die in de spoel een vertragingseffect tot gevolg heeft. 4.1.3.3

Magnetische krachtwerking

- Weten wat bedoeld wordt met Lorentskracht en van welke factoren zij afhankelijk is. - Experimenteel aantonen van de krachtwerking van een magneetveld op een stroomvoerende geleider. - De magnetische krachtwerking in een aantal technische toepassingen uitleggen.

13 4.2

1ste leerjaar: LABORATORIUM

4.2.1

MECHANICA

4.2.1.1 4.2.1.2

Via metingen tot de definitie van de eenparige beweging en snelheid komen. Via metingen tot de definitie van een eenparig versnelde beweging en de versnelling komen. Hierbij het verband tussen v/)t en )s/()t)² aantonen. Experimenteel de valversnelling bepalen. Experimenteel het verband tussen kracht, massa en versnelling aantonen. Het onafhankelijkheidsbeginsel van bewegingen experimenteel aantonen en het kwadratisch verband bij de baan nagaan.

4.2.1.3 4.2.1.4 4.2.1.5

4.2.2

ELEKTRICITEIT

Verschillende types van multimeters vlot hanteren. 4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.2.3

4.2.2.10

Het Joule-effect experimenteel verifiëren. De constante verhouding tussen spanning en stroom bij een geleider experimenteel afleiden. De invloed van lengte, opervlakte en soort stof op de weerstand onderzoeken en tot de wet van Pouillet komen. De brug van Wheatstone gebruiken om nauwkeurig weerstanden te meten. De wetten van serie- en parallelschakeling experimenteel afleiden. Experimenteel aantonen via de karakteristiek van een gloeilamp dat de waarde van de weerstand van een geleider beïnvloed wordt door de temperatuur. Experimenteel aantonen dat er onderscheid is tussen de E.M.S. en de klemspanning en zo experimenteel tot de inwendige weerstand van een bron komen. Experimenteel verifiëren van de capaciteiten bij schakelen van condensatoren. Het exponentieel gedrag bij het open ontladen van een condensator afleiden en de invloed van R en C hierbij onderzoeken. Invloed van het diëlectricum op de capaciteit van een condensator onderzoeken.

4.2.3

ELEKTROMAGNETISME

4.2.3.1 4.2.3.2 4.2.3.3 4.2.3.4

Aantonen dat de stroomsterkte de lengte van de spoel en het aantal windingen invloed hebben op de veldsterkte. De magnetische inductie voor diverse spoelen experimenteel bepalen. De zelfinductie van een spoel experimenteel afleiden. De hysteresislus van een spoel met ijzeren kern bepalen.

4.2.4

TECHNISCHE ONDERWERPEN

4.2.2.4 4.2.2.5 4.2.2.6 4.2.2.7 4.2.2.8 4.2.2.9

Aantonen dat verschillende behandelde verschijnselen hun praktisch gebruik hebben in een aantal toestellen uit de praktijk.

14 4.3

2de leerjaar: THEORIE

4.3.1

TRILLINGEN EN GOLVEN

4.3.1.1

De harmonische trilling

- Weten dat een trilling die harmonisch is, beschreven wordt via een sinusfunctie en dat die kan afgeleid worden uitgaande van een eenparig cirkelvormige beweging. - Voorbeelden geven van niet-harmonische trillingen. - De betekenis van amplitude, frequentie en fase bij een harmonische trilling inzien en de link met de eenparig cirkelvormige beweging leggen. - Deze begrippen in concrete voorbeelden toepassen. 4.3.1.2

Eigenschappen van golven

- Vanuit proeven inzien dat een trilling zich voortplant en dat dit een golf genoemd wordt en dit illustreren bij verschillende soorten golven. - Het onderscheid tussen longitudinale en transversale golven enerzijds en tussen mechanische en elektromagnetische golven anderzijds weergeven en met voorbeelden illustreren. - De betekenis van het begrip golflengte inzien en zijn verband met frequentie (of periode) gebruiken. - De eigenschappen van lopende golven uitleggen bij verschillende soorten golven. - Inzicht hebben in het ontstaan van staande golven en het optreden van verschillende resonantiefrequenties. 4.3.2

TOEPASSINGEN VAN GOLVEN

4.3.2.1

Geluid

- De drie kenmerken van geluid bespreken vanuit praktische voorbeelden. - Het onderscheid tussen echo en nagalm uitleggen. - Vanuit concrete voorbeelden inzicht in het verschijnsel dopplereffect verwerven. 4.3.2.2

Wisselstroom

- Weten wanneer we een wisselspanning hebben en hoe die ontstaat. - Vanuit het experiment inzien dat bij RL-, RC- en RLC-ketens stroom en spanning niet meer in fase zijn en in concrete voorbeelden dit faseverschil via de vectorvoorstelling afleiden. - Weten dat dit naast Ohmse weerstand aanleiding geeft tot capaciteiten en inductieve reactanties en dit gezamenlijk de impedantie tot gevolg heeft. - Verband tussen vermogen en de effectiefwaarden van spanning en stroom inzien. - Inzicht in het nut van de arbeidsfactor hebben. - Vanuit het experiment het nut van de transformator inzien en hierbij de tansformatieformules weergeven. - Kennis hebben van het gebruik van driefasenstroom in de praktijk. 4.3.2.3

Elektromagnetische golven

- Inzicht in het ontstaan van elektromagnetische golven verwerven. - Inzien dat naargelang de golflengte (en de frequentie) elektromagnetische golven andere namen en toepassingsgebieden hebben en hierbij de voornaamste praktische toepassingen situeren.

15 - Inzicht hebben in het verschijnsel polarisatie van licht en de voornaamste praktische toepassingen uitleggen. - De speciale eigenschappen van laserlicht opsommen en uitleggen (U). 4.3.3

ELEKTRONICA

4.3.3.1

Halfgeleiders

- Het verschil tussen geleiders, isolatoren en halfgeleiders aan de hand van het bandenmodel (valentieband, geleidingsband) uitleggen. - In verband met halfgeleiders de volgende wetenschappelijke termen correct gebruiken: donoratoom, acceptoratoom, doperen, vrij elektron, positief gat, meerderheidsladingsdragers, minderheidsladingsdragers, intrinsieke of zuivere halfgeleiders, extrinsieke of gedopeerde halfgeleiders, n-type halfgeleiders, p-type halfgeleiders, pn-junctie, verarmingslaag, diffusiespanning. - In termen van vrije elektronen en/of positieve gaten, uitleggen: . het verschil tussen zuivere en gedopeerde halfgeleiders, . de verandering van de geleidbaarheid van geleiders en halfgeleiders in functie van de temperatuur, . het ontstaan van de diffusiespanning bij een pn-junctie. - De invloed van een uitwendige spanning op de diffusiespanning bij een pn-junctie omschrijven. 4.3.3.2

Diodes

- Het gedrag van een junctiediode in een gelijkstroomkring zowel bij schakeling van de diode in geleiding als bij schakeling van de diode in sper uitleggen. - De stroomspanningskarakteristiek van een junctiediode zowel voor een diode in geleiding als voor een diode in sper interpreteren. - De grootheden inwendige weerstand, drempelspanning en maximale sperspanning uit de stroomspanningskarakteristiek van Si- en Ge-junctiediodes afleiden. - De belangrijkste eigenschappen en toepassingen van vermogensdiodes, schakeldiodes, zenerdiodes en LED's omschrijven. - De werking van eenvoudige schakelingen waarin diodes worden toegepast, in functie van de eigenschappen van de gebruikte diodes verklaren. - Het gebruik van de diode als gelijkrichter zowel bij enkelzijdige als bij dubbelzijdige gelijkrichting uitleggen. 4.3.3.3 -

Transistoren

De opbouw van een NPN- en een PNP-transistor uit halfgeleidermateriaal beschrijven. De werking van een NPN- en een PNP-transistor verklaren. De drie fundamentele transistorversterkerschakelingen (GES, GBS, GCS) schetsen. De karakteristiekenschaar bij een GES schetsen en interpreteren. De ingangsweerstand, stroomversterking, uitgangsweerstand van een transistor in GES uit de karakteristiekenschaar afleiden. De belangrijkste eigenschappen en toepassingen van schakeltransistoren, vermogenstransistoren, fototransistoren en Darlingtons omschrijven (U). De noodzaak van het instellen van het werkpunt bij een versterker in GES argumenteren. De spanningsdeler of voorschakelweerstand voor het instellen van het werkpunt bij een GES berekenen. Een methode voor het stabiliseren van het werkpunt bij een GES omschrijven en verklaren. De werking van eenvoudige schakelingen waarin de transistor als schakelaar functioneert, uitleggen.

16 4.3.3.4

Operationele versterkers (U)

- In verband met opamps de volgende termen correct gebruiken: open-loop-versterking, closed-loopversterking, ingangsimpedantie, uitgangsimpedantie, bandbreedte, inverterende en niet-inverterende ingang, symmetrische en asymmetrische voeding, tegenkoppelingsweerstand. - De principeschema's van de volgende schakelingen, gerealiseerd met opamps, schetsen: . een inverterende versterker, . een niet-inverterende versterker, . een verschilversterker, . een sommeerversterker. - De versterking of de uitgangsspanning in concrete schakelingen van het hierboven vermelde type berekenen aan de hand van de passende formules. 4.3.3.5

Digitale bouwstenen

-

Het onderscheid tussen analoge en digitale schakelingen omschrijven. Het onderscheid tussen combinatorische en sequentiële logische schakelingen omschrijven. Omschrijven wanneer AND-, NAND-, OR-, NOR- en EXOR-poorten actief zijn. De eigenschappen van NAND- en NOR-poorten aan de hand van waarheidstabellen omschrijven. Het schema van een RS-flipflop met behulp van NAND-poorten opbouwen en de werking verklaren. De geheugenwerking van een bistabiele multivibrator omschrijven en verklaren. Het principeschema van een monostabiele multivibrator opgebouwd met een inverter schetsen en de werking verklaren. - Het principeschema van een astabiele multivibrator opgebouwd met inverters schetsen en de werking verklaren. 4.3.4

KERNFYSICA

- Weten dat er "-, $- en (-straling bestaat. Inzien dat als een nuclide radio-actieve straling uitzendt, de massa verandert. De radio-actieve vervalwet opstellen en toepassen in eenvoudige gevallen. De radioactieve reeksen verklaren en inzien dat de mogelijkheid bestaat om kunstmatige radionucliden te maken. - Indien dat er in de atoomkern grote energieën aanwezig zijn die de protonen en neutronen samenhouden. - Het begrip massadefect begrijpen en met voorbeelden toepassen. - Het verschil uitleggen tussen kernfissie en kernfusie. - Enkele toepassingen van radio-activiteit, zowel positieve als negatieve, bespreken. - Inzien dat de veiligheidsaspecten bij kernfysica van groot belang zijn. 4.4

2de leerjaar: LABORATORIUM

4.4.1


4.4.1.1 4.4.1.2 4.4.1.3

De grootte van de centripetale kracht aantonen en meten. De periode van een slinger experimenteel onderzoeken. De periode van een massa aan een veer experimenteel onderzoeken

17 4.4.2

TOEPASSINGEN VAN TRILLINGEN EN GOLVEN

4.4.2.1

Geluid

- De verschillende factoren die het optreden van staande geluidsgolven in een open en in een gesloten glazen buis beïnvloeden, experimenteel onderzoeken. - De geluidssnelheid in lucht bepalen. 4.4.2.2

Wisselstroom

- De faseverschuiving bij wisselstroomketens experimenteel bepalen. - Experimenteel afleiden dat de inductiviteit van een spoel toeneemt naarmate men een ijzeren kern dieper in de spoel schuift. - Experimenteel aantonen dat in een RCC-keten de stroomsterkte maximaal is voor bepaalde waarden van L en C. - De capaciteit bepalen via meting van reactanties. - De transformator experimenteel onderzoeken. - Het vermogen van een RLC-kring bepalen met een voltmeter, een ampèremeter en een wattmeter. Hieruit de arbeidsfactor bepalen. 4.4.2.3


- De roosterconstante van een rooster via diffractie van monochromatisch licht van gekende golflengte bepalen. - De golflengte van licht via interferentie aan twee spleten via de proef van Young bepalen. - De factoren die de draaiïng van het polarisatievlak beïnvloeden bij optisch actieve stoffen, experimenteel bepalen. - De elementaire lading van een elektron experimenteel afleiden. - Onderscheid maken tussen een continu en een discreet spectrum. 4.4.3

ELEKTRONICA (LAB)

4.4.3.1

Werking van een diode

- De stroomspanningskarakteristiek van een diode (b.v. een junctiediode, een LED) experimenteel bepalen. - De gelijkrichtende werking van een diode experimenteel aantonen. 4.4.3.2

Transistor als schakelaar

- Een eenvoudige toepassing van de transistor als schakelaar (b.v. een temperatuurmeter, een lichtmeter ...) bouwen en de werking verklaren. 4.4.3.3

Karakteristieken van transistoren

- De transferkarakteristiek en de uitgangskarakteristiek van een GES experimenteel bepalen. 4.4.3.4

Transistor als versterker in GES

- Een ééntrapsversterker in GES bouwen en de spanningsversterking experimenteel bepalen.

18 4.4.3.5

Versterking met IC (U)

- Met behulp van opamps een inverterende of een niet-inverterende versterker bouwen en de versterking experimenteel bepalen. 4.4.3.6

Schakelen met poorten (U)

- De werking van enkele logische poorten (NAND, NOR, INVERTER) experimenteel onderzoeken. - De geldigheid van enkele theorema's van de Boolse algebra experimenteel via schakelingen met logische poorten aantonen. 4.4.3.7

Bistabiele flipflop (U)

- Een bistabiele multivibrator met behulp van NAND-poorten opbouwen en de werking ervan aantonen. 4.4.3.8

Monostabiele en astabiele multivibrator (U)

- Een monostabiele multivibrator en een astabiele multivibrator met behulp van NAND-poorten opbouwen en de werking ervan aantonen. 4.4.3.9

Opamp (U)

- Enkel eenvoudige opampschakelingen (b.v. een optelschakeling, een aftrekschakeling, een comparator, een astabiele multivibrator ...) opbouwen en de werking ervan verklaren. 4.4.4


Aantonen dat verschillende behandelde verschijnselen praktisch nut hebben in een aantal toestellen uit de praktijk. 5

LEERINHOUDEN

5.1


5.1.1

MECHANICA

5.1.1.1

Bewegingsleer

- Rust en beweging: . relatieve beweging, . referentiestelsel, . baan, . afgelegde weg, . tijdsverloop, . plaatsvector. - De eenparig rechtlijnige beweging: . begrip snelheid, . st- en vt-diagrammen, . snelheidsvector.

(3 u./w.)

19 - De eenparig veranderlijke beweging: . begrip versnelling, . st-diagrammen en vt-diagrammen, . versnellingsvector. - De eenparig cirkelvormige beweging. (U) - De valbeweging: . luchtweerstand, . begrip aardversnelling. - Samenstellen van bewegingen. (U) 5.1.1.2

Krachtenleer

- Het begrip kracht (herhaling): . statische en dynamische uitwerking van kracht, . het traagheidsbeginsel, . actie en reactie, . verband kracht en versnelling, . kinetische energie, . centripetale kracht (U). - Algemene gravitatie, zwaartekracht. - Moment van een kracht, rotatie, evenwicht van lichamen. - Krachtstoot en behoud van hoeveelheid van beweging. 5.1.1.3

Recentere inzichten in de mechanica

- Rustmassa en veranderlijkheid van de massa. - Verband massa en energie. 5.1.2


5.1.2.1


- Aantonen van ladingen. - Geleiders en niet-geleiders. - De wet van Coulomb. 5.1.2.2

Veldwerking

- Elektrisch veld, veldlijn, flux. - Elektrische potentiaal. - Spanning. 5.1.2.3 -

Ladingstransport

Elektrische stroom. Stroomsterkte. De wet van Ohm. Warmte-effect van de elektrische stroom. Toepassingen, bijvoorbeeld: . verwarming; . automatische smeltveiligheid; . gloeilamp. - Vermogen van een elektrisch toestel.

20 5.1.2.4


- Wetten van Kirchhoff. - Vervangingsweerstand bij serie- en parallelschakelingen. - Toepassingen: . shunt, . voorschakelweerstand. - Wetten Pouillet. - Brug Wheatstone. - Inwendige weerstand; veralgemeende wet van Ohm. 5.1.2.5 -

Condensatoren

Definitie en soorten. Begrip capaciteit. Verloop van laden en ontladen. Schakelen van condensatoren. Onderzoek dunne vlakke condensator. (U) Energie van een condensator. (U)

5.1.3

ELEKTROMAGNETISME

5.1.3.1

Magnetische verschijnselen

- Kenmerken en krachtwerking van magneten. - Verklaring van magnetisme. - Magnetische werking van de elektrische stroom. 5.1.3.2 -

Magnetische inductie

Magnetisch veld, veldlijnen, veldsterkte. Inductie, flux. Permeabiliteit. Verband inductie en stroomsterkte. Inductiewetten van Faraday. Self. Energie van een solenoïde.

5.1.3.3

Magnetische krachtwerking

- Arbeid bij elektromagnetische krachten: wet van Lorentz. - Toepassingen van elektromagneten bijvoorbeeld: . de bel, . het relais, . generatoren, . inductieklos van Ruhmkorff, . luidsprekers, . motoren.

21 5.2


5.2.1

MECHANICA

5.2.1.1 5.2.1.2 5.2.1.3 5.2.1.4 5.2.1.5

Snelheid meten Versnelling bepalen Aardversnelling bepalen Verband kracht en versnelling Onderzoek van de paraboolbeweging

5.2.2

ELEKTRICITEIT

5.2.2.1 5.2.2.2 5.2.2.3 5.2.2.4 5.2.2.5 5.2.2.6 5.2.2.7 5.2.2.8 5.2.2.9 5.2.2.10

Warmtecapaciteit van water elektrisch bepalen Wet van Ohm Wetten van Pouillet Brug van Wheatstone Serie- en parallelschakelingen Karakteristieken van een gloeilamp Veralgemeende wet van Ohm Schakelen van condensatoren Ontladen van een condensator in een RC-keten Invloed van diëlectricum bij condensatoren

5.2.3

ELEKTROMAGNETISME

5.2.3.1 5.2.3.2 5.2.3.3 5.2.3.4

Bepalen magnetische veldsterkte Magnetische inductie Zelfinductie van een spoel Hysteresislus in ijzer

5.2.4


(2 u./w.)

Bijvoorbeeld de TL-lamp, gelijkstroommotoren, werking van meettoestellen, smeltveiligheden, verliesstroomschakelaar. 5.3


5.3.1


5.3.1.1

De harmonische trilling

- De eenparig cirkelvormige beweging: . baansnelheid, . hoeksnelheid. - Harmonische trilling: . amplitude, . frequentie, . periode, . fase. - Toepassingen onder andere: . veer, . wiskundige slinger, . dobberend lichaam.

(3 u./w.)

22 5.3.1.2

Eigenschappen van golven

- Longitudinale en transversale golven. - Kenmerken van lopende golven: . absorptie, . terugkaatsing, . breking, . buiging, . interferentie, . staande golven, . resonantie. 5.3.2


5.3.2.1

Geluid

- Kenmerken: . toonhoogte, . toonsterkte, . toonkleur. - Terugkaatsing van geluidsgolven: . echo en nagalm. - Dopplereffect. 5.3.2.2 -

Wisselstroom

Ontstaan van wisselspanning. Faseverschil tussen stroom en spanning in RL, RC, en RLC-ketens. Reactantie en impedantie. Vectorvoorstelling bij ketens. Vermogen bij wisselstromen. Arbeidsfactor. Transformator. Driefasenstroom.

5.3.2.3


- Ontstaan van em-golven. - Het elektromagnetisch spectrum. - Toepassingen: . radiogolven; . microgolven; . zichtbaar licht; . UV-, IR- en röntgenstralen; - Polarisatie van licht. - De laser. (U) 5.3.3

ELEKTRONICA

5.3.3.1

Halfgeleiders

- Soorten halfgeleiders (zuivere en verontreinigde) en hun kenmerken. - PN-junctie en eigenschappen: ontstaan en gevolg van de diffusiespanning.

23 - Invloed van uitwendige potentiaal. 5.3.3.2

Diodes

- Junctiediodes: . samenstelling en werking; . typische eigenschappen: verband stroom-spanning; inwendige weerstand; invloed van temperatuur en elektrisch veld; . kenmerkende grootheden en grenswaarden. - Soorten diodes: . vermogensdioden; . schakeldioden; . zenerdioden; . LED. - Toepassingen van diodes. - Gelijkrichting (enkelzijdige, dubbelzijdige, afvlakking). 5.3.3.3

Transistoren

- Junctietransistor: . samenstelling en werking; . fundamentele schakelingen (GES, GBS, GCS); . stroom-spanningkarakteristieken, uit- en ingangkarakteristieken, transfertkarakteristieken bij GES, . parameters: uitgangsadmittantie; stroomversterking; ingangsweerstand. - Soorten transistoren (U): . kleinsignaaltransistoren; . schakeltransistoren; . vermogenstransistoren; . fototransistoren; . transistoren voor hoge spanningen: Darlington. - Toepassingen: de transistor als versterker en als schakelaar. 5.3.3.4

Operationele versterkers (U)

- Basiskenmerken: de ideale opamp. - Fundamentele schakelingen: inverterende en niet-inverterende. - De verschilversterker en de sommeerschakeling. 5.3.3.5

Digitale bouwstenen (U)

- Logische componenten(sequentiële en combinatorische). - Geheugencomponenten. - Werking van de monostabiele en astabiele multivibrator.

24 5.3.4

KERNFYSICA

5.3.4.1

Radio-actieve straling

- Ontstaan, kenmerken, soorten. - Meten van radio-activiteit, eenheden. 5.3.4.2 -

Radio-activiteit

Radio-actieve vervalwet. Radio-actieve reeksen. Kunstmatige radio-activiteit. Kernbinding, bindingsenergie. Massadefect, energiebalans. Toepassingen: . kernfissie en kernfusie; . toepassingen in geneeskunde en industrie; . kerncentrales; . ouderdomsbepaling; . deeltjesversnellers (U).

5.4


5.4.1


5.4.1.1 5.4.1.2 5.4.1.3

Centripetale kracht Slinger Dynamische bepaling van de veerconstante

5.4.2

TOEPASSINGEN VAN TRILLINGEN EN GOLVEN

5.4.2.1

Geluid

- Proef van Kundt. - Bepalen van de geluidssnelheid. 5.4.2.2 -

Onderzoek van RC-, RL- en RLC- ketens. Resonantie in een RLC-keten. Inductiviteit van een spoel. Capaciteitsmetingen. Transformator. Bepalen van het vermogen met een wattmeter.

5.4.2.3 -

Wisselstroom


Het bepalen van een roosterconstante. Proef van Young. Proef met gepolariseerd licht. Grootte van de elementaire lading bepalen (proef van Millikan) (U). Spectroscopie (U).

(2 u./w.)

25 5.4.3

ELEKTRONICA

5.4.3.1 5.4.3.2 5.4.3.3 5.4.3.4 5.4.3.5 5.4.3.6 5.4.3.7 5.4.3.8 5.4.3.9

Werking van een diode Transistor als schakelaar Karakteristieken van transistoren Transistor als versterker in GES Versterking met IC (U) Schakelen met poorten (U) Bistabiele flipflop (U) Monostabiele en astabiele multivibrator (U) Opamp (U)

5.4.4


Technische onderwerpen, eventueel in het kader van de geïntegreerde proef (U). Bijvoorbeeld: het bouwen van een eenvoudige radio-ontvanger, wisselstroommotoren ... 6

METHODOLOGISCHE WENKEN

Het lijkt ons vanzelfsprekend dat de theorie en het laboratorium door dezelfde leraar gegeven worden. 6.1


6.1.1

MECHANICA

6.1.1.1

Bewegingsleer

De begrippen snelheid en versnelling kunnen experimenteel ingevoerd worden. Men kan de snelheid van een luchtbel meten of de versnelling van een knikker. In de studierichting Techniek wetenschappen kunnen de leerlingen met behulp van het aanwezige materiaal de proeven zelf uitvoeren, we verwijzen daarvoor naar het lab. Vermits de leerlingen reeds beter vertrouwd zijn met de begrippen kracht en arbeid zal de hoofdwet van de dynamica F=m.a beter begrepen worden. Sommige fysische grootheden worden door algebraïsche getallen voorgesteld en andere door vectoren. Geeft zeker de nodige aandacht aan grafieken, niet alleen aan de constructie, maar ook aan de interpretatie ervan. Het begrip g werd reeds in het 1ste leerjaar van de 2de graad ingevoerd als verhouding van kracht op massa. De aandacht moet gevestigd worden op de veranderlijkheid van de g-waarde. Bij het samenstellen van bewegingen kan men de horizontale en of de schuine worp bestuderen. Merk op dat dit geen essentieel onderdeel is van de leerinhouden. Er kan van een computersimulatie gebruik gemaakt worden. 6.1.1.2

Krachtenleer

Het begrip kracht wordt kort herhaald. Belangrijk is dat we de leerlingen erop wijzen dat naast de statische uitwerking van kracht er ook een dynamische uitwerking is. Het hangen van massa's aan een veer geeft de statische uitwerking; dezelfde veer uit evenwicht trekken geeft de dynamische uitwerking. Aan het begrip moment van een kracht moet ook de nodige aandacht gegeven worden vermits dit zeer veel toepassingen heeft. Hier kan men het begrip rotatie uitleggen.

26 6.1.2


6.1.2.1


De soorten elektrische ladingen en de krachtwerking tussen deze elektrische ladingen kunnen experimenteel aangebracht worden met eenvoudige proeven. Men kan met gewreven ebonieten staven vliermergbolletjes, papiersnippers aantrekken. Men kan ook gebruik maken van een rietje dat in horizontale stand draaibaar is opgesteld, door het vast te prikken met een speld op een kurk. De krachtwerking die we vaststellen bij de wet van Coulomb wordt beschreven door eenzelfde mathematische vorm als de krachtwerking bij de zwaartekracht uit de mechanica. Vergelijk de constante van de Coulombkracht nl. 9.109 Nm2/C2 en stel vast dat ze veel groter is dan de constante van de zwaartekracht, nl. 6.10-11 Nm2/kg2. Elektrische stroom kan gedefinieerd worden als bewegen van ladingen. De uitwerkingen van elektrische stroom kunnen proefondervindelijk worden afgeleid, zo kan het warmte-effect geïllustreerd worden door bijvoorbeeld water te verwarmen met een elektrische dompelaar of door de omgevingstemperatuur van een gloeilamp bepalen. 6.1.2.2

Veldwerking

Het elektrisch veld kan visueel zichtbaar gemaakt worden door experimenten met ricinusolie en griesmeel. Het begrip potentiaal kan dan als uitgangspunt dienen voor spanning. 6.1.2.3

Ladingstransport

De wet van Ohm moet experimenteel afgeleid worden. Dit kan ook met een real-time meting als voorbeeld van integratie van de computer in de fysica. Laat de leerlingen het vermogen van enkele elektrische toestellen opzoeken. Laat de leerlingen berekenen wat een avondje TV-kijken of het wassen en drogen van linnen kost. De gemiddelde elektriciteitsrekening kan hier ook berekend worden. 6.1.2.4


Hier worden experimenteel de bekende wetten van de serie- en parallelschakeling, de wetten van Pouillet en de brug van Wheatstone afgeleid. Met de shunt en voorschakelweerstand kan men de leerlingen op eenvoudige manier het meetbereik van een A-meter en een V-meter laten aanpassen. Het begrip inwendige weerstand van een batterij, elektromotorische spanning (EMS) en klemspanning kunnen experimenteel bepaald worden. 6.1.2.5

Condensatoren

Toon de leerlingen de grote variatie condensatoren die gebruikt worden zoals de luchtcondensator, de papiercondensator, de elektrolytische en de keramische condensator. Ze kunnen ook als voorbeeld dienen voor de miniaturisatie van één van de componenten van de elektronica. Laad- en en ontlaadcurve van een condensator worden experimenteel afgeleid, eventueel via een real time-meting. Tenslotte leiden we ook de formule voor de energie van een condensator nl.E=1/2 C.U 2 af. Er kan verwezen worden naar de analogie met de formule voor de kinetische energie.

27 6.1.3

ELEKTROMAGNETISME

De eigenschappen van magneten leiden we af met enkele experimenten, onder andere aantrekken en afstoten van magneten, vinden van noord- en zuidpool, krachtwerking van stromen op elkaar. We verwijzen naar de analogie tussen elektrische en magnetische krachten. Hier geldt dat twee gelijknamige polen (ladingen) elkaar afstoten en twee ongelijknamige polen (ladingen) elkaar aantrekken. Magnetische veldsterkte is analoog met elektrische veldsterkte en kan met een proef met ijzervijlsel getoond worden. We voeren hier ook experimenteel het begrip permeabiliteit in (met b.v. de hysteresislus van ijzer). Het verband tussen permeabiliteit, permittiviteit en lichtsnelheid kan gebruikt worden als eerste aanwijzing van het elektromagnetisch karakter van licht. Het is hier zeker mogelijk om de aandacht te trekken op vele toepassingen zoals de elektrische bel, de luidspreker, de magnetische deuropener, het relais enzovoort. 6.2


We herinneren er nog eens aan dat de leerlingen vertrouwd zijn met de benaderingsregels in verband met de meetnauwkeurigheid. Het spreekt vanzelf dat het labwerk een ideale gelegenheid is om dit telkens toe te passen. 6.2.1

MECHANICA

Met een glazen buis gevuld met glycerine die een luchtbel bevat kan men de snelheid van deze luchtbel meten. Een andere schuine stand van de buis geeft een andere snelheid. Hier kunnen de st-diagrammen praktisch geoefend worden. Van een U-vormige staaf die men schuin houdt kan men een knikker laten afrollen waarvan men de snelheid en de versnelling kan meten. De leerlingen kunnen hier st-diagrammen leren te kenen. Om de valbeweging experimenteel te onderzoeken moet men over de geschikte opstelling beschikken Een wagentje op een rolweg kan men belasten met verschillende massa's en onderwerpen aan verschillende krachten en is uitstekend geschikt om het verband tussen F, m en a af te leiden. Het onderzoek van de paraboolbeweging kan gebeuren met een schuin geplaatste plank, voorzien van een klein hellend vlakje met rolgeul voor een knikker. De baan wordt zichtbaar gemaakt via een blad papier waaronder carbonpapier ligt. Hieruit kan het kwadratisch verband worden afgeleid. De paraboolbeweging kan ook met een computersimulatie geïllustreerd worden. 6.2.2

ELEKTRICITEIT

Beschikt men over een calorimeter (thermos) en een elektrische dompelaar, dan kan men hieruit de specifieke warmtecapaciteit van water bepalen. Klassieke schakelingen met twee of meer weerstanden in parallel of in serie geschakeld kunnen dienen om de substitutieweerstand van de schakeling te meten. De twee types kerstboomlampjes op de markt kunnen ook hier getest worden door het uitdraaien van een lampje. Laat de leerlingen ook de kostprijs van de twee types kerstboomlampjes vergelijken. Met een eenvoudige draad waarvan men de lengte, de dikte en de aard van het materiaal kent, kan men de wet van Ohm en de wetten van Pouillet afleiden. Het spreekt vanzelf dat een minimum aantal meettoestellen (multimeters) hier wenselijk is. Eenvoudige toestellen die alleen gelijkstroom meten, volstaan niet. Het gebruik aanleren van deze toestellen vereist zeker de nodige tijd in het lab. Om het een beetje praktisch te houden kan men de leerlingen in het lab ook de verschillende types smeltveiligheden leren vervangen en hier op het gevaar van elektrokutie wijzen.

28 De karakteristieken (stroomsterkte, spanning, vermogen) van een gloeilamp of een ander elektrisch toestel kunnen in het lab worden gemeten. De veralgemeende wet van Ohm leiden we af door gebruik te maken van een standaardbatterij van 1.5 V en een weerstandsdraad van enkele Ohm. Een condensatorbank kan dienen om de capaciteiten van de in serie of in parallel geschakelde condensatoren te meten. Met een micro-ampèremeter, een condensator van 100 µF, een weerstand van 40 kOhm en een batterij van 1.5 V, kan men de ontlaadstroom meten. Het maken van een I,t-diagram is hier aan te raden. 6.2.3

ELEKTROMAGNETISME

Beschikt men over enkele verschillende spoelen met bijvoorbeeld dezelfde oppervlakte maar verschillende lengte en over spoelen met zelfde lengte met verschillende oppervlakte, dan kan men hieruit de magnetische veldsterkte en de magnetische inductie bepalen. Kan men in die spoel ook een ijzeren kern brengen, dan kan men de zelfinductiecoëfficient van de spoel bepalen. Dit kan uit de gegevens van de spoel of door meting van bijvoorbeeld stroomsterkte en flux. Men kan de twee waarden vergelijken en de procentuele afwijking vaststellen. 6.2.4


Een aantal onderwerpen die aansluiten bij de leerinhouden, maar niet expliciet vermeld staan, kunnen hier aan bod komen. Het spreekt vanzelf dat leerlingenexperimenten de voorkeur krijgen. Dit sluit niet uit dat bepaalde video's of het bespreken van een wetenschappelijke tekst niet aan bod mogen komen. De TL-lamp kan hier worden bestudeerd, al of niet samen met de karakteristieken van een gloeilamp. De werking van het neonlampje (starter) en de zelfinductie (massa) kunnen hier nog maar eens de link leggen tussen elektriciteit en magnetisme ... 6.3


6.3.1


De toerenteller bij een auto kan als voorbeeld dienen om het begrip hoeksnelheid van de cirkelvormige beweging te leren kennen. De centripetale kracht kan worden behandeld bij gebruik van de slinger waar we duidelijk de werking van deze kracht zien. De leerlingen kennen uit de ervaring eerder de fictieve centrifugale kracht, onder andere bij het uit de bocht gaan bij te snel rijden. Corrigeer deze misvatting. Spreek alleen over centripetale kracht. Het onderscheid tussen longitudinale en transversale golven kan met een touw, met de rimpeltank, met transparanten of met een computersimulatie aangetoond worden. Algemene kenmerken van golven zoals absorptie, terugkaatsing, breking, buiging en interferentie kunnen, bijvoorbeeld met de rimpeltank, met "slinky"-veer, met de laser of met geluidsgolven experimenteel worden afgeleid. In een studierichting zoals Techniek-wetenschappen kan men eventueel de interferentie van golven ook wiskundig behandelen. 6.3.2


6.3.2.1

Geluid

Het Dopplereffect kan geïllustreerd worden met praktische voorbeelden zoals de geluidssirene van de 100, de flitsradar van de rijkswacht, de roodverschuiving bij sterren.

29 6.3.2.2

Wisselstroom

Een wisselspanning kan men opwekken door een magneet te laten draaien in een spoel wat een wisselende uitwijking levert op een ampèremeter. De begrippen reactantie en impedantie kunnen met een spoel met ijzeren kern en een capaciteitenbank experimenteel aangebracht worden. De vectorvoorstelling van diverse ketens is hier mogelijk. Het diagram van Fresnel geeft ons de mogelijkheid met behulp van vectoren de ketens voor te stellen. We berekenen ook het vermogen van wisselstroom. De arbeidsfactor kan met een wattmeter gemeten worden. De oscilloscoop is een nuttig didactisch hulpmiddel. De fase-verschuiving kan echter ook met een real-time meting aangetoond worden. 6.3.2.3


Van het em-spectrum behandelen we radiogolven, microgolven, zichtbaar licht, UV- en IR- en X-stralen. Bij radiogolven kunnen de begrippen draaggolf, amplitude- en frequentiemodulatie uitgelegd worden. De verklaring van de werking van de microgolfoven is een mogelijkheid om de werking van microgolven uit te leggen. Licht, UV en IR worden met diverse lampen, de zonnebank en warmtestralers als voorbeeld besproken. Het gevaar van X-straling bij veelvuldig doorlichten kan hier ook behandeld worden. Gebruik van gepolariseerd licht bij het onderzoek van de concentratie van suikeroplossingen kan gedemonstreerd worden indien men over een polarimeter beschikt. Men kan bijvoorbeeld ook de werking van een polaroid zonnebril uitleggen. De laser is een nuttig didactisch hulpmiddel en kan zowel bij diffractie, interferentie en polarisatie gebruikt worden. 6.3.3

ELEKTRONICA

De cursus Elektronica moet op een experimentele wijze basisbegrippen bijbrengen met als voornaamste studiegebieden de halfgeleiders, de diodes en de transistoren. Het is essentieel dat de leerlingen inzicht krijgen in het onderscheid tussen een geleider en een isolator. Het begrip gat wordt toegevoegd aan het begrip elektron. De componenten kunnen bijvoorbeeld grafisch benaderd worden door het meten, aflezen en gebruiken van grafieken. 6.3.3.1

Halfgeleiders

Het is niet de bedoeling te veel tijd te besteden aan de fysische achtergrond van halfgeleiders. De halfgeleiders situeren zich tussen de geleiders (metalen) en de niet-geleiders. Men kan vertrekken van de structuur van een halfgeleider (zuivere b.v. Si of gemengde b.v. GaAs of SiC ). Men brengt dan de begrippen geleidingsband en valentieband aan. Wegens de grote energie-afstand daartussen is een zuivere halfgeleider bij -273 oC een perfecte isolator. Bij kamertemperatuur ontstaan dan gaten in de valentieband. Verontreiniging van de halfgeleider leidt gemakkkelijk tot P- en N-halfgeleiders (acceptor- en donorniveau). Bij elkaar brengen van N- en P-halfgeleiders resulteert in een diode met diffusie van elektronen en gaten, een verarmingslaag, een inwendig elektrisch veld en een potentiaalsprong. Doorlaat- en spertoestand zijn zo vlot te verklaren.

30 6.3.3.2

Diodes

Junctiediodes Het verschil tussen een Ge- en Si- diodes kan aangegeven worden op grafiek. De drempelspanning en de junctietemperatuur bij Ge zijn lager dan bij Si. De sperstroom van Ge is hoger dan bij Si. Diodekarakteristieken kunnen ofwel punt per punt opgenomen worden en dan in een grafiek uitgezet worden, ofwel met behulp van een oscilloscoop zichtbaar gemaakt worden, ofwel met real time-metingen opgenomen worden. Soorten diodes Hierbij kan telkens een toepassing besproken worden. Een Zenerdiode kan gebruikt worden voor spanningsstabilisatie. Een LED wordt gebruikt voor de weergave van cijfers in een 7-segmentsdisplay. Een zonnecel is eigenlijk een soort spanningsbron. De sperstroom van een fotodiode is lichtafhankelijk. Na versterken van deze sperstroom krijgt men een bruikbare lichtmeter. Zie ook de fototransistor die onder invloed van licht een veranderlijke weerstand heeft en bijvoorbeeld in een fototoestel wordt gebruikt voor het meten van de lichtsterkte. Toepassingen Amplitudemodulatie (AM) is een voorbeeld van het gebruik van enkelzijdige gelijkrichting. De gelijkrichtende werking van een diode kan goed geïllustreerd worden, indien men gebruik maakt van LED's en van een wisselspanningsgenerator die in staat is spanningen met een voldoende lage frequentie te leveren. Een beschrijving vindt men bijvoorbeeld in The School Science Review (SSR) Vol 67, nr. 239. Als toepassing van de diode kan men bijvoorbeeld de leerlingen een kristalontvanger laten bouwen. Een beschrijving vindt men onder andere in "Electronica, echt niet moeilijk - Deel 2". (Uitgave Elektuur B.V.). 6.3.3.3

Transistoren

De junctietransistor Het transistoreffect (in GBS) kan met volgend proefje aangetoond worden. Een transistor bevat in de basis-emittorkring een bron en een lampje(1) van 50 mA. Hetzelfde voor de basis-collectorkring. Bron e-b gesloten, bron c-b open: lampje(1) brandt, lampje(2) is gedoofd. Bron e-b open, bron c-b gesloten: lampjes blijven gedoofd (c-b diode staat in sper). Bron e-b gesloten en bron c-b gesloten: beide lampjes branden. Vanuit de karakteristiekenbundel kan aangetoond worden dat er bij het aanleggen van een ingangssignaal versterking en fase-draaiing optreedt. De parameters kunnen bepaald worden vanuit de karakteristiek. Met die parameters kan ook het equivalent model van de transistor op wisselspanningsgebied verklaard worden. Dit kan eventueel ook toegepast worden om de spanningsversterking te bepalen vertrekkend vanuit een bestaand schema. Soorten transistoren (U) Gegevens uit een databoek (te verkrijgen bij leveranciers van elektronisch materiaal) kunnen gebruikt worden om de kleinsignaaltransistor te vergelijken met de vermogenstransistor. Fototransistoren zijn in feite een combinatie van een fotodiode met een versterking. In de glasvezeltechniek gebruikt men fototransistoren als koppeling.

31 Toepassingen De theoretische versterking van een schakeling kan bepaald worden via het equivalent schema en via parameters afkomstig uit een databoek. Daarna kan de schakeling opgebouwd worden, een ingangssignaal aangelegd worden en het verkregen uitgangssignaal vergeleken met de theoretisch verkregen waarde. Als eenvoudige toepassingen van de transistor als schakelaar kan men de leerlingen op breadboard een temperatuurmetertje (sensor NTC), een lichtmeterje (sensor LDR), een parkeerlichtschakeling ... laten bouwen. Met behulp van LED's en een fototransistor kan een eenvoudig colorimetertje gebouwd worden dat bruikbaar is in het chemielab. Als toepassing van de transistor als versterker kan een eenvoudige radio-ontvanger gebouwd worden, die kan vergeleken worden met de kristalontvanger. Beschrijvingen van al deze schakelingen vindt men in onder andere Elex, "Elektronica, echt niet moeilijk", SSR, de Plon-uitgaven, de reeks Engineer's Mini-Notebook ... Men vindt er ook eenvoudige schakelingen rond Opamps en het 555-timer IC. 6.3.3.4

Operationele versterkers

De integrator- en de differentiatorschakeling kan worden gebruikt om de link met de wiskunde te leggen, 6.3.3.5

Digitale bouwstenen

Het gebruik van geheugencomponenten kan worden aangetoond door het werkingsprincipe van een looplicht uit te leggen. 6.4


6.4.1


Een toestel waarmee men de centripetale krachten kan meten, is bij didactische firma's te koop. Een goedkoop alternatief is de volgende opstelling. We laten een glazen buisje, waarin een rubberstop zit die vastgehecht is aan een vissnoer, rondcirkelen. De centripetale kracht wordt dan gegeven door de zwaartekracht op de gekende massa onderaan het vissnoer. Proeven met een slinger zijn gemakkelijk uitvoerbaar. Men kan de afhankelijkheid van de periode in functie van bijvoorbeeld de lengte onderzoeken. Hangt men aan een veer verschillende massa's en trekt men deze massa's enkele centimeters uit hun evenwichtsstand, dan kan men de periode bepalen van de trilling. Men kan dan bijvoorbeeld deze experimentele periode vergelijken met de theoretische periode. In verband met resonantie zijn er interessante videobanden verkrijgbaar bij Teleac en bij het Centrum voor Informatie en documentatie, Koningsstraat 150, te 1000 Brussel, tel. (02)210 54 00. 6.4.2


6.4.2.1

Geluid

Met een frequentiegenerator en een luidspreker kan de proef van Kundt uitgevoerd worden in functie van de frequentie. Met de frequentiegenerator kan men ook de grenzen van het hoorbaar spectrum vaststellen. Om de geluidssnelheid te meten kan men gebruik maken van een stemvork en een open buis of een halfgesloten buis. Men bepaalt waar de maximale geluidssterkte is.

32 6.4.2.2

Wisselstroom

In diverse ketens kan men bijvoorbeeld eerst met gelijkstroom en dan met wisselstroom meten. De typische eigenschappen voor een weerstand, een condensator en een spoel kunnen dan vastgesteld worden. Het diagram van Fresnel dient om de aard van de keten te bepalen (capacitief of inductief) en om de fasehoek af te leiden. Men kan eveneens de inductie van een spoel of de capaciteit van een condensator meten. Met een opbouwtransformator kan men de transformatorconstante bepalen en het vermogen meten. Beschikt men over een wattmeter, dan kan ook de arbeidsfactor van deze transformator bepaald worden. 6.4.2.3


Een goniometer en een rooster kunnen gebruikt worden om de roosterconstante te bepalen. Men kan hier gebruik maken van Na-licht. Gebruikt men wit licht, dan kan men ook de grenzen van het zichtbaar spectrum bepalen. De proef van Young is gemakkelijk uitvoerbaar met laserlicht, omdat dit uiteraard zeer coherent licht is. Beschikt men over een polarimeter, dan kan men een aantal suikeroplossingen maken en daaruit een ijkcurve, die dan toelaat de concentratie suiker in een onbekende oplossing te bepalen. Men kan gebruik maken van D-glucose en van D-fructose die respectievelijk rechts- en linksdraaiend zijn. Hier kan dan weer de link met de chemie gelegd worden. IR- lampen met een verschillend vermogen kan men vergelijken met klassieke lampen met hetzelfde vermogen. We meten dan telkens de temperatuur (gedurende een bepaalde tijd) in functie van bijvoorbeeld de afstand. Beschikt men ook over UV-lampen met identieke vermogens, dan kunnen ook hier dezelfde metingen herhaald worden. Hier kan ook de tijdsduur bij het gebruik van de zonnebank aangetoond worden en de noodzaak van progressief bruinen. De werking van een microgolfoven kan uitgelegd worden. Beschikt men bijvoorbeeld over twee microgolfovens met verschillend vermogen, dan kan van beide de tijd gemeten worden bij het opwarmen van identieke hoeveelheden van een zelfde stof. Men kan eveneens in functie van de hoeveelheid stof meten hoe lang het duurt voor een bepaald gerecht klaar is en daaruit narekenen of het opgegeven vermogen juist is. Het is interessant telkens de temperatuur te meten na 10s, 20s, 30s ... en hieruit met een (temp, tijd)-grafiek te bepalen wat de ideale tijd is om een bepaalde temperatuur te bereiken. Interferentieproeven kunnen met twee luidsprekers gedaan worden. Heeft men een rimpeltank of een laser dan kunnen hiermee ook interferentieproeven uitgevoerd worden. Heeft men dergelijk materiaal niet onmiddellijk ter beschikking, dan kan men gebruik maken van twee identieke transparanten met een reeks concentrische cirkels op. Men kan dan in functie van de afstand van twee middelpunten, het aantal knooplijnen of buiklijnen bepalen. 6.4.3

ELEKTRONICA

In dit domein van de Fysica kunnen zeer veel proeven uitgevoerd worden. Het is in de studierichting Techniek wetenschappen de bedoeling een aantal basisproeven uit te voeren die de werking van de diode en de transistor leren kennen. We meten de stroom van een diode en de belastingsweerstand in doorlaat en in sper. Hier kan men ook de doorlaat- en sperkarakteristiek van diverse diodevarianten zoals Si- , Ge-, schakelen gelijkrichterdioden meten. Het experiment hierboven beschreven in 3.3.1 kan ook als leerlingenproef uitgevoerd worden. In een GES-schakeling met transistoren bouwen we een versterkerschakeling op, bepalen de theoretische versterking en vergelijken met de experimentele waarde. Bij versterking met IC maken we gebruik van een operationele versterker. Een bistabiele flip-flop kan gebruikt worden in een telschakeling. De astabiele monovibrator kan een looplicht sturen.

33 6.4.4


Zoals in het 1ste leerjaar kunnen ook hier een aantal onderwerpen die aansluiten bij de leerinhouden, maar niet expliciet vermeld staan, aan bod komen. Het spreekt vanzelf dat leerlingenexperimenten de voorkeur krijgen. Dit sluit niet uit dat videofilms kunnen bekeken worden of dat wetenschappelijke teksten kunnen besproken worden.

34 TV Toegepaste biologie 1


BEGINSITUATIE

De leerlingen van het 1ste leerjaar van de 3de graad in de studierichting Techniek-wetenschappen kunnen een sterk verschillende achtergrond hebben. Vermoedelijk zullen de meeste leerlingen de basisoptie "Techniekwetenschappen" gevolgd hebben in het 2de leerjaar van de 1ste graad en de studierichting "Techniekwetenschappen" in de 2de graad. Het aantal uren Biologie in de 1ste en 2de graad ziet er dan als volgt uit: 1ste graad 1ste leerjaar 2 u./w. 2de leerjaar 2 of 1 u./w. (+ een pakket van 5 uren Natuurwetenschappen waaronder een aantal biologische items). 2de graad 1ste leerjaar 2 u./w. (1 uur theorie + 1 uur Laboratorium, afgestemd op de lessen theorie) 2de leerjaar 2 u./w. (1 uur theorie + 1 uur Laboratorium). Ook leerlingen uit diverse studierichtingen van het ASO en sommige studierichtingen van het TSO kunnen de studierichting "Techniek-wetenschappen" in de 3de graad aanvatten. Van deze leerlingen kan het aantal uren Biologie in de voorgaande jaren als volgt globaal voorgesteld worden: 1ste graad

max.

1ste leerjaar 2 u./w. 2de leerjaar 2 u./w. (1+1)

min. 2 u./w. 1 u./w.

2de graad 1ste leerjaar 1 u./w. 2de leerjaar 1 u./w.

1 u./w. 0 u./w.

In de 1ste graad verwerft de leerling door observatie op macroscopisch en microscopisch niveau, een eerste inzicht in de structuur van zowel zaadplant als van gewerveld dier (met inbegrip van de mens) gaande tot op het niveau van de cel. Daarna worden de levensverrichtingen voeding, voortplanting, ademhaling, uitscheiding en transport behandeld. In de scholen die in het 2de leerjaar voor twee uur Biologie opteren, worden deze functies zowel bij gewervelde dieren als bij zaadplanten grondig bestudeerd. Indien slechts één uur Biologie in het 2de leerjaar ingericht wordt, bestudeert de leerling de laatste drie functies alleen bij dieren, in hoofdzaak bij de mens. Van verschil tussen plant en dier is, in verband met deze functies geen sprake meer, omdat de tijd ontbreekt om deze proefondervindelijk aan te tonen. Het inzicht in deze functies is daarom beperkter. Daarenboven wordt niet uitgegaan van een biotoopstudie, zodat de leerling ook minder inzicht verwerft in het instandhouden van een natuurlijk evenwicht in en buiten het levend organisme.

35 In het vak Natuurwetenschappen (5 uur per week) in de basisoptie "Techniek-wetenschappen" werden op biologisch vlak de volgende onderwerpen behandeld: - ordenen van levende wezens, - inleiding tot microscopie, - eenvoudige milieu-aspecten. In deze basisoptie wordt het experimenteel werk sterk benadrukt. De beginsituatie van de leerling die de 2de graad bereikt, kan dus sterk verschillen. Dit zal uiteraard gevolgen hebben in de 2de en de 3de graad. In de 2de graad wordt het verschil in de verworven leerinhouden en vaardigheden nog groter en deze accumuleren zich met de voorgaande verschillen. In het 1ste leerjaar van de 2de graad observeert de leerling de organismen tegen de achtergrond van een veranderend milieu. Proefondervindelijk onderzoekt hij hoe planten, dieren en ook de mens op die veranderingen reageren en hoe deze reacties in het organisme gecoördineerd worden. Hierdoor wordt voorlopig een einde gemaakt aan de systematische studie van de verschillende levensverrichtingen. Deze studie vormt een afgerond geheel. De leerstof van het 2de leerjaar vormt in zekere zin een afzonderlijk geheel, maar is toch noodzakelijk om, op een inzichtelijke wijze, de leerstof van de 3de graad te verwerven. In dit 2de leerjaar zoekt de leerling naar een zinvol classificatiesysteem van planten, gebaseerd op normen of criteria die niet steeds absoluut zijn. Dieren worden vervolgens geordend en geclassificeerd in een gegeven systeem. Het plantenrijk en het dierenrijk worden aangevuld met het rijk van de zwammen, het rijk van de eencellige organismen en dit van de bacteriën. Verder onderzoekt hij de verschillende mogelijkheden waardoor individuen met elkaar in relatie staan, en dit voor individuen zowel van dezelfde soort als van verschillende soorten. De leerling stelt vast dat die relaties tot een gezond evenwicht in de natuur leiden en dat dit gemakkelijk door de mens kan verstoord worden. De grondbeginselen hiervan werden reeds bestudeerd in de basisoptie "Techniek-wetenschappen" 2de leerjaar van de 1ste graad. Het classificeren van planten en dieren, en het onderzoeken van onderlinge relaties in hun milieu, vallen volledig weg voor de leerlingen van de niet-wetenschappelijke richtingen. Deze leerlingen hebben dus één jaar helemaal geen Biologie, wat niet alleen leerstofhiaten en het vergeten van leerstof tot gevolg heeft, maar ook een onderbreking in het beoefenen van de wetenschappelijke denk- en werkwijze betekent. De leerlingen die in de 2de graad de studierichting "Techniek-wetenschappen" volgden, kregen nog een bijkomend uur Laboratorium afgestemd op de lessen theorie. Een aantal leerlingen kunnen, behalve het feit dat de geziene leerstof minder grondig behandeld werd, de volgende tekorten vertonen: - biotoopstudie met kennis van enkele lagere planten en dieren; - vergelijkende studie van ademhaling, uitscheiding en transport bij andere organismen dan de mens; - classificatie van planten en dieren; - onderlinge relaties van planten en dieren en hun milieu; - experimenteel werk. Door te putten uit het complementair gedeelte kan men streven naar een zo homogeen mogelijk pakket Biologie in de 1ste en de 2de graad. Wanneer de beginsituatie van de leerlingen in de 3de graad heterogeen blijkt, dan is het absoluut nodig bepaalde leerlingen bij te werken. Het is noodzakelijk de overgangsproblemen met de directie van de school te bespreken en aldus oplossingen uit te werken.

36 2


De algemene doelstellingen Biologie omvatten uiteraard cognitieve, psycho-motorische en dynamischaffectieve componenten. Deze doelstellingen dienen verwezenlijkt te zijn op het einde van het 2de leerjaar van de 3de graad. 2.1

Het verwerven van fundamentele biologische inzichten

- De eenheid van de levende wezens zien in hun complexiteit van vormen. Deze eenheid gaat terug op de chemische samenstelling, de cellulaire opbouw en de specifieke levensfuncties als voeding, ademhaling, transport, excretie, voortplanting, groei, ontwikkeling en meer nog op de onderlinge relatie en interactie bij het leven in gemeenschappen. - Inzicht verwerven in de wijze waarop biologisch evenwicht wordt bereikt in de organismen zelf (homeostase) en tussen de organismen en hun milieu. - Inzichten verwerven in de erfelijkheid: erfelijkheidswetten, chromosoomstructuur, werking van de genen. - Argumenten formuleren voor de evolutietheorie. - De evolutie kennen als toename in organisatiegraad bij de soorten die in de loop der tijden uit elkaar zijn ontstaan. In dit verband eveneens het meer onafhankelijk worden ten opzichte van het milieu kennen. - De unieke situatie van de mens in de natuur beseffen en de belangrijkste plaats die hij daarin bekleedt, aantonen. 2.2

Het duidelijk beheersen van de volgende technieken

- Observatietechnieken: gebruik van loep en vooral van microscoop, waarbij de waarnemingen kunnen vastgelegd worden in schetsen. - Maken van eenvoudige preparaten. - Technieken voor kwalitatieve en kwantitatieve analyse. - Opstellen van proefapparatuur; volgen en controleren van het proefverloop. - Meettechnieken uitvoeren voor lengte, oppervlakte, volume, massa, temperatuur, lichtintensiteit, tijd, zuurtegraad. - Vastleggen van biologische gegevens in tabellen en grafieken; deze en dergelijke tabellen en grafieken interpreteren. - De computer didactisch verantwoord gebruiken.

37 2.3

Het verwerven van een positief-wetenschappelijke probleemaanpak, gericht op de levende natuur

Dit betekent: - zien en formuleren van een probleem; - opstellen van een hypothese; - toetsen van de hypothese aan de werkelijkheid door middel van experimenten; - logisch beredeneren van de vaststellingen; - formuleren van besluiten die geconfronteerd worden met het uitgangspunt of met het hoofdprobleem, waarbij verbanden worden gelegd. Dit impliceert enerzijds een aantal onderzoeksvaardigheden en oefent anderzijds de attitude om een gegeven probleem wetenschappelijk te benaderen. 2.4

Het verwerven van een verantwoorde attitude tegenover de levende natuur

Deze omvat: - aandacht en eerbied voor de levende wezens: planten, dieren en vooral de mens; - verantwoordelijkheid voor eigen leven en voor het voortbestaan van de soort (hygiëne, erfelijkheid, eugenetica); - individuele en collectieve milieuverantwoordelijkheid; interesse voor het gevoerde en het te voeren milieubeleid; - vanuit de Biologie doordringen in problemen met sociale dimensie zoals: voedselprobleem, alcoholisme, druggebruik, luchtverontreiniging, waterbezoedeling, gebruik van insecticiden, geluidshinder. 3


Om inzicht te krijgen in de methodologische aanpak van het vak Biologie in het SO en om de continuïteit in de leerstof van de zes jaren te garanderen, is het aan te raden de programma's Biologie van de 1ste en de 2de graad SO na te kijken. 3.1

Het studie-object in de Biologie van het SO

Zoals in de basisschool wordt in de 1ste graad de Biologie beperkt tot het bestuderen van planten en dieren uit de omgeving. Dit is een voorwaarde om te kunnen uitgaan van waarnemingen en experimenten, en noodzakelijk om verbalisme en krijtbiologie tegen te gaan. Waar in de basisschool enkele planten en dieren bestudeerd worden, bijvoorbeeld de boterbloem, de kat enzoverder, grijpt in de 1ste graad een veralgemening plaats. Het studie-object van het 1ste leerjaar van de 1ste graad is de zaadplant, het gewerveld dier, het zoogdier (met nadruk op de mens). In het 2de leerjaar van de 1ste graad kan het studie-object uitgebreid worden tot lagere planten en ongewervelde dieren voor zover ze een plaats vinden in de inventarisering van de omgeving zonder een grondige studie van hun bouw. In de 2de graad zal deze studie uitvoerig aan bod komen. Zo wordt het studie-object geleidelijk aan algemener om in de 3de graad uit te monden in de studie van levensverschijnselen bij levende organismen en van wetmatigheden binnen de soort en over de soort heen. 3.2

Het observatieniveau in de 3de graad

Samen met de veralgemening van het studie-object wordt in het S.O. het observatieniveau geleidelijk aan verdiept en verfijnd. In de 1ste graad wordt de zaadplant, het gewerveld dier en de mens eerst uitwendig en macroscopisch bestudeerd en dan inwendig macro- en microscopisch, zodat de leerlingen stapsgewijze de verschillende (macroscopische) stelsels, waaruit een zoogdier is samengesteld, kunnen onderscheiden. Deze bestaan uit organen die een gemeenschappelijke functie hebben. Deze organen bestaan op microscopisch niveau uit weefsels die groeperingen van cellen zijn met gelijke functie en vorm. In de 3de graad wordt de cel opnieuw

38 behandeld, maar de studie wordt verfijnd tot op submicroscopisch en zelfs moleculair niveau. De waarneming gebeurt met behulp van een driedimensionaal model van de cel en met behulp van elektronenmicroscopische foto's. Verder worden de levensverrichtingen zoals voeding en spijsvertering, ademhaling, enzoverder opnieuw bestudeerd, maar ook hier verschilt ten dele de benaderingswijze van deze functies. In de 1ste en 2de graad werden ze uiteraard proefondervindelijk, maar slechts kwalitatief bestudeerd, in tegenstelling tot de 3de graad waarin deze functies ook kwantitatief benaderd worden. Zo zullen bijvoorbeeld invloed van CO2-concentratie, lichtintensiteit, golflengte van het licht ... op de fotosynthese onderzocht worden. De werking van deze functies wordt verklaard tot op fysico-chemisch of moleculair niveau. 4

LEERINHOUDEN: THEORIE

4.1

1ste leerjaar

(1 u./w.)

Thema: in stand houden van een individu 4.1.1

DE CEL ALS MORFOLOGISCHE BASISEENHEID

- Submicroscopische structuur van een plantaardige en een dierlijke cel. - Betekenis van gespecialiseerde orgaansystemen bij grotere organismen als schakel tussen individuele cellen en het milieu. 4.1.2

UITWISSELINGEN TUSSEN ORGANISMEN EN HUN MILIEU

4.1.2.1

Voeding (*)

Voeding bij autotrofe organismen - Proces van opname van water en mineralen door wortelharen. - Synthese van C-verbindingen (ondermeer glucose door fotosynthese): . omstandigheden van de fotosynthese (cf. Lab); . het chemisch en het energetisch gebeuren; . beïnvloedende factoren (cf. Lab). Voeding bij heterotrofe organismen -

Intra- en extracellulaire vertering. Enzymwerking bij de vertering (cf. Lab). Absorptieproces, defecatie. Voeding bij zwammen en/of bacteriën (U).

4.1.2.2

Ademhaling (*)

- Gasuitwisseling met het milieu: diffusieproces ter hoogte van de longblaasjes. - Celademhaling: afbraak van glucose met vorming van ATP. 4.1.2.3

Excretie (*)

- Overzicht van de excretieorganen. - Microscopische bouw van de nier (cf. Lab). - Werking van de nier.

39 4.1.3

TRANSPORT BIJ ORGANISMEN

4.1.3.1

Transport bij planten (U)

- Geleidingsweefsel voor opwaarts en neerwaarts transport (cf. Lab). - Transportmechanismen (cf. Lab) 4.1.3.2

Transport bij dieren

- Bloedcirculatie: hartwerking, stromingsmechanismen, bloeddruk. - Bloed: samenstelling; functies: transport (ondermeer van O2 en CO2), homeostase, bescherming. - Lymfevatenstelsel. 4.1.4

VERWERKING VAN DE OPGENOMEN BESTANDDELEN

- Samenhang tussen de functies. - De cel als fysiologische basiseenheid 4.1.5 In de loop van het schooljaar moet minimaal één wetenschappelijke tekst, video, computersimulatie ... die het biosociaal en/of biomedisch aspect van de besproken thema's belicht, behandeld worden. Die tekst, die video of die computersimulatie moet betrekking hebben op één van de besproken items aangeduid met (*). De verwerking hiervan kan ook in het Lab worden geïntegreerd. 4.2

2de leerjaar

Thema: In stand houden van een soort 4.2.1

VOORTPLANTING VAN ORGANISMEN

4.2.1.1

Algemeen

-

Celdelingen: mitose en meiose. Structuur van DNA, duplicatie van DNA. Localisatie van DNA in een bacteriële cel (Prokaryoten-Eukaryoten). Ongeslachtelijke en geslachtelijke voortplanting

4.2.1.2 -

Voortplanting bij de mens

Bouw van het mannelijk en vrouwelijk voortplantingsstelsel. Hormonale regeling bij de vorming en de rijping van de voortplantingscellen. Bevruchting, beginselen van embryologie, geboorte. Regelingsfactoren van de vruchtbaarheid. Wetenschappelijke tekst, video ... onder andere in verband met in vitro fertilisatie, kunstmatige inseminatie, sexueel overdraagbare aandoeningen (AIDS ...).

40 4.2.2

DOORGEVEN VAN DE ERFELIJKE AANLEG VAN GENERATIE OP GENERATIE

4.2.2.1

Variabiliteit binnen de soort

4.2.2.2

Overervingsmechanismen

- Genen gelegen op verschillende chromosomenparen: . mono- en dihybride kruisingen; . vormen van polygenie, cryptomerie en multipele allellen (U). - Genen gelegen op eenzelfde chromosomenpaar: . gekoppelde genen, crossing-over . erfelijkheid van het geslacht, geslachtsgebonden erfelijkheid 4.2.2.3

Wijziging van de erfelijke aanleg

Moleculaire achtergronden van: - genen, - eiwitsynthese, - mutaties. 4.2.3

ONTSTAAN EN EVOLUTIE VAN DE VERSCHILLENDE SOORTEN

Argumenten voor evolutie, evolutietheorieën, evolutie van de mens. 5

LEERPLANDOELSTELLINGEN: THEORIE

5.1

1ste leerjaar



- De cel als morfologische basiseenheid identificeren. - Een overzicht van de voor levensactiviteiten noodzakelijke celstructuren geven. - De noodzaak van gespecialiseerde orgaansystemen bij grotere organismen als schakel tussen individuele cellen en het milieu omschrijven. 5.1.2


5.1.2.1

Voeding

Voeding bij autotrofe organismen - Argumenteren dat de wateropname en de opname van mineralen door passief en actief transport gebeuren. Enkele milieufactoren (tE, O2- en CO2-concentratie) die een invloed hebben op het opnemen van water en mineralen bespreken. - Beschrijven hoe men met waterculturen kan vaststellen welke elementen de plant uit de bodem moet opnemen om tot een normale ontwikkeling te komen (cfr Lab). - Met enkele voorbeelden illustreren dat het ontbreken van bepaalde elementen in de bodem gebreksverschijnselen kan veroorzaken. - Over de herkomst van koolstofverbindingen in de plant een hypothese opstellen en verantwoorden.

41 - Uit een proefondervindelijk onderzoek begin- en eindprodukten van het fotosyntheseproces en voornamelijk de factoren die de fotosynthese-intensiteit beïnvloeden, afleiden (cf. Lab). - Aantonen hoe de submicroscopische structuur van de bladgroenkorrel aangepast is aan het fotosyntheseproces. - Het energetisch en het chemisch gebeuren van de fotosynthese schematisch weergeven. - Een inhoud geven aan het begrip autotroof organisme. Voeding bij heterotrofe organismen - De betekenis van voeding en vertering omschrijven. - Experimenteel vaststellen dat specifieke enzymen in de spijsverteringssappen de reacties van het verteringsproces van sacchariden, eiwitten en vetten katalyseren (cf. Lab). - Bij die experimenten vaststellen dat de enzymatische werking van bijvoorbeeld pepsine door de pH en de temperatuur beïnvloed wordt (cf. Lab). - Een schematisch overzicht geven van de inwerking van de verteringssappen op de voedselbestanddelen. - De betekenis van absorptie van voedingsstoffen omschrijven. - De structuren die de absorptie in de dunne darm bevorderen, aangeven. - Een schematisch overzicht van absorptie, verbruik en stapeling van de voornaamste voedingsstoffen geven. - Met voorbeelden de voeding bij zwammen en/of bacteriën bespreken en het belang van deze orga-nismen in het ecosysteem belichten (U). - Een inhoud geven aan de begrippen endocytose en cellulaire vertering in het lysosoom. - Een inhoud geven aan het begrip heterotroof organisme. 5.1.2.2

Ademhaling

- De structuren die werkzaam zijn bij de gasuitwisseling met het uitwendig milieu bij dieren omschrijven. - De gasuitwisseling bij deze structuren als proces van diffusie tussen het uitwendig en inwendig milieu omschrijven. - Een proef beschrijven waaruit blijkt dat de koolstof van de uitgeademde CO2 uit de voedingsstoffen afkomstig is. - Uitleggen dat organismen voor hun energetische processen steeds ATP gebruiken. - Het proces van de celademhaling analyseren, schematisch voorstellen en lokaliseren in de cel. - De functionele bouw van de mitochondriën beschrijven. - De samenhang tussen gasuitwisseling en celademhaling aangeven. - De kringloop van O2 en CO2 in de natuur schematisch weergeven. 5.1.2.3 -

Excretie

De betekenis van excretie omschrijven. Een overzicht geven van de excretie-organen bij dieren en hun specifieke taak bij de excretie omschrijven. De macroscopische en microscopische bouw van de nieren beschrijven en schetsen (cfr. Lab). Uit een vergelijkende studie van de samenstelling van het bloed, de voorurine en de urine, de processen van filtratie, reabsorptie en bijkomende excretie bij de urinevorming afleiden (cf. Lab). - Het mechanisme van de filtratie, de reabsorptie en de bijkomende excretie bij de urinevorming verklaren. - Uit het proces van de urinevorming de fundamentele rol van de nieren bij homeostase afleiden.

42 5.1.3


5.1.3.1


- De betekenis van open neerwaarts transport bij planten aangeven. - Proeven beschrijven waarmee kan onderzocht worden door welk weefsel opwaarts en neerwaarts transport gebeurt. - Verschillen in bouw tussen xyleem en floëem geven (cf. Lab). - Uit experimenten afleiden dat worteldruk en transpiratiezuigkracht drijvende krachten bij het opwaarts transport zijn (cf. Lab). - De mate waarin transpiratiezuigkracht en worteldruk bij het opwaarts transport bijdragen, bespreken. 5.1.3.2 -


De betekenis van het transport bij dieren omschrijven. De bouw van het hart van een zoogdier en aansluitende bloedvaten beschrijven en schetsen. Het mechanisme van de hartwerking (automatisme en regulatie) uiteenzetten. Een planmatig overzicht geven van grote en kleine bloedsomloop. Aan het begrip "bloeddruk" een inhoud geven. De gelijkmatige stroming van het bloed door middel van de bouw van slagaders en aders verklaren. Volume en samenstelling van het bloed schematisch weergeven. De functie van het bloed op 3 vlakken situeren: transport, bescherming en homeostase. De stoffen die door het bloed worden getransporteerd, opnoemen en uitleggen onder welke vorm ze worden vervoerd. Omschrijven hoe het bloed bijdraagt tot het handhaven van een constant inwendig milieu (homeostase). Uitleggen hoe bloedverlies door bloedstolling kan beperkt worden. Het immuniteitsverschijnsel beschrijven. Uitleggen waarop de indeling van de bloedgroepen in het ABO- en het resussysteem steunt. Het belang van de resusfactor bij zwangerschap verklaren. De bouw en de functie van het lymfevatenstelsel bondig beschrijven.

5.1.4


- De totaalstofwisseling van de cel omschrijven als processen van opbouw en afbraak. - De cel met haar structuren als fysiologische basiseenheid identificeren. 5.2

2de leerjaar



5.2.1.1

Algemeen

-

De mitosedeling inpassen in de celcyclus. De structuur van DNA schematisch voorstellen. De duplicatie van DNA beschrijven. De mitosedeling met haar verschillende stadia op micropreparaten of microdia's herkennen, beschrijven en schematisch voorstellen. - Argumenteren waarom mitosedeling identieke cellen oplevert. - Voorbeelden waarbij mitosedeling tot ongeslachtelijke voortplanting kan leiden, geven. - De betekenis van de meiose bij geslachtelijke voortplanting verwoorden.

43 -

De verschillende stadia van de meiosedeling beschrijven en schematisch voorstellen. Aantonen dat meiosedeling erfelijk verschillende cellen oplevert. De meiose vergelijken met de mitose voor wat betreft aantal en samenstelling van de chromosomen. Een onderscheid tussen diploïde en haploïde cellen maken. De belangrijkste verschilpunten tussen een bacteriële cel (prokaryote cel) en een eukaryote cel geven. De betekenis van de geslachtelijke voortplanting ten overstaan van de ongeslachtelijke voortplanting geven.

5.2.1.2


- Primaire en secundaire geslachtskenmerken bij man en vrouw beschrijven en hun functies opnoemen. - De processen ovogenese en spermatogenese in grote lijnen beschrijven en vergelijken. - De hormonale regeling van de zaadcelvorming en de hormonale regeling van de menstruatiecyclus bij de vrouw beschrijven. - De periode van vruchtbaarheid bij de vrouw berekenen. - Het verloop van de coïtus en de bevruchting beschrijven. - De ontwikkeling van het embryo en de foetus in grote lijnen beschrijven. - Het verloop van de geboorte beschrijven. - De voornaamste middelen voor de regeling van de vruchtbaarheid beschrijven en de voor- en nadelen aangeven. - Een biosociaal probleem vanuit wetenschappelijk en ethisch standpunt benaderen, bijvoorbeeld kunstmatige inseminatie, in-vitro-fertilisatie (reageerbuisbaby's, donormoeders ...), sexueel overdraagbare aandoeningen (AIDS ...). 5.2.2


5.2.2.1


5.2.2.2


- Aan de hand van enkele voorbeelden het verschijnsel van variabiliteit binnen de soort beschrijven en interpreteren. - Een inhoud voor de begrippen fenotype en genotype formuleren. - Uit de beschrijving van proeven van Mendel de wetten van Mendel afleiden. - De resultaten van mono- en dihybride kruisingen verklaren en symbolisch voorstellen. - De begrippen homozygoot, heterozygoot, gen, allel, dominante en intermediaire overerving definiëren. - Uit de beschrijving van experimenten de begrippen multipele allellen, cryptomerie en vormen van polygenie afleiden (U). - Uit experimenten van Morgan het verschijnsel van gekoppelde genen en crossing-over afleiden. - Aangeven dat het geslacht erfelijk bepaald is. - Het begrip geslachtsgebonden erfelijkheid omschrijven. - Steunend op de erfelijkheidswetten vraagstukken oplossen. 5.2.2.3 -


De begrippen modificatie en mutatie omschrijven en vergelijken. Enkele mutagene factoren aangeven en in verband brengen met het leefmilieu. Aan de hand van voorbeelden genoom-, chromosoom- en genmutaties illustreren. De overdracht van erfelijke informatie door DNA bij de eiwitsynthese omschrijven.

44 5.2.3 -


Argumenten die een aanwijzing voor evolutie zijn, aangeven. De theorieën van de Lamarck en Darwin formuleren, met voorbeelden illustreren en kritisch benaderen. Isolatie, mutatie en selectie als factoren die de evolutie beïnvloeden, bespreken. De moderne evolutietheorie verwoorden. Criteria die toelaten fossiele voormensen in de geologische tijdschaal te plaatsen, hanteren.

6

METHODOLOGISCHE WENKEN: THEORIE

6.1

1ste leerjaar



Via lichtmicroscopisch onderzoek van enkele celtypen door de leerlingen uitgevoerd (cf. Lab), herhalen ze de structuur van plantaardige en dierlijke cel. Dit microscopisch onderzoek wordt aangevuld met de studie van elektronenmicroscopische foto's om de fijnere bouw van de cel te ontdekken. Naast beeldmateriaal uit boeken kan hierbij ook gebruik gemaakt worden van CD-ROM- en CDI-systemen. Deze laten een interactief gebruik van een beeldenbank (op Compact Dics) toe. Op die manier komt men tot een vergelijking van plantaardige en dierlijke cel. Het is hier zeker niet de bedoeling iedere celstructuur tot in de fijnste details te ontrafelen. Het is wel de bedoeling te komen tot een algemeen bouwplan van de cel, dat bij plant en dier gelijkaardig is. De functie van de celorganellen wordt besproken bij elk fysiologisch proces dat in de loop van dit leerjaar behandeld wordt. Op het einde van het leerjaar wordt de cel en haar organellen als fysiologische basiseenheid gezien. Om tot de noodzaak van gespecialiseerde orgaansystemen bij grotere organismen te komen wordt gewezen op het feit dat niet alle cellen in rechtstreeks contact staan met het uitwendig milieu. Om dit contact tot stand te brengen zijn orgaanstelsels als schakels noodzakelijk. 6.1.2


6.1.2.1

Voeding

Voeding bij autotrofe organismen - Er wordt onderzocht in hoever de bestanddelen die in organismen voorkomen, als dusdanig uit de omgeving worden gehaald. Het wordt voor de leerlingen duidelijk dat voor planten enerzijds, voor dieren en mensen anderzijds, de uitwisselingen met de omgeving verschillend zijn, wat samenhangt met een verschillende voedingswijze (autotrofie-heterotrofie). Bij de wateropname door de groene plant wordt het accent op het osmoseproces gelegd (cf. Lab). Via eventueel zelf opgezette waterculturen (cf. Lab) of via literatuurgegevens ontdekken de leerlingen welke elementen voor de plant noodzakelijk zijn. Een aantal typische gebreksverschijnselen kunnen verklaard worden (bijvoorbeeld tekort aan stikstof). De betekenis van waterculturen in de praktijk kan belicht worden. - In de eerste graad wordt de fotosynthese van planten reeds experimenteel benaderd. Eerst wordt proefondervindelijk de functie van de fotosynthese vastgesteld. Nadien worden de structuren (uitwendig en inwendig, macro- en microscopisch) van het blad en hun aanpassingen aan de functie bestudeerd.

45 Hoe de fotosynthese in de bladgroenkorrel verloopt, dit is de werking, wordt niet behandeld. Dit is nieuw en vraagt eveneens een diepgaande studie van de bladgroenkorrel. Daarom kunnen best de basisexperimenten in versneld tempo hernomen worden. De nadruk wordt hier gelegd op de beïnvloedende factoren: lichtintensiteit, lichtfrequentie, temperatuur, CO2-concentratie. Verder wordt de submicroscopische structuur van de bladgroenkorrel belicht. Het biochemisch proces wordt uiteindelijk schematisch voorgesteld (licht- en donkerreacties). Voeding bij heterotrofe organismen - Na een korte inleiding over de betekenis van voeding en vertering (cf. eerste graad) kan een bondig overzicht gegeven worden van de structuur van het spijsverteringsstelsel bij dieren. Belangrijk hierbij is het inzicht dat bij de primitieve diergroepen fagocytose en intracellulaire vertering voorkomt en dat de hoger ontwikkelde dieren aan extracellulaire vertering doen. Daarenboven is er nog intracellulaire vertering door middel van lysosomen. - Het accent bij deze leerinhoud ligt op het verterings- en absorptieproces. Proefondervindelijk wordt de noodzaak van specifieke enzymen en beïnvloedende factoren bij de enzymwerking nagegaan (cf. Lab). Bepaalde softwareprogramma's laten toe de enzymwerking te visualiseren en zijn werkingsfactoren te simuleren. De gegevens kunnen aangevuld worden om tot een schematisch overzicht te komen van de inwerking van spijsverteringssappen op de voedselbestanddelen. Het biochemisch proces van de vertering wordt schematisch en symbolisch voorgesteld. - In een overzichtelijk schema wordt de opname van stoffen in het endosoom, de versmelting van het endosoom met het lysosoom en de vertering in het lysosoom weergegeven. 6.1.2.2

Ademhaling

- Voor een goed begrip is een korte herhaling van de bouw en de functie van de long (eventueel aan de hand van een dissectie) en van enkele proeven in verband met de verschillen tussen in- en uitgeademde lucht noodzakelijk. Aan de oorsprong van de gasuitwisseling ligt het diffusieproces dat ter hoogte van de longblaasjes geanalyseerd wordt. De structuuraanpassingen aan dit mechanisme worden benadrukt. - Uit de beschrijving van het experiment waarbij een proefdier radio-actief glucose werd toegediend, de leerlingen vaststellen dat de koolstof van de uitgeademde CO2 uit de voedingsstoffen afkomstig is. Het ingewikkelde biochemische proces van de celademhaling wordt geanalyseerd in functie van de beginsituatie van de leerlingen. Eventueel kan de energie ontwikkeld bij de verademing en de vergisting van glucose vergeleken worden. De betekenis van het respiratorisch quotiënt kan worden toegelicht. 6.1.2.3

Excretie

- Via een onderwijsleergesprek wordt de betekenis van excretie en het overzicht van de excretie-organen toegelicht. De meeste aandacht gaat uit naar de nier, waarvan bouw, functie en werking worden nagegaan. - Macroscopisch (eventueel aan de hand van een dissectie) en microscopisch onderzoek van de nier leiden tot een schets van een overlangse doorsnede van een nier en van een nefron. Vergelijkend chemisch onderzoek tussen urine en serum kan in het Lab uitgewerkt worden. Naast dit onderzoek zijn tabellen uit de literatuur, met de nauwkeurige opgave van de samenstelling van het bloed, de voorurine en de urine, geschikte hulpmiddelen bij de bespreking van de werking van de nier. De uitbreiding in vergelijking met de eerste graad ligt vooral op het vlak van de werking van de nier waar fysico-chemische aspecten aan bod kunnen komen en op het vlak van de functie van de nier in de homeostase: huishouding van water en anorganische zouten en regulatie van de pH van de lichaams vloeistoffen. 6.1.3


46 6.1.3.1


Het open neerwaarts transport bij planten wordt experimenteel vastgesteld (bijvoorbeeld stengel in eosineoplossing, ringwondproef van Malpighi) en de betekenis van het transport wordt toegelicht. Via waarneming op micropreparaten van stengeldoorsneden worden de verschillen in bouw tussen xyleem en floëem vastgesteld en de structuurfunctie relatie wordt nagegaan (cf. Lab). Het accent ligt vooral op het transportmechanisme. Men formuleert de feiten waarmee de theorieën in verband met het opwaarts transport moeten rekening houden. Er worden hypothesen in verband met mogelijke drijvende krachten opgesteld. Voor zover mogelijk worden de hypothesen proefondervindelijk getoetst (cf. Lab). Ook hier kunnen beeldbanken (bijvoorbeeld CD-ROM) voor goed projecteerbaar illustratiemateriaal zorgen. Het is hier van belang dat leerlingen inzien dat verschillende transportmechanismen noodzakelijk zijn om de feiten te verklaren. Er kan verband gelegd worden met het transport doorheen celmembranen. 6.1.3.2


Uit de reeds verworven kennis (cf. eerste graad) zal de betekenis van het transport vrij vlug aangegeven worden. Voor een goed begrip is een korte herhaling van de bouw van het hart en de structuur-functie relatie (eventueel aan de hand van een dissectie) aangewezen. De bloedsomloop wordt schematisch uitgewerkt. Belangrijk is dat de leerlingen bewust zijn van de sterk vereenvoudigde voorstelling van hart en bloedsomloop. In deze leerinhoud gaat de aandacht vooral naar de hartwerking, stromingsmechanismen, functies van het bloed en de bloedbestanddelen. Het gebruik van de computer laat toe een elektrocardiogram (ECG) of een fonocardiogram (FCG) te registreren. Van het ECG kan dan een PQRST-diagram afgeleid en besproken worden. De fasen bij elke cyclische hartbeweging hieruit worden afgeleid. Het effect van die fasen kan met een korte film worden geïllustreerd. Uit macroscopisch en microscopisch onderzoek van de bloedvaten een aantal eigenschappen van het bloedvatenstelsel verzameld worden en in verband gebracht worden met de functie, bijvoorbeeld het belang van de elasticiteit van de slagaders bij het veranderen van de stootsgewijze bloedstroom in een gelijkmatige stroming, de geringe stroomsnelheid in de haarvaten in verband met de uitwisseling van stoffen ... De functie van het bloed bij de homeostase wordt uitgewerkt aan de hand van enkele voorbeelden: onder andere regeling van het aantal rode bloedlichaampjes, bufferende eigenschappen van het bloed, constant houden van de lichaamstemperatuur ... De bouw en de functie van het lymfevatenstelsel worden summier behandeld. 6.1.4


- Bij wijze van synthese wordt de samenhang van de functies schematisch weergegeven en de cel als fysiologische basiseenheid geïdentificeerd. Hierbij wordt een overzicht van de rol van de organellen en hun aanpassingen aan hun functie gegeven. 6.1.5

BIOSOCIALE EN/OF BIOMEDISCHE PROBLEMEN

De keuze van het onderwerp is functie van de actualiteit, van de interesse van leerlingen, beschikbare media ... Enkele mogelijke onderwerpen: - voedselproblematiek (bijvoorbeeld gezonde voeding, ondervoeding, gevaar van nitraten, zware metalen en hormonen in de voeding ...), - roken, luchtverontreiniging en longaandoeningen,

47 - nieraandoeningen: bijvoorbeeld nierstenen, uremie, albuminurie enzoverder, - harttransplantatie, hart- en vaatziekten zoals: atherosclerose, trombose, embolie, hartinfarct ... Uiteraard zal men bij de studie van dergelijke problemen raakpunten krijgen met de technologie en maatschappelijke disciplines (economie, ethiek, godsdienst ...). Men komt logischerwijze tot een betekenisverruiming van de biologie. Voor de uitwerking kan men zich kritisch laten inspireren door bestaande documenten (mappen, boeken, video's, software ...) in verband met gezondheidsvoorlichting en -opvoeding (GVO), ter beschikking gesteld door nationale en provinciale organisaties. Bepaalde aspecten van de biomedische en/of biosociale problemen in de vorm van een groepswerk of zelfstandig werk met spreekbeurt door de leerlingen zelf samengesteld worden. Dit kan als een taak opgevat worden. 6.2

2de leerjaar



6.2.1.1

Algemeen

- In de eerste graad hebben de leerlingen de voortplanting bij zaadplanten en gewervelde dieren bestudeerd. In de tweede graad leerden ze "sporen" als verspreidingsmiddel bij niet-zaadplanten kennen. In de derde graad moeten de leerlingen in een onderwijsleergesprek volgende inleidende inzichten verwerven. . Er bestaat een geslachtelijke en een ongeslachtelijke voortplanting bij levende organismen. . Ongeslachtelijke voortplanting geeft het ontstaan aan nieuwe organismen die dezelfde kenmerken vertonen als het oorspronkelijke. In geval van geslachtelijke voortplanting verschillen de kenmerken van het nieuwe individu met die van de ouderindividuen. . Bij ongeslachtelijke voortplanting ontstaat het nieuwe individu uit één of meer gewone lichaamscellen. Geslachtelijke voortplanting daarentegen veronderstelt de versmelting van twee gespecialiseerde cellen: gameten (zaad- en eicel). In een aansluitend onderwijsleergesprek groeit de overtuiging dat de ongeslachtelijke voortplanting bijvoorbeeld bij een ent of stek door vermeerdering van het aantal cellen tot stand komt. - Door microscopisch onderzoek (cf. Lab) van bijvoorbeeld overlangse doorsneden van worteltoppen (ui, hyacint, tulp ...) en door het interpreteren van de waarnemingen, krijgen de leerlingen een inzicht in de uitzonderlijke rol van de celkern bij dit verschijnsel. Door observatie van microdia's of fotomateriaal worden de typische fasen van de gewone kernen celdeling herkend. Aan de hand van elektronenmicroscopisch materiaal, een model en schetsen wordt de structuur van de DNA-molecule uitgelegd. Het overlangs splitsen van de DNA-molecule maakt de vorming van twee chromatiden in de geobserveerde profase mogelijk. Tijdens de interfase herstelt zich de hoeveelheid DNA in beide nieuwe kernen, wat de "duplicatie" van de DNA-molecule veronderstelt. De mitose bewerkt dus twee cellen met identieke DNAstructuren in hun kern. Illustratieve software kan helpen het duplicatieproces van DNA in stappen te behandelen. Via een onderwijsleergesprek komt de leerling tot het inzicht dat bij de vorming van gameten een bijzondere kerndeling (meiose) plaatsgrijpt. Het aantal chromosomen blijft immers in de loop van de generaties constant. Aan de hand van eenvoudige tekenschema's (transparanten) waarop de homologe chromosomen eenzelfde vorm hebben (maar anders gekleurd zijn) worden de verschillende fasen benoemd en geïnterpreteerd. De leerling komt tot volgende fundamentele inzichten:

48 . De chromosomen zijn twee aan twee morfologisch identiek, behalve één paar bij één van de geslachten. . Bij de anafase worden de homologe chromosomen als gehele entiteiten uit elkaar getrokken (halvering of reductie van het aantal chromosomen). . Na de anafase volgt geen telofase, maar wel een tweede deling die een mitotische deling is. Door beide delingen te vergelijken en tevens een beroep te doen op de chemische bouw van de chromosomen komen de leerlingen tot het besluit dat de gameten die het resultaat zijn van de meiose, slechts de helft van de "informatie" bezitten welke vervat is in de volledige DNA-keten. - Een bacteriële cel (een prokaryote cel) wordt vergeleken met een eukaryote cel. Een bacteriële cel onderscheidt zich van een dierlijke cel door het ontbreken van een kernmembraan, een endoplasmatisch reticulum, mitochondriën, een Golgi-apparaat en lysosomen. Het DNA is wel aanwezig maar ligt niet ingesloten door een kernmembraan. Bovendien zijn bacteriën zeer klein. De eenvoudige structuur van virussen kan hier eveneens belicht worden. De vraag of virussen beschouwd worden als levende wezens of niet, kan gesteld worden. Het criterium van het al of niet zichzelf reproduceren kan hierbij gehanteerd worden. - In een onderwijsleergesprek kan de betekenis van de geslachtelijke voortplanting verduidelijkt worden: stimulering van de deling en recombinatie van het genetisch materiaal. Geslachtelijke voortplanting waarborgt dus verscheidenheid wat belangrijk is voor het behoud van de soort. Eventueel kan wat dieper ingegaan worden op de generatiewisseling, die bij de meeste planten en bij sommige dieren (b.v. holtedieren) voorkomt. 6.2.1.2


- Bij de hogere organismen is de geslachtelijke voortplanting de algemene regel. Daar de mens centraal staat, is het begrijpelijk dat de menselijke voortplanting uitvoerig behandeld wordt. In een korte herhaling (cf. eerste graad) worden de bouw en de structuuraanpassingen van de geslachtsorganen behandeld (primaire en secundaire geslachtskenmerken). - Het is aangewezen even dieper in te gaan op de vorming van zaad- en eicellen en na te gaan door welke deling deze voortplantingscellen tot stand komen. De opvallende periodiciteit in de eicelvorming en de continuïteit in de zaadcelproduktie worden in het licht van de hormonale regeling van de voortplanting bij beide geslachten behandeld. - De geslachtsgemeenschap wordt vanuit wetenschappelijk en menselijk standpunt belicht. De voornaamste ontwikkelingsfasen van de bevruchte eicel tot de geboorte en het geboorteproces zelf worden aan de hand van schetsen, foto's, videofilm ... besproken. - Het is belangrijk voor jonge mensen dat de biologieleraar op vakkundige en verantwoorde wijze de meest voorkomende middelen tot regeling van de vruchtbaarheid bespreekt en tevens wijst op de betrouwbaarheid en de voor- en nadelen van deze methoden. - Op dezelfde manier sommige biosociale problemen bijvoorbeeld kunstmatige inseminatie, in vitro fertilisatie, sexueel overdraagbare aandoeningen (AIDS ...) vanuit een wetenschappelijk en ethisch standpunt benaderd worden.

49 6.2.2


6.2.2.1


6.2.2.2


- Het voorkomen van variabiliteit binnen de soort wordt besproken (cf. Lab). Verder worden uit de proeven van Bonnier en/of uit de dagelijkse praktijk de begrippen fenotype en genotype afgeleid. Hierbij wordt het duidelijk dat het uiteindelijk resultaat van een bepaalde erfelijke constitutie of genotype beïnvloed kan worden door uitwendige factoren. Dit uiteindelijk resultaat is het fenotype. - Om het mechanisme van overerving te behandelen wordt verslag gegeven van het wetenschappelijk werk van Mendel. Niet enkel om de historische waarde maar om de logisch opeenvolgende stappen van het wetenschappelijk onderzoek te doen aanvoelen, worden de experimenten van Mendel beschreven en hieruit de wetten afgeleid. Daarna wordt een verklaring voor deze wetmatigheid gezocht. De nodige begrippen zoals gen, dominant en recessief allel, homo- en heterozygoot genotype moeten hierbij een inhoud krijgen. De latere ontdekking van de chromosomen (1873), de meiose (1885) en de lokalisatie van de genen (1902) verduidelijken de geniale intuïtie van Mendel: . bij de keuze van zijn proefmateriaal en de erfelijke kenmerken ervan . bij de verklaring door aan te nemen dat het genenpaar splitst bij de vorming van gameten . het bepalen van zijn onderzoeks- en werkmethode: het realiseren van kruisbestuiving bij erwten, het uitvoeren van controleproeven en het statistisch verwerken van de resultaten. - De verschijnselen zoals intermediaire overerving, multipele allellen, cryptomerie, polygenie ... het inzicht in de overervingsmechanismen verfijnen. - Er kan gewezen worden op het feit dat Mendel niet al zijn proeven heeft verklaren. Ook later onderzoek bood moeilijkheden toen onder andere Morgan bij de fruitvlieg Drosophila ontdekte dat bepaalde eigenschappen samen overerven. Pas door aan te nemen dat de genen voor die kenmerken op eenzelfde chromosomenpaar liggen, kon een bevredigende verklaring gegeven worden. Dit leidt tot het begrip "gekoppelde genen". - Bij latere experimenten bleek dat uitzonderingen op die koppeling voorkomen. Dit wordt toegeschreven aan de meiosedeling: stukken van chromatiden van homologe chromosomen uitgewisseld worden. Het begrip 'crossing-over' correspondeert met deze uitwisseling. Het berekenen van de crossing-overfrequentie en het opstellen van genenkaarten kan eventueel in het Lab ter sprake komen. - Door observatie van karyogrammen (gerangschikte chromosomenkaarten) van de mens kan via een onderwijsleergesprek vastgesteld worden dat het geslacht overgeërfd wordt door één chromosomenpaar. Door vergelijking van de theoretische en de reële verhoudingen tussen de geslachten in opeenvolgende generaties, blijkt dat het geslacht erfelijk bepaald wordt. Uitgaande van stambomen van families, met betrekking tot ziekten of aandoeningen die vaker voorkomen bij mannen dan bij vrouwen (geslachtsgebonden kenmerken), leiden de leerlingen af dat het verantwoordelijk gen voor de aandoening op het differentieel deel van het X-chromosoom ligt. 6.2.2.3


- Aan de hand van concrete voorbeelden wordt het onderscheid gemaakt tussen modificaties (wijzigingen van het fenotype) en mutaties (wijzigingen van het genotype). Door observatie van chromosomenkaarten kan van sommige mutaties de oorzaak gevonden worden in een wijziging van het aantal chromosomen (genoommutaties) of in een morfologische verandering van één of meer chromosomen (chromosoommutaties). De aanleiding tot een genoom- of een chromosoommutatie is te zoeken in een gestoorde meiose. Genmutaties worden als wijzigingen in de samenstelling van een DNA-molecule aangezien. Milieufactoren

50 die eventueel mutaties zelf of de frequentie van mutaties opdrijven, worden besproken. Mutaties ook met simulatie-software op een zeer didactische manier aangebracht worden. - Om te verklaren hoe bij een organisme een bepaald erfelijk kenmerk tot stand komt, wordt de eiwitsynthese behandeld. Gezien het wetenschappelijk onderzoek rond deze materie nogal complex is, is het aan te raden om het mechanisme waarmee genen kenmerken doen ontstaan in een eenvoudig schema weer te geven. Zo krijgen de leerlingen een beeld van de wijze waarop de genetische informatie in de kern overgebracht wordt naar de ribosomen in het cytoplasma en hoe die informatie vertaald wordt in een eiwitsynthese. Computersimulaties deze complexe materie voor de leerling beter toegankelijk maken. Stapsgewijze visualisering kan bij veel leerlingen tot een betere begripsvorming leiden. - Via een onderwijsleergesprek en uitgaande van concrete voorbeelden, kan het de leerlingen duidelijk gemaakt worden dat de mens de overerving bij planten en dieren kan beïnvloeden door kruisingen, selectie en genetische manipulatie. Dit probleem van eugenetica en genetische manipulatie moet behandeld worden vanuit een degelijk verantwoord wetenschappelijk en een gefundeerd genetisch standpunt. Kinderen "à la carte" hier besproken worden. 6.2.3


- Aan de hand van dia's, tekenschema's, experimentbeschrijvingen worden de leerlingen een reeks wetenschappelijke gegevens uit de vergelijkende anatomie, de vergelijkende embryologie, de paleontologie en de biochemie aangeboden om de evolutiegedachte te argumenteren. - Voor wat de mechanismen van de evolutie betreft, worden de theorieën van de Lamarck en van Darwin met elkaar vergeleken. Hierbij mag niet vergeten worden dat beide theorieën ontstonden vóór de proefnemingen en de publicatie van Mendel. In een onderwijsleergesprek worden de aanvaarde punten van beide theorieën aangevuld met de inzichten van de erfelijkheid en van de mutaties. De moderne evolutietheorie stoelt op de genetische verscheidenheid binnen een populatie, die bewerkt is door de recombinatie van de genen bij elke nieuwe generatie en door mutaties. Op die verscheidenheid werken allerlei vormen van isolatie en selectie divergerend in. Door het bespreken van concrete voorbeelden komen de leerlingen tot het besef dat in al deze gevallen de genetische samenstelling van een populatie wel verandert, dus evolueert. Hierbij mag de natuurlijke selectie als sterkste drijfkracht van evolutie beschouwd worden. De natuurlijke selectie werkt zowel in de richting van aanpassing aan het milieu, als in de richting van een groeiende onafhankelijkheid ten opzichte van het milieu. De effecten van "natuurlijke selectie" en beïnvloedende elementen, met behulp van een computersimulatie gevisualiseerd worden. - Het ontwikkelingsniveau van het bewustzijn van de mens heeft een enorme weerslag op de richting waarin de evolutie van de mens gaat. Om de fossiele mensen in de geologische tijdschaal te plaatsen, worden anatomische gegevens en vooral overblijfselen van zijn menselijk handelen gezocht en als criteria gebruikt. Aan de hand van fotografische documentatie kan de afstammingsgeschiedenis van de mens gereconstrueerd worden en een stamboom opgebouwd worden van de primitieve mens tot de moderne mens. Het hominisatieproces en de culturele evolutie van de mens wordt geleidelijk aan opgebouwd uitgaande van de primitieve primaten.

51 7

LEERINHOUDEN: LABORATORIUM

7.1

Eerste leerjaar

Thema: in stand houden van een individu De leraar kiest binnen de voorgestelde leerstofafbakening per thema minimaal één van de hierna vermelde onderwerpen. Zowel het morfologisch als het fysiologisch aspect moeten de nodige aandacht krijgen. 7.1.1

MICROSCOPISCHE STUDIE VAN DE CELLEN

7.1.2

VOEDING BIJ AUTOTROFE ORGANISMEN

- Opname van water en mineralen: . proeven in verband met diffusie, osmose, plasmolyse, deplasmolyse; . waterculturen. - Vorming van C-verbindingen: . basisexperimenten, factoren die het fotosyntheseproces beïnvloeden; . microscopie van een chloroplast en huidmondjes. 7.1.3

VOEDING BIJ HETEROTROFE ORGANISMEN

- Enzymwerking bij het verteringsproces. - Lokalisatie van de vertering bij eencellige organismen. 7.1.4 -

ADEMHALING

Het meten van het O2 -verbruik en/of CO2 -produktie; het bepalen van het respiratorisch quotiënt. Proeven in verband met gisting. Vergelijkende studie van tracheeën, kieuwen, longen. Lokalisatie van de ademhaling: microscopische studie van de mitochondriën.

7.1.5

EXCRETIE

- Studie van een varkensnier, microscopische bouw van een nier. - Analyse van de urine: . microscopisch onderzoek; . vergelijkend chemisch onderzoek tussen urine en serum. - Vergelijkende studie van een nier, buisjes van Malpighi, nefridiën, kloppende vacuolen. 7.1.6

TRANSPORT

- Microscopische studie van de vaatbundels. - Proefondervindelijke studie van worteldruk en transpiratiezuigkracht als drijvende krachten bij het opwaarts transport. - Bloeduitstrijkje maken, differentiatie van de bloedcellen, bepalen van de bloedgroep.

52 7.2

2de leerjaar

Thema: in stand houden van de soort De leraar kiest bij de items 7.2.1, 7.2.4, 7.2.5, 7.2.6 minimaal één van de voorgestelde onderwerpen. De items 7.2.2 en 7.2.3 moeten volledig behandeld worden, behalve de punten in uitbreiding. 7.2.1 -

MICROSCOPISCHE STUDIE VAN:

De reuzechromosomen in de speekselklieren van Chironomus sp. of Drosophila sp.. De mitose. De meiose. De ontogenese.

7.2.2

MORFOLOGISCHE STUDIE VAN BACTERIEN EN SCHIMMELS

- Bacteriologisch onderzoek van bijvoorbeeld de mondflora met een enkelvoudige kleuring, yoghurt met een gramkleuring ... - Bouw van een gewone broodschimmel, een penseelschimmel ... 7.2.3 -

Steriel werken. Maken van voedingsbodems. Enten, verdunnen en uitplanten van bepaalde kolonies op selectieve bodems. Antibiogram (U). Biochemische testen (U).

7.2.4 -

MICRO-ORGANISMEN EN VOEDING

Bereiding van bijvoorbeeld kaas, zuurkool. Kwaliteit van bijvoorbeeld verse melk, yoghurt. Voedselbewaartechnieken. Onderwerp naar keuze.

7.2.5 -

KWEKEN VAN MICRO-ORGANISMEN

ERFELIJKHEIDSLEER

Opstellen van een Gauss-curve: bijvoorbeeld; meten van de boonlengte, de lengte van bladeren ... Vraagstukken van genetica, verwerken van stamboomgegevens. Microscopisch aantonen van Barr-lichaampjes. Kruisingsproeven. Populatiegenetica (het principe van Hardy-Weinberg).

7.2.6

PROJECTWERK, EVENTUEEL IN HET KADER VAN DE GEINTEGREERDE PROEF

Bijvoorbeeld: - Biotechnologie - Immunologie - Virologie - Determineren van fossielen - Biochemisch afval - Onderwerp naar keuze

53 8

METHODOLOGISCHE WENKEN: LABORATORIUM

Om praktische redenen is het noodzakelijk het Laboratorium Biologie (één uur per week) zo te organiseren dat men om de twee weken over twee opeenvolgende lestijden kan beschikken. Nog een betere oplossing is elke week twee opeenvolgende lestijden Biologie te organiseren. De leraar kan dan zelf de keuze maken of hij theorie of Lab geeft om te komen tot een integratie van theorie en practica. In ieder geval respecteert men het aantal uren theorie en het aantal uren Lab. De keuze tussen de twee oplossingen zal afhangen van concrete gegevens, zo bijvoorbeeld het aantal leerlingen, combinatiemogelijkheden met andere vakken ... 8.1

Eerste leerjaar

8.1.1

MICROSCOPISCHE STUDIE VAN DE CELLEN

Via lichtmicroscopisch onderzoek van enkele cellen (bijvoorbeeld opperhuid van een kroonblad van een geranium, wat los vruchtvlees van een sneeuwbes, wangcellen, pantoffeldiertjes ...) herhalen de leerlingen de structuur van een plantaardige en een dierlijke cel. Een aantal celinsluitingen kunnen met kleurtechnieken verduidelijkt worden, bijvoorbeeld: - mitochondriën met janusgroenoplossing, - reservesacchariden met KI3-oplossing, - DNA met karmijnazijnzuuroplossing, - kloppende vacuolen van het pantoffeldiertje met een methyleenblauwoplossing enzoverder. Dit microscopisch onderzoek wordt aangevuld met een studie van elektronenmicroscopische foto's om de fijnere bouw van de cel te ontdekken en om tot een vergelijking te komen tussen een plantaardige en een dierlijke cel. Eventueel kan ingegaan worden op de chemische samenstelling van organismen. Door het bepalen van het gehalte aan droge stof en asgehalte verkrijgen de leerlingen kwantitatieve gegevens over watergehalte, gehalte aan C-verbindingen en anorganische stoffen in planten en dieren. Het verband kan gelegd worden tussen watergehalte en de aard van het orgaan, levenswijze, milieu ... Door elementaire analyse van de droge stof bepaalt men de meest voorkomende elementen van het gedroogde materiaal. Door verdere herkenningsreacties worden de voornaamste groepen C-verbindingen aangetoond. Controleproeven worden uitgevoerd, waarbij positieve en negatieve resultaten vergeleken en geïnterpreteerd worden (de aanwezigheid of afwezigheid van bepaalde elementen wordt vastgesteld). 8.1.2

VOEDING BIJ AUTOTROFE ORGANISMEN

- Bij de wateropname door de groene plant wordt het accent op het osmoseproces gelegd. Uit een aantal proeven (kiemplanten, aardappelreepjes, opperhuid van een kroonblad van een tuingeranium, ... in milieus met verschillende concentratie aan opgeloste stoffen) zullen de begrippen plasmolyse, deplasmolyse, osmotische zuigkracht, turgor ... een betekenis krijgen. Een wortelcel kan gesimuleerd worden door een dialysehuls, de centrale vacuole met celsap door bijvoorbeeld een glucose-oplossing in de dialysehuls. Die modelcel wordt dan in een "bodemoplossing" geplaatst. Men kan besluiten dat de wateropname door osmose gebeurt en dat kleine ionen door diffusie de wortelharen binnentreden. Het fysisch verschijnsel diffusie kan onder andere met kaliumpermanganaat in water en met een open-ether-fles verduidelijkt worden. Aansluitend hierbij kan het "verbranden" van planten bij te sterke bemesting, het bestrijden van (on)kruid tussen stenen door strooien van zout, vermeld worden.

54 De invloed van verschillende elementen op de groei van planten kan aangetoond worden met waterculturen. De bereidingswijze van een volledige cultuuroplossing en een aantal cultuuroplossingen met een ontbrekend element kan in de literatuur geraadpleegd worden. Als planten kunnen onder andere eendekroos (voorjaar), kiemplantjes van maïs of tomaat, stekken van een eendagsbloem ... gebruikt worden. Het groeiverloop wordt nagegaan. - De basisexperimenten van het fotosyntheseproces (opname van CO2, vorming van O2 en zetmeel kunnen herhaald worden (cf. eerste graad). Verschillende factoren die de zuurstofgasproduktie bij het fotosyntheseproces beïnvloeden kunnen nagegaan worden. Die zuurstofgasproduktie kan aangetoond worden met de indigokarmijn-natriumdithionietproef (in een O2-arm milieu geel gekleurd, in een O2-rijk milieu blauw gekleurd) of door gasbellenproduktie. . Als lichtbron kan een diaprojector met halogeenlamp of een spot (100 W) met reflector gebruikt worden. . Als plant kan men het gemakkelijkst waterpest gebruiken (te vinden in de natuur en in aquariumzaken). Als factoren die het fotosyntheseproces beïnvloeden kan men onder andere onderzoeken: de golflengte van het licht gebruik makend van gekleurde folies, de lichtsterkte: door afstand lichtbron-proefopstelling te regelen of door de lichtbron op een dimmer aan te sluiten, temperatuur, pH ... De snelheid van blauwkleuren in de indigokarmijnproef of het aantal gasbellen per tijdseenheid zijn een maat voor de fotosynthese-activiteit. Het gebruik van de computer kan hier zeker gestimuleerd worden. - Chloroplasten kunnen met sterke vergroting in een blad van waterpest onderzocht worden. Belichte en niet belichte bladeren van waterpest kunnen ontkleurd worden met ethanol 70%. Door toevoeging van een druppel KI3 kan de aanwezigheid van zetmeel in de bladgroenkorrels van de belichte bladeren aangetoond worden. Een stukje opperhuid van de onderzijde van een blad van prei, een eendagsbloem, een geranium ... kan onderzocht worden op de aanwezigheid van huidmondjes. Met behulp van een dwarsdoorsnede van een blad (zelf gemaakt bijvoorbeeld met hulst of een handelspreparaat) kunnen verdere aanpassingen van het blad aan de fotosynthese afgeleid worden. 8.1.3

VOEDING BIJ HETEROTROFE ORGANISMEN

- De noodzaak van specifieke enzymen en beïnvloedende factoren bij de enzymwerking wordt nagegaan. Als enzymen zijn pancreatine en pepsine geschikt. Als beïnvloedende factoren kunnen temperatuur en pH onderzocht worden. Pancreatine en pepsine kunnen getest worden op een proteïne (troebele eiwitoplossing) en op een saccharide (zetmeeloplossing die blauwgekleurd wordt door KI3). De vertering van het zetmeel kan worden gevolgd door het verdwijnen van de blauwe kleur. De vertering van eiwitten door het minder troebel worden van de oplossing. Uiteraard kunnen de proeven uitgebreid worden tot de vertering van de lipiden waar de rol van het galsap kan worden verduidelijkt. - Voor de lokalisatie van de vertering op cellulair niveau kunnen pantoffeldiertjes worden gebruikt. Gistcellen worden gekleurd met kongorood. Deze indicator vertoont een kleuromslag van blauw naar rood tussen pH 3,0 en pH 5,2. Een weinig gekleurde gist wordt aan een druppel infusie op een draagglas toegevoegd. Men kan vaststellen dat in de voedselvacuolen verteringssappen worden afgescheiden die er de zuurtegraad veranderen.

55 8.1.4

ADEMHALING

- De veranderingen in gasvolumes binnen een gesloten ruimte kunnen worden gemeten door de meniscusverschuiving in een capillair of met behulp van een manometer. Een bepaalde massa meelwormen, kiemende erwten ... wordt in een proefkamer gebracht waar eveneens een propje watten, gedrenkt in een KOH-oplossing, aanwezig is. De temperatuur wordt constant gehouden. Het verbruikte volume O2 per massa-eenheid en per tijdseenheid kan worden berekend. Het O2 -verbruik als maat voor de intensiteit van de stofwisseling kan worden bepaald voor verschillende organismen en naargelang het ontwikkelingsstadium binnen een bepaalde soort (bijvoorbeeld meelworm meeltor). Uit de volumeverandering van het gas in de ruimte zonder KOH en met KOH kan het respiratorisch quotiënt worden berekend. - Aan de hand van een aantal eenvoudige proeven kunnen gisten en gisting worden belicht. Een preparaat van een bakkersgistsuspensie kan met een druppel KI3 worden gekleurd. Het vermenigvuldigen door knopvorming kan na een tijdje worden waargenomen. Een idee van de chemische reacties die tijdens de ademhaling van gistcellen plaatsvinden, kan met volgende proeven benaderd worden. . Welk gas produceren gisten tijdens de ademhaling in een anaëroob milieu en speelt de temperatuur hierbij een rol? . Welk alcohol wordt er geproduceerd? . Kunnen gisten alle suikers verademen? Het is belangrijk de leerlingen er op te wijzen dat waar enigszins mogelijk een referentie-, blanco- en testproef moeten worden uitgevoerd. Rond ademhaling en gisting zijn een hele reeks real-time-metingen met de computer uit te voeren. - Tracheeën kunnen bijvoorbeeld doorheen de transparante huid van gefixeerde haftelarven waargenomen worden. De kop van een zwemmende vis wordt geobserveerd. Bij een dode beenvis kan het kieuwdeksel worden weggeknipt. Met een glasstaafje zoekt men de doorgang van het ademwater vanaf de mondholte tot aan de kieuwspleten. Eventueel kan men een kieuwplaatje losprepareren voor onderzoek met binoculaire loep of microscoop. Men kan eveneens gebruik maken van micropreparaten uit de handel of van micro-dia's. Een dissectie van een varkens- of schapenlong kan worden uitgevoerd. Met een micropreparaat of microdia wordt het longweefsel bekeken in functie van zijn aanpassing aan de gasuitwisseling. - Bij sneeuwbes, pantoffeldiertjes ... kunnen mitochondriën na toevoeging van een janusgroenoplossing waargenomen worden. Een preparaat waarin de pantoffeldiertjes een vitaalkleuring met neutraalrood ondergaan hebben, is goed geschikt voor een kleuring met janusgroen. Men kan bij die pantoffeldiertjes vaststellen dat mitochondriën het talrijkst voorkomen bij de wimpers waar veel energiegebruik optreedt. 8.1.5

EXCRETIE

- De macroscopische bouw van de nier kan het best worden vastgesteld met behulp van een overlangs doorgesneden varkensnier. Voor de microscopische studie is een handelspreparaat van een overlangse doorsnede van een volledige nier van een rat aangewezen. Een duidelijke parallel kan worden getrokken tussen wat wordt geobserveerd tijdens de dissectie en wat onder microscoop kan worden vastgesteld daar het in beide gevallen gaat om een volledig orgaan.

56 - Het sediment van de urine wordt microscopisch onderzocht. Dit sediment wordt bekomen na bezinken van de urine of nog beter na centrifugatie (gedurende 2 à 3 minuten bij 5000 toeren per minuut). Eventueel kan een druppel karmijn-azijnzuuroplossing toegevoegd worden. Cellen van de blaas en/of urinewegen en mogelijke kristallen kunnen worden aangetroffen. Voor het chemisch onderzoek van urine en serum kan men gebruik maken van urineteststrips. Bloedserum kan rechtstreeks worden verkregen uit een klinisch laboratorium; men kan ook vers bloed uit het slachthuis (niet opgeklopt) laten stollen. Uit de chemische verschillen tussen serum en urine kan een hypothese geformuleerd worden voor de functie en de werking van de nier. - De vergelijkende studie van een nier, buisjes van Malpighi en nefridiën gebeurt met behulp van micropreparaten of microdia's. Kloppende vacuolen van het pantoffeldiertje kunnen met een methyleenblauw oplossing worden aangetoond. Door aan de druppel infusie een weinig Oostindische inkt toe te voegen kan men nagaan dat de vloeistof uit de kloppende vacuole buiten het dier terecht komt. De samentrekkende bewegingen van de vacuolen kunnen worden vertraagd door toevoegen van een druppel 2% KCl-oplossing aan de druppel infusie. 8.1.6

TRANSPORT

- Enkele takjes van Aucuba, siernetel ... worden in een 0,5% eosine-oplossing gedurende enkele uren geplaatst. Op dunne dwarsdoorsneden worden de houtvaten gelokaliseerd. Een andere stengel wordt overlangs doorgesneden en met een binoculaire loep onderzocht. Tevens wordt een handelspreparaat of microdia van een overlangse doorsnede van een stengel bestudeerd. De kenmerken van de houtvaten worden afgeleid. Ook de cellen van de buitenkant van de houtzone, namelijk het zeefvatenweefsel worden gekenmerkt en in verband gebracht met het dalend transport (proef van Malpighi). Op een micropreparaat van een dwarsdoorsnede van een blad kunnen hout- en zeefvaten aangeduid worden. - De worteldruk kan worden aangetoond door van een goed ontwikkelde, flink begoten potplant (bijvoorbeeld een geranium) de stengel door te snijden onder de onderste bladeren. Op de stengelstomp wordt een sluitende rubberen slang geschoven die met water gevuld wordt. Op de slang wordt dan een passende glazen capillaire buis aangesloten. Het stijgen van het waterpeil wordt dezelfde dag en ook de volgende dagen gevolgd. Het bloeden van sommige bomen in het voorjaar en het druppelen van sommige kruidachtige planten in de vroege ochtend na een koele, vochtige nacht kunnen via worteldruk worden verklaard. Daar worteldruk niet bij alle planten of slechts in bijzondere omstandigheden voorkomt, moeten nog andere krachten het stijgende transport verklaren. De zuigkracht van de bladeren kan worden aangetoond door op een takje van taxus, den ... een rubberen slang en een capillaire buis onder water aan te sluiten. De buis wordt gevuld met uitgekookt water en in een maatcilinder met uitgekookt water (met olielaagje) gebracht. In de opstelling mag geen luchtbel voorkomen. Men kan ook gebruik maken van meer gesofisticeerde potetometers. De zuigkracht van de bladeren door verdamping kan worden vergeleken met de zuigkracht als gevolg van de verdamping door een poreuze pot. Mogelijke varianten: . takje zonder bladeren; . bebladerd takje behandelen met haardroger (grotere luchtverplaatsing); . takje omsluiten in plastic zakje; . luchtbel in de oplossing. In verband met het transport bij planten zijn real-time-metingen met de computer uit te voeren.

57 - Een bloeduitstrijkje kan worden gemaakt met bloed dat uit de vingertop op steriele wijze wordt afge-nomen of met onstolbaar gemaakt bloed uit een laboratorium of slachthuis. Het bloeduitstrijkje wordt gedroogd en gekleurd volgens Pappenheim of Wright en bekeken met een immersielens. Een screeningtest met antisera kan worden aangekocht om de bloedgroepen te bepalen. Een druppeltje onstolbaar gemaakt bloed wordt bij de verschillende antisera gebracht en na 1 minuut gecontroleerd op agglutinatie. Een bijkomende test bestaat erin het serum van de patiënt in contact te brengen met rode bloedlichaampjes met gekende antigenen. Volledig uitgeruste kits zijn in de handel te koop. 8.2

2de leerjaar

Thema: in stand houden van de soort 8.2.1

MICROSCOPISCHE STUDIE

- Reuzechromosomen zijn goed waar te nemen in de speekselklieren van Chironomus sp. of Drosophila sp. Vedermuglarven (Chironomus sp.) zijn praktisch het hele jaar door te koop in de aquariumhandel als levend visvoer. Het kweken van fruitvliegjes (Drosophila melanogaster) levert weinig moeilijkheden. De larven 3de stadium (deze kruipen omhoog tegen de wand om te gaan verpoppen) zijn bruikbaar. De diertjes worden gedood in azijnzuur (45%). De vedermuglarve wordt na het 3de borstsegment dwars doorgesneden. De inhoud wordt vanaf de kop naar buiten gedreven. De speekselklieren zijn twee speldekopgrote gelatineuze blaasjes aan weerszijden van de slokdarm. De fruitvlieglarve wordt bij de kop en het achtereind vast genomen; er wordt getrokken tot de huid openscheurt. De kristallijn doorzichtige speekselklieren blijven aan de kop vastzitten. De speekselklieren worden gekleurd met orceïne-azijnzuur en nadien gewassen met azijnzuur 45% zodat enkel het DNA gekleurd blijft. Tenslotte worden de speekselklieren geplet en onder microscoop onderzocht (squashtechniek). - Voor de studie van mitotische figuren kan men bijvoorbeeld een ajuin op water laten wortelen. De worteltopjes worden gemacereerd in HCl 1M en nadien gewassen. De worteltopjes worden geplet tot vlezige draden verkregen worden. Het materiaal wordt gekleurd met orceïne-azijnzuur, eventjes verwarmd boven de bunzenbrander (de kleurstof mag niet uitdrogen) en met de squashtechniek behandeld. Onder microscoop kunnen verschillende delingsfasen worden opgespoord. - Mannelijke sprinkhanen (Locustra migratoria) die ten hoogste enkele dagen hun imagogedaante hebben, worden verdoofd met ether en gedood. De testes (een enkel, geel lichaam) in segmenten 5 en 6 worden vrijgeprepareerd, "gesquashd" en gekleurd met orceïne-azijnzuur. In een druppeltje azijnzuur 45% worden ze onder microscoop onderzocht. Afhankelijk van de leeftijd van het dier zullen vele cellen in deling zijn of zullen reeds vele spermatozoïden gevormd zijn. - Uit geopende vruchten van herderstasje worden de zaadlijsten gehaald en gedurende 10 à 20 min in een 5% KOH-oplossing geplaatst om de zaden op te klaren. Nadien worden ze gespoeld in water en in een azijnzuuroplossing. Een pletpreparaat wordt onder de microscoop bestudeerd. Er wordt gezocht naar enkele ontwikkelingsstadia met behulp van foto's en schetsen uit de literatuur. Om het transport tussen de moederplanten en de daarop groeiende vruchten vast te stellen, kunnen verse herderstasjes enkele uren in rode of blauwe inkt geplaatst worden. Zowel in de zaadlijsten, gelegen op de vruchtwanden, als in de navelstrengen die de zaden met de zaadlijsten verbinden, vindt men gekleurde transportbanen.

58 8.2.2

MORFOLOGISCHE STUDIE VAN BACTERIEN EN SCHIMMELS

- Een negatiefkleuring met bijvoorbeeld nigrosine of Oostindische inkt laat toe bacteriën aan te tonen die moeilijk kleurbaar zijn bijvoorbeeld Spirochaeten. De bacteriën zelf nemen de kleurstof niet op en behouden dus hun normale vorm. Enkel de omgeving wordt zwart gekleurd. Die kleurtechniek kan worden gebruikt om spirillen en andere vormen van bacteriën in de mondflora aan te tonen. - Een gramkleuring kan bijvoorbeeld bij yoghurt uitgevoerd worden. Yoghurt bevat normaal Lactobacillus bulgaricus (staafvormig) en Streptococcus thermophilus (bolvormig). Het zijn grampositieve bacteriën die bij verse yoghurt in gelijke aantallen aanwezig zijn. Streptococcus verdwijnt naarmate de yoghurt ouder wordt. - De gewone broodschimmel (Rhizopus stolonifer) behoort tot de klasse van de Phycomycetes. Op vochtig brood, in het donker onder een klok geplaatst, komt de gewone broodschimmel gemakkelijk tot ontwikkeling. Als vertegenwoordiger van de klasse van de Ascomycetes kan de penseelschimmel die leeft op kaas, vochtig brood en leder in aanmerking komen. Preparaten van die schimmels kunnen gemakkelijk worden gemaakt. Eventueel kunnen preparaten van asci en basidiën bestudeerd worden. De normen waarop de indeling van de klassen van de zwammen berust, kunnen afgeleid worden. Er kan wat dieper ingegaan worden op het begrip generatiewisseling en op de betekenis van de zwammen. 8.2.3

KWEKEN VAN MICRO-ORGANISMEN

Door eenvoudig een petriplaat met een algemene voedingsbodem een 30-tal minuten aan de lucht bloot te stellen en deze in een broedstoof gedurende één dag bij 37EC te plaatsen, kan men aantonen dat de lucht voor een indirecte overdracht van micro-organismen zorgt. De begrippen voedingsbodem, kolonie en besmetting kunnen worden aangebracht. Men kan wat dieper ingaan op de soorten voedingsmedia. Deze kunnen ondermeer ingedeeld worden volgens de aggregatietoestand en volgens de samenstelling (voedings-, selectieve-, differentiatie-, aanrijkings- en telbodems). Door voedingsbodems in contact te brengen met bijvoorbeeld vuile, gewassen, ontsmette ... vingers kan het belang van hygiëne en steriliteit (bijvoorbeeld in een operatiekamer) worden aangebracht. Verschillende sterilisatietechnieken kunnen worden behandeld: autoclaveren, Pasteuroven, flamberen, stralen en gassen. Een vergelijking tussen leidingwater en slootwater, tussen verschillende melksoorten ... kunnen met behulp van telbodems uitgevoerd worden. Daarbij kunnen ook verschillende enttechnieken (massieve streepenting, gefractioneerde streepenting, ...) worden aangewend. De microflora van de tanden kan men bijvoorbeeld enten op een Columbia Agar met schapenbloed of op een Mannitol Salt Agar. Op een Columbia Agar met schapenbloed (een algemene voedingsbodem) zal men een rijke microbiële flora hebben met in hoofdzaak streptococcen en staphylococcen. Naast vorm en kleurverschillen tussen de kolonies van de bacteriënsoorten laten een aantal biochemische testen toe de bacteriën te identificeren. Beide groepen bacteriën bezitten het enzym hemolysine dat de hemoglobine van het schapenbloed afbreekt. De staphylococcen en de streptococcen onderscheiden zich door de catalaseproef (produktie van O2 onder invloed van H2O2). De staphylococcen zijn catalasepositief, de streptococcen zijn catalasenegatief. Mannitol Salt Agar is een sterk selectieve voedingsbodem voor isolatie en differentiatie van pathogene staphylococcen. Staphylococcus aureus veroorzaakt vergisting van mannitol tot zuren, Staphylococcus epidermis niet. Dit kan worden aangetoond met bijvoorbeeld fenolrood als indicator voor de zuurtegraad. Het specifiek metabolisme van bacteriën kan men eveneens aantonen met een aanrijkingscultuur van E.coli. De E.coli-bacil is een gramnegatieve staafjesvormige bacterie. Ze vergist glucose en lactose waaruit zuren ontstaan en een zuur gas bij lactosevergisting.

59 De zetmeelafbraak kan door een reincultuur van Bacillus subtilis door middel van een zetmeel-agarvoedingsbodem aangetoond worden. Na incubatie met Bacillus subtilis wordt de voedingsbodem overgoten met een KI3-oplossing. De plaatsen die nog zetmeel bevatten kleuren blauw-zwart. H2S produktie kan aangetoond worden bij een aanrijkingscultuur van Proteus Vulgaris. Om de gevoeligheid van bacteriën voor antibiotica te testen, kan men best vertrekken van een aanrijkingscultuur van een bepaalde niet-pathogene bacteriesoort. Verschillende antibiotica met een breed en een smal spectrum kunnen worden onderzocht. Het begrip inhibitiezone kan worden verduidelijkt en in de bijsluiter kan worden gezocht naar targetpunten van de antibiotica, bijvoorbeeld celmembraan-functieverstoorders, RNA-functieverstoorders ... De antibioticumproduktie kan aangetoond worden door een streptomyceet, Streptomyces griseus. Alleen testorganismen die resistent zijn aan streptomycine kunnen samen met Streptomyces griseus op dezelfde voedingsbodem groeien. De test vraagt wel een reincultuur van Streptomyces griseus en van testorganismen. Voor die microbiologische praktijk zijn uitgeruste kits in de handel te koop. 8.2.4

MICRO-ORGANISMEN EN VOEDING

Zonder zich bewust te zijn van de grondbeginselen uit de microbiologie, heeft men van oudsher het principe van enting toegepast. Dit entingsproces kan goed worden geïllustreerd bij het bereiden van platte kaas. Er kan worden gezocht naar milieufactoren die het ontstaan geven aan zuurkool. Zowel bij de kaasbereiding als de zuurkoolbereiding kan dieper worden ingegaan op de biochemische aspecten van de melkzuurgisting. Alcoholische gisting kan worden geïllustreerd bij bier- en wijnbereidingen. Wijn kan op een eenvoudige manier bereid worden uit rabarbersap of fruitsap. Belangrijke aandachtspunten zijn: aseptisch werken, zuurconcentratie, relatie suikergehalte-alcoholgehalte en het gistingsproces zowel vanuit praktisch als biochemisch oogpunt. Aan de hand van het aantal bacteriën kan men een oordeel geven over de bacteriologische reinheid van bijvoorbeeld lege melkflessen. De kwaliteit van verse melk kan bepaald worden met de reductaseproef. Hoe sneller methyleenblauw ontkleurt, des te slechter de bacteriologische kwaliteit van de melk. De controle op kwaliteit van yoghurt wordt bepaald aan de hand van het voorkomen van de twee specifieke bacteriën: Lactobacillus bulgaricus en Streptococcus thermophilus (zie hierboven). Een aantal klassieke voedselbewaartechnieken zijn reeds hierboven aan bod gekomen. Vermelden we nog het pekelen en confijten gebaseerd op osmotische verschijnselen. Misschien kan hier wat meer aandacht besteed worden aan meer moderne technieken: voedselbestraling, lyofyliseren en chemische conserveermiddelen. Dit laatste kan een discussie uitlokken in verband met 'vreemde stoffen in onze voeding'. 8.2.5

ERFELIJKHEIDSLEER

- Men kan de lengte meten van een groot aantal bladeren of van bonen, telkens afkomstig van eenzelfde plant. De metingen worden in klassen gegroepeerd, het klassegemiddelde wordt berekend en het aantal bladeren of bonen in elke klasse wordt bepaald. De gegevens worden grafisch voorgesteld en de variabiliteit wordt beschreven en verklaard. - Het oplossen van vraagstukken in de erfelijkheid is een ideale werkvorm om het denkvermogen van de leerlingen te oefenen. Vraagstukken uit de menselijke erfelijkheid zullen meer interesse opwekken en op die manier de motivatie verhogen. In vraagstukken moet worden gestreefd naar de verschillende cognitieve niveaus. In het Lab is wat meer ruimte om de niveaus analyse (bijvoorbeeld stamboomanalyse), eventueel synthese en evaluatie in te oefenen. Bij deze laatste niveaus wordt na grondige analyse een hypothese opgesteld om de gegeven feiten te verklaren. - Onder sterke vergroting kan in kaakcellen van een vrouwelijk individu het tweede opgerold X-chromosoom als een Barr-lichaampje worden herkend na kleuring met orceïne-azijnzuur (zie hoger).

60 - Voor kruisingsproeven met zaadplanten kan gebruik worden gemaakt van een proevenpakket: bijvoorbeeld zaden van hybride tabaksplanten met een allel voor chlorofylvorming dat dominant is op het allel voor albinisme. Die zaadjes kunnen worden uitgezaaid in het licht en de duisternis. De verhouding van de bladgroenhoudende- en de albinovormen kan worden bepaald. Ook het volgend probleem kan aangeraakt worden: wat gebeurt er als men de kiemplantjes vanuit het duister in het licht brengt? Fruitvliegjes (Drosophila melanogaster) zijn voor het illustreren van de wetten van Mendel het meest gebruikte proefdier. Het kweken en het kruisen van het proefdier stelt bijzonder weinig moeilijkheden. Ze vertonen een aantal erfelijke kenmerken die met het blote oog gemakkelijk vast te stellen zijn. De hele levenscyclus duurt ongeveer 12 dagen zodat in korte tijd meerdere generaties kunnen bestudeerd worden. Alle kruisingsgegevens kunnen eventueel statistisch verwerkt worden. - Om na te gaan hoe genen in gehele populaties worden doorgegeven, en niet alleen bij nakomelingen van één ouderpaar, wordt inhoud gegeven aan de basisbegrippen van de populatiegenetica zoals genenpool en genfrequentie. Ook de wet van Hardy en Weinberg met haar voorwaarden wordt besproken. Eventueel is het mogelijk door middel van eenvoudige kansberekening de frequentie van verschillende genotypen in een ideale populatie te laten bepalen en aldus het Hardy-Weinberg evenwicht te laten afleiden. De leerlingen komen aldus tot het inzicht dat in een ideale situatie van een grote populatie de frequentie van de genen constant is, maar dat in een reële populatie de Hardy-Weinberg verhouding wel degelijk veranderingen ondergaat. Dit gebeurt vooral ten gevolge van isolatie van een deelpopulatie, partnerkeuze en letale factoren. 8.2.6

PROJECT

Voor wat betreft het project bestaat er een waaier van mogelijkheden. Een aantal onderwerpen werden reeds gesuggereerd. De leraar krijgt hier zeker de kans om zijn eigen creativiteit tot expressie te brengen. Verder kan de keuze ook bepaald worden door de actualiteit, de interesse van de leerlingen, de accomodatie van het Lab ...

61 TV Toegepaste chemie 1


BEGINSITUATIE

De meeste leerlingen die de derde graad Techniek-wetenschappen aanvatten, zullen de tweede graad Techniek-wetenshappen gevolgd hebben. Zij hebben daardoor reeds kennis gemaakt met de volgende fundamentele begrippen uit de Chemie: - mengsels en zuiver stoffen, - atoom- en moleculebouw (summier), - chemische verbindingsklassen in de anorganische chemie en een elementaire kennismaking met de koolstofchemie, - de chemische reactie met een overzicht van de belangrijkste reactietypes, - chemisch rekenen, - energie-effecten bij chemische reacties, - basisbegrippen in verband met chemische evenwichten. Tijdens het Lab Chemie hebben zij ook reeds kennis gemaakt met een aantal labtechnieken in experimenten aansluitend bij de leerstof die in de theorielessen behandeld werd. Het lesurenpakket Chemie in de 2de graad Techniek-wetenschappen is als volgt samengesteld: Tweede graad Eerste leerjaar: Chemie theorie 2 u./w. Chemie lab 2 u./w. Tweede leerjaar: Chemie theorie Chemie lab

2 u./w. 2 u./w.

Een aantal leerlingen kunnen de derde graad Techniek-wetenshappen aanvatten vanuit diverse studierichtingen van het ASO en vanuit sommige studierichtingen van het TSO. Het lesurenpakket Chemie van deze leerlingen in de 2de graad, kan als volgt voorgesteld worden: Max.

Min.

Tweede graad Eerste leerjaar: Chemie theorie 1 u./w. Chemie lab 4 oefeningen

0 0

Tweede leerjaar: Chemie theorie Chemie lab

0

1 u./w. 6 oefeningen

Deze leerlingen zullen dus een achterstand hebben, die zo vlug mogelijk moet weggewerkt worden. Hun achterstand zal zich vooral voordoen in verband met de volgende items uit de theoretische chemie: - Energie-effecten bij chemische reacties. - Basisbegrippen in verband met chemische evenwichten. Deze leerlingen zullen over het algemeen ook minder vertrouwd zijn met labwerk, alhoewel het leerplan Chemie in de 2de graad ASO wel in een aantal leerlingenpractica voorziet.

62 2


2.1

Het verwerven van fundamentele chemische inzichten

- Inzicht verwerven in de drijfveer van chemische reacties. - Inzicht verwerven in het verloop van evenwichtsreacties en in de wetmatigheden die evenwichtsreacties beheersen. Deze inzichten toepassen op specifieke evenwichtsreacties: zuur-base evenwichten, redoxevenwichten, heterogene evenwichten, complexvorming. - Inzicht verwerven in belangrijke analysemethoden en hun toepasbaarheid: acido- en alkalimetrie, argentometrie, complexometrie, permanganometrie, iodometrie. - Inzicht verwerven in een aantal scheidingstechnieken en hun toepasbaarheid: extractie, chromatografie, ionenuitwisseling. - Inzicht verwerven in belangrijke reactietypes en reactiemechanismen in de koolstofchemie. - Inzicht verwerven in de structuur, de eigenschappen en de toepassingen van de belangrijkste verbindingsklassen in de koolstofchemie. - Inzicht verwerven in de methoden van de organische synthese. 2.2

Het beheersen van de volgende technieken

-

Balansen gebruiken. Het correcte volumetrisch glaswerk kiezen en het correct hanteren. Titraties uitvoeren en de meetresultaten verwerken. Een potentiometrische titratie uitvoeren en de meetresultaten verwerken. Een eenvoudige spectrofotometer of colorimeter hanteren en een bepaling ermee uitvoeren. Een chromatografische bepaling: dunnelaagchromatografie en kolomchromatografie uitvoeren. Een eenvoudige organische synthese, de identificatie, de zuivering en het onderzoek van de gesynthetiseerde produkten uitvoeren. - Verworven analysetechnieken toepassen in een eenvoudig onderzoeksprojectje. 2.3 -

Het verwerven van een positief-wetenschappelijke probleemaanpak

Een probleem zien en formuleren. Een hypothese opstellen. De hypothese aan de werkelijkheid toetsen door middel van experimenten. De vaststellingen logisch beredeneren. Besluiten formuleren die geconfronteerd worden met het uitgangspunt of met het hoofdprobleem en waarbij verbanden worden gelegd.

Dit impliceert enerzijds een aantal onderzoeksvaardigheden en oefent anderzijds de attitude om een gegeven probleem wetenschappelijk te benaderen. 2.4

Het veilig leren omgaan met chemische produkten en labapparatuur

- De eigenschappen van de te hanteren stoffen vooraf controleren. - De nodige veiligheidsmaatregelen voor het hanteren van stoffen en het uitvoeren van experimenten nemen. - Aandacht opbrengen voor de correcte verwerking van chemisch afval in het lab en het nemen van de nodige maatregelen hiertoe.

63 3

LEERINHOUDEN

3.1

Eerste leerjaar: THEORIE

3.1.1

ALGEMENE CHEMIE (3 u./w. tot dat dit item is afgewerkt).

3.1.1.1

Herhaling en uitdieping van

- Atoombouw - Periodiek systeem - Chemische binding: . ionbinding . atoombinding . datief-covalente binding . dipolen . intramoleculaire krachten - Schrijven van Lewisstructuren 3.1.1.2

Drijfveer van chemische reacties

- Relatie tussen vrije energie, enthalpie en entropie 3.1.1.3

Evenwichtsreacties

- Herhaling en uitdieping van de basisprincipes. 3.1.2

ANALYTISCHE CHEMIE (2 u./w.)

3.1.2.1

Elektrolyten

-

Brønsted-benadering van het zuur-base begrip Begrip pH pH-berekening van oplossingen van zuren, basen en amfolyten Buffermengsels

3.1.2.2 -

Zuur-base titraties

Zuur-base reacties Equivalentiepunt Titratiecurven Bepaling van het eindpunt met zuur-base indicatoren en met pH-meting

3.1.2.3

Scheidingstechnieken

- Extractie - Chromatografie: . hoofdprincipes . soorten chromatografie en hun toepassingen - Ionenuitwisseling - Elektroforese (U)

3 u./w.

64 3.1.3

KOOLSTOFCHEMIE (1 u./w.)

3.1.3.1

Inleiding

- Mogelijke koolstof-koolstof-bindingen en hun invloed op de ruimtelijke structuur van koolstofverbindingen - Isomerie - Overzicht van de koolstofverbindingen 3.1.3.2

Belangrijke reactietypes en mechanismen (substitutie, eliminatie, additie)

- Geïntegreerd in de studie van de verschillende verbindingsklassen 3.1.3.3 -

De koolwaterstoffen

Acyclische KWS: alkanen, alkenen, alkynen, alkadiënen Cyclische KWS: cycloalkanen, cycloalkenen Benzeen en homologen Industriële toepassingen: petroleum, steenkool, aardgas

3.1.3.4

Halogeenderivaten van de koolwaterstoffen

3.2

Eerste leerjaar: LABORATORIUM

3.2.1

ANALYTISCHE CHEMIE

3.2.1.1

Experimenten waarbij kwalitatief het verband nagegaan wordt tussen de chemische bindingen fysische eigenschappen van stoffen

-

3 u./w.

Oplosbaarheid Geleidbaarheid Hardheid Kookpunt

3.2.1.2

Periodiek systeem

- Vergelijkende studie van de evolutie van fysische constanten van elementen en hun verbindingen in een groep of een periode - Experimentele studie van bepaalde groep in het periodiek systeem, bijvoorbeeld de s-blok-elementen en hun verbindingen. 3.2.1.3

Belangrijke aspecten van kwantitatieve analyse

- Staalname, keuze analysetechniek. - Nauwkeurigheid, reproduceerbaarheid. - Gebruik van analytische balans en volumetrisch glaswerk. 3.2.1.4 -

Zuur-base analyse

Primaire standaard. Bereiding en standaardisatie van een HCl-oplossing. Bereiding en standaardisatie van een NaOH-oplossing. pH-meting. Opnemen van titratiekurven. Indicatorkeuze.

65 - Toepassingen bijvoorbeeld: . bepalen van azijnzuurgehalte in huishoudazijn . bepalen van het acetylsalicylzuurgehalte in een tablet aspirine 3.2.1.5

Spectrofotometrie

- Apparatuur - Wet van Lambert-Beer - Spectrofotometrische bepalingen bijvoorbeeld: . kwantitatieve experimenten in verband met reactiesnelheid . bepalen van een evenwichtsconstante 3.2.1.6

Chromatografie

- Dunnelaagchromatografie bijvoorbeeld: . onderzoek van aspartaam . scheiding van metalen . scheiding van hydroxyzuren in wijn - Kolomchromatografie bijvoorbeeld scheiding van kleurstofmengsels - Gaschromatografie: studiebezoek aan een labo (U) 3.2.2

KOOLSTOFCHEMIE

3.2.2.1

Kwalitatieve organische analyse

- Opsporen van bijvoorbeeld C,N,O,H,S, halogenen in koolstofverbindingen 3.2.2.2 -

Bereiding en/of onderzoek van eigenschappen van

Een alkaan bijvoorbeeld methaan, pentaan Een alkeen bijvoorbeeld etheen Een halogeneenderivaat van een alkaan bijvoorbeeld 1-broompentaan Paraffine-olie (kraken) of steenkool (pyrolyse)

3.3

Tweede leerjaar: THEORIE

3.3.1

ANALYTISCHE CHEMIE (1 u./w.)

3.3.1.1

Oplosbaarheid, neerslagvorming, neerslagtitraties

-

Oplosbaarheid en oplosbaarheidsprodukt Factoren die de oplosbaarheid beïnvloeden Toepassingen Neerslagtitraties: . argentometrie . bepalen van het eindpunt met neerslagindicatoren en door geleidbaarheidsmeting

3.3.1.2

Complexometrie

- Complexe ionen: . naamvorming . stabiliteit van complexen

3 u./w.

66 - Titraties met EDTA: . invloed van de pH . indicatoren . toepassingen 3.3.1.3 -

Redoxkoppels Redoxreactievergelijkingen Redoxpotentiaal en factoren die de redoxpotentiaal beïnvloeden Nernstvergelijking Toepassingen van redoxreacties: galvanische cel, corrosie en batterijen Elektrolyse en toepassingen van elektrolyse (ontledingsspanning (U))

3.3.1.4 -

Redoxreacties

Redoxtitraties

Titratiecurven Potentiaalwaarde bij het equivalentiepunt Bepaling van het eindpunt met indicatoren en potentiometrisch Permanganometrie Iodometrie

3.3.2

KOOLSTOFCHEMIE (2 u./w.)

3.3.2.1

Koolstof-zuurstofverbindingen

-

Alifatische en aromatische alcoholen - thiolen Ethers Alifatische en aromatische aldehyden en ketonen. Oxidatie en reductie van koolstofverbindingen Alifatische en aromatische mono- en dicarbonzuren - zuuranhydriden Esters - lipiden Organische zouten - zepen en detergenten Monosacchariden, disacchariden, polysacchariden - kunstmatige zoetmiddelen

3.3.2.2 -

Koolstof-stikstofverbindingen

Alifatische en aromatische nitroverbindingen Alifatische en aromatische aminen Diazoniumverbindingen en kleurstoffen Aminozuren en eiwitten (primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur)

3.3.2.3

Methoden in de organische synthese

- Syntheseweg van een alifatische verbinding - Syntheseweg van een aromatische verbinding - Bedrijfsbezoek (U) 3.3.2.4

Macromoleculen

- Indeling: . natuurlijke macromoleculaire stoffen: polysacchariden, eiwitten . half-synthetische macromoleculaire stoffen: bijvoorbeeld: cellulosederivaten . synthetische macromoleculaire stoffen (polyadditie-, polycondensatie- en polymerisatieprodukten)

67 - Verband tussen eigenschappen en structuur van macromoleculaire stoffen: . thermoplasten, thermoharders, elastomeren - Verwerkingstechnieken en vormgevingstechnieken bij macromoleculaire stoffen. 3.4

Tweede leerjaar: LABORATORIUM

3.4.1

ANALYTISCHE CHEMIE

3.4.1.1

Neerslagvorming en gravimetrie

3 u./w.

- Vergelijkende studie van slecht oplosbare zouten, bijvoorbeeld scheiden van slecht oplosbare hydroxiden - Filtratietechnieken - Gravimetrie, bijvoorbeeld bepalen van het hydratiegetal van bariumdichloride of magnesiumsulfaat, bepalen van het vastestofgehalte in voedingswaren 3.4.1.2

Neerslagtitraties

- Argentometrische bepaling van bijvoorbeeld het chloride-gehalte in zeewater 3.4.1.3

Complexometrische titraties

- Bereiding en standaardisatie van een EDTA-oplossing - Bepalen van de hardheid van water 3.4.1.4 -

Redoxreacties

Opstellen van een spanningsreeks Uitvoeren van redoxreacties met belangrijke oxidatoren en reductoren (KMnO4, K2Cr2O7, HOCl ...) Bouwen van galvanische cellen Bouwen van een concentratiecel en b.v bepalen van een oplosbaarheidsprodukt (U) Elektrolyse (U)

3.4.1.5

Redoxtitraties

- Permanganometrie: . bereiding en standaardisatie van een KMnO4-oplossing . toepassingen bijvoorbeeld: bepalen van ijzergehalte in een stuk ijzerdraad bepalen van tanninegehalte in bier of wijn - Iodometrie: . bereiding en standaardisatie van een Na2S2O3-oplossing . toepassingen bijvoorbeeld: bepalen van het Ca-gehalte in eierschalen bepalen van het zuurstofgehalte in water 3.4.1.6

Potentiometrie

- Uitvoeren van een potentiometrische redoxtitratie. Grafisch bepalen van het eindpunt. 3.4.2 3.4.2.1

KOOLSTOFCHEMIE Alcoholische gisting. Destillatie van bier of wijn. Bepaling van het alcoholgehalte

68 3.4.2.2

Onderzoek van eigenschappen van primaire en secundaire alcoholen. Aantonen van aldehyden en ketonen

3.4.2.3

Van volgende verbindingssoorten nl.

- een keton bijvoorbeeld ethyl-methylketon - een ester bijvoorbeeld fenylbenzoaat, iso-amylacetaat - een kleurstof bijvoorbeeld fenolftaleïne, oranje II - een zeep, een detergent eigenschappen onderzoeken en voor minstens twee van deze verbindingssoorten een bereiding uitvoeren. 3.4.3

PROJECTWERK, EVENTUEEL IN HET KADER VAN DE GEINTEGREERDE PROEF

Dit projectwerk kan bestaan uit één van volgende onderwerpen: 3.4.3.1

Onderzoek van voedingsmiddelen, bijvoorbeeld:

- Onderzoek van melk (vetgehalte, suikers ...) - Vitamine C-gehalte in fruitsappen 3.4.3.2

Micro-analyse toegepast op milieu-onderzoek bijvoorbeeld:

- Fosfaten in oppervlaktewater en grondwater - NO2, SO2 in uitlaatgassen - Lood op gras en bladgroenten 3.4.3.3 3.4.3.4 3.4.3.5

Onderzoek en identificatie van kunststoffen Medische analyse met studiebezoek Een onderwerp naar keuze

4

METHODOLOGISCHE WENKEN

4.1

Eerste leerjaar: THEORIE

Herhaling en uitdieping van atoombouw, periodiek systeem en chemische binding Aangezien atoombouw, periodiek systeem en chemische binding slechts summier aan bod kwamen in de 2de graad, is een herhaling en uitdieping in de 3de graad zeker gewenst als basis voor de Analytische chemie en de Koolstofchemie. Bij de behandeling van de atoombouw moet het atoommodel uitgebreid worden tot het Bohr-Sommerfield model (subniveaus, elementaire voorstelling van orbitalen (ruimtelijke oriëntatie van s- en p-orbitalen)) om een eenvoudige behandeling van het begrip hybridisatie mogelijk te maken.

69 Aan de hand van dit atoommodel is het mogelijk het periodiek verloop van fysiche en chemische eigenschappen van enkelvoudige stoffen te verklaren. De bindingsmodellen kunnen dienen als basis voor de verklaring van chemische en fysische eigenschappen van verbindingen. Daarrond worden ook een aantal laboefeningen georganiseerd. Het leren schrijven van Lewisstructuren moet voldoende ingeoefend worden met voorbeelden uit de Anorganische chemie en uit de Koolstofchemie. Lewisstructuren kunnen ook een interessante basis vormen voor het afleiden van oxidatiegetallen van elementen in verbindingen. Drijfveer van chemische reacties De begrippen inwendige energie, enthalpie, entropie brengt men best aan via de studie van een concrete reactie (bijvoorbeeld Mg + HCl), waarbij men wijst op de verschillen die optreden naargelang de reactie verloopt bij constante druk of bij constant volume. Bindingsenthalpie kan later gebruikt worden om het verloop van reacties in de Koolstofchemie te verklaren. De formule van Gibbs kan worden gebruikt om aflopende reacties van evenwichtsreacties te onderscheiden. Voor de behandeling van dit abstract item is er uitstekend audio-visueel materiaal beschikbaar: bijvoorbeeld bij het Centrum voor Informatie en Documentatie, Koningsstraat 150, 1000 Brussel, tel. (02)210 54 00. Evenwichtsreacties Bij de algemene behandeling van evenwichtsreacties wordt het aantal vraagstukken over berekenen van omzettingsgraad, evenwichtsconstante, evenwichtsconcentraties ... beperkt. Het kunnen toepassen van de wet van Le Châtelier moet hierop voorrang krijgen. Het bespreken van evenwichtsreacties in de natuur en van industriële evenwichtsprocessen, kan uitstekend als illustratiemateriaal gebruikt worden (bijvoorbeeld ammoniaksynthese, calciumcarbonaatevenwicht ...). Computersimulaties rond deze processen kunnen hier nuttig gebruikt worden. Elektrolyten De Brønsted-theorie kan tot het essentiële beperkt blijven: protonendonor, protonenacceptor, zuur-basekoppels, amfolyten. Het behandelen van zuur-base-reacties aan de hand van protonenuitwisseling laat toe de analogie met de elektronenuitwisseling bij redoxreacties te benadrukken. Zuur-base titraties Het is aan te raden leerlingen een titratiecurve te laten berekenen en tekenen. Veel tijd kan bespaard worden door het gebruik van computersimulaties of real-time-metingen om de invloed van de verandering van K-waarde, concentratie ... aan te tonen. Scheidingstechnieken Bij de bespreking van verdelingsevenwichten kan het aanwenden van efficiënte spoeltechnieken voor labglaswerk als illustratie gebruikt worden.

70 De basisbegrippen van de belangrijkste chromatografische methodes (stationaire fase, mobiele fase, eluens, retentietijd, Rf-waarde ...) moeten aan de hand van praktische voorbeelden en demonstratieproeven aangebracht worden. Ionenuitwiseling kan goed geïllustreerd worden aan de hand van de bespreking van de bereiding van gedeminiraliseerd water. De verschillende opbouw van kationen- en anionenuitwisselaars kan besproken worden. De bepaling van de hardheid van water komt evenwel slechts in het 2de leerjaar aan bod. Inleiding koolstofchemie Bij de behandeling van de ruimtelijke bouw van koolstofverbindingen kan het hybridisatiemodel gebruikt worden om polariteit, oplosbaarheid e.a. fysische eigenschappen te verklaren. Reactietypes en mechanismen De belangrijkste reactietypes en mechanismen (additie, eliminatie, substitutie) worden best eerst gedefinieerd en nadien geïntegreerd in de studie van de verschillende verbindingsklassen. 4.2

Eerste leerjaar: LABORATORIUM

Een efficiënte organisatie moet het mogelijk maken dat de leerlingen het maximum van de toegemeten tijd aan het eigenlijke labwerk kunnen besteden. Het aantal verslagen kan beperkt blijven tot een drietal per trimester. De leerlingen moeten wel een labschrift bijhouden waarin gegevens (waarnemingen, gebruikt materiaal, berekeningen) omtrent alle uitgevoerde experimenten zijn opgenomen. Daar waar de leerstofafbakening een keuze laat tussen verschillende laboefeningen, zal elke leraar bij die keuze afwegen of de infrastructuur van het Lab, de veiligheidsvoorzieningen, de bekwaamheid van de leerlingen, de mogelijkheid tot afvalsortering enz., het veilig uitvoeren van de proef mogelijk maakt. Afhankelijk van de voorkennis en de ervaring van de leerlingen kan in een inleidingsles aandacht besteed worden aan allerlei veiligheidsaspecten verbonden aan het labwerk: brandveiligheid, etikettering van chemische produkten (R- en S-zinnen, veiligheidssymbolen), veilig en verantwoord omgaan met chemisch afval enz. Experimenten waarbij kwalitatief het verband nagegaan wordt tussen de chemische binding en fysische eigenschappen van stoffen Het gebruik van molecuulmodellen, roostermodellen ... is essentieel tijdens deze Laboefeningen. Het ligt voor de hand materialen uit de leefwereld van de leerlingen te laten bestuderen: -

Vergelijking van de oplosbaarheid van keukenzout en suiker in water. Vergelijking van de geleidbaarheid van keukenzoutoplossingen en suikeroplossingen. Vergelijking van de hardheid van keukenzout en suiker. Vergelijking van de aggregatietoestand van water, methaan, ammoniak ... bij kamertemperatuur.

Periodiek systeem Bij de studie van het periodiek systeem kunnen een aantal groepseigenschappen experimenteel onderzocht worden (bijvoorbeeld eigenschappen van halogenen, aardalkalimetalen ...). Daarnaast kan ook gebruik gemaakt worden van computersimulaties in verband met het periodiek systeem.

71 Belangrijke aspecten van kwantitatieve analyse De grootte van het staal, de monstername, de voorbereiding van het staal, de betrouwbaarheid van de analysetechniek, de kostprijs van de analysetechniek, de analysetijd ... moeten voor de verschillende analysetechnieken besproken en vergeleken worden. Dit kan met voorbeelden geïllustreerd worden, bijvoorbeeld monstername van suikerbieten in de suikerraffinaderij ... Het is belangrijk dat de leerlingen inzicht krijgen in de nauwkeurigheid van een analysemethode en dat ze voor elke toepassing het correcte volumetrisch glaswerk leren kiezen: glaswerk geijkt op inhoud, geijkt op uitloop enz. Spectrofotometrie De bespreking van de apparatuur moet beperkt blijven tot het basisschema. De geldigheid van de wet van Lambert-Beer kan experimenteel gecontroleerd worden. Mogelijke toepassingen zijn b.v bepalingen van ijzergehalte in klankband, het Zn-gehalte in pleisters, studie van de reactiekinetiek bij de oxidatie van kaliumiodide met waterstofperoxide enz. Kwalitatieve organische analyse Ook hier zal men weer gebruik maken van stoffen uit de leefwereld van de leerlingen: azijn, zeep, alcohol ... Voor dergelijke onderzoekjes zijn ook heel wat experimenteersets verkrijgbaar bij firma's van didactisch materiaal. Bereiding en/of onderzoek van eigenschappen van organische verbindingen . Bij de organische synthese stelt zich, waarschijnlijk meer uitgesproken dan bij andere Lab-oefeningen, het veiligheidsaspect. De in de leerstofafbakening voorgestelde bereidingen zijn slechts voorbeelden en mogen door andere vervangen worden. Zoals de titel van dit leerstofitem duidelijk aangeeft, kan een te riskante bereiding vervangen worden door een onderzoek van eigenschappen. Anderzijds moet er toch rekening mee gehouden worden dat één van de doelstellingen van het chemieonderwijs, in het bijzonder de laboefeningen, erin bestaat de leerlingen veilig te leren omgaan met chemische stoffen en apparatuur. 4.3

Tweede leerjaar: THEORIE

Oplosbaarheid Vooraleer men kwantitatieve aspecten van oplosbaarheid behandelt, moet de oplosbaarheid van verschillende verbindingsklassen (bijvoorbeeld hydroxiden, metaalhalogeniden, nitraten ...) eerst kwalitiatief besproken worden. Het vormen van complexen bij het oplossen van bepaalde neerslagen vormt een aanknopingspunt met het volgende leerstofonderdeel. Complexe ionen Het verschil in stabiliteit van complexen kan goed geïllustreerd worden door het uitvoeren van verdringingsreacties bij Cu(II)complexen. Milieuaspecten verbonden aan de aanwezigheid van complexvormers in moderne detergenten, kunnen besproken worden.

72 Redoxreacties De analogie met de protonenuitwisseling bij zuur-base reacties kan benadrukt worden. De Nernstvergelijking is experimenteel te benaderen door de invloed van de concentratie op de bronspanning van concentratiecellen na te gaan. Ook de invloed van de temperatuur op de bronspanning is aan te tonen. Er bestaan uitstekende experimenteersets die met een minimum aan materiaal en tijd deze metingen mogelijk maken. Men kan experimenteel aantonen dat de opgelegde ontledingsspanning bij elektrolyse dezelfde waarde heeft als de bronspanning van de galvanische cel waarin de spontane reactie verloopt. Overspanning aan grafietelektroden, bij eletrolyses waarbij gassen ontstaan, is ook eenvoudig experimenteel aantoonbaar. Industriële toepassingen van elektrolyse bijvoorbeeld winning van metalen, chloor ... kunnen besproken worden. Redoxtitraties Zoals bij zuur-base titraties is het ook hier aangewezen dat de leerlingen een titratiecurve leren berekenen en tekenen. De bespreking van de bepaling van het eindpunt kan beperkt blijven tot de eindpuntsbepalingen bij permanganometrie en iodometrie. Koolstofchemie Het is voor de hand liggend de bespreking van de verschillende verbindingsklassen te illustreren met voorbeelden uit de regionale chemische industrie of uit de actualiteit. Men zal voortdurend een relatie leggen tussen de eigenschappen van de verschillende verbindingsklassen en de moleculebouw. Bij de behandeling van sacchariden wordt optische isomerie besproken. Methoden in de organische synthese Hier is het nuttig globale schema's met methoden voor ketenverlenging, ketenverkorting, inplanting van bepaalde functionele groepen ... op te stellen. Macromoleculen Het is nuttig de analogie in de bouw van natuurlijke en synthetische macromoleculen te benadrukken. De gebruikte verwerkingstechniek bij de fabricage van kunststoffen voorwerpen kan dikwijls afgeleid worden uit een aandachtige waarneming van het voorwerp. Bijvoorbeeld bij een PVC-fles is de smeltnaad terug te vinden, bij een PET-fles die geblazen wordt, ontbreekt de smeltnaad enz. 4.4

Tweede leerjaar: LABORATORIUM

De richtlijnen inzake efficiënt gebruik van de labtijd, het maken van verslagen en het gebruik van een labschrift, de noodzakelijke aandacht voor veiligheidsaspecten, aangegeven bij de methodologische wenken voor het lab chemie in het 1ste leerjaar derde graad, blijven hier uiteraard gelden.

73 Neerslagvorming en gravimetrie Omwille van veiligheidsredenen en milieuaspecten kan men bij de studie van slecht oplosbare zouten, slecht oplosbare hydroxiden kiezen in plaats van slecht oplosbare chloriden. Bij de behandeling van de filtratietechnieken moeten zeker besproken worden: digereren en de keuze van filtreermateriaal in functie van van het filtratieprobleem. Eenvoudige en veilige gravimetrische bepalingen zijn: bepalen van het hydratatiegetal van magnesiumsulfaat, bepalen van het vastestofgehalte in voedingswaren enz. Redoxreacties Gezien de hoge kostprijs van de nodige apparatuur moet elektrolyse niet tot elektrogravimetrie uitgebreid worden. Koolstofchemie De richtlijnen inzake veilgheid, vermeld bij de laboefeningen koolstofchemie in het 1ste leerjaar derde graad blijven hier uiteraard gelden. Alcoholische gisting Bepaling van het alcoholgehalte in bijvoorbeeld bier of wijn, kan het gemakkelijkst door dichtheidsbepalingen op het destillaat na gefractioneerde destillatie. Onderzoek van eigenschappen van primaire en secundaire alcoholen. Aantonen van aldehyden en ketonen. Voor het aantonen van aldehyden wordt best Fehlingreagens gebruikt. Het Tollensreagens is minder veilig. Bereiding en eigenschappen van een ester Er zijn verschillende syntheses mogelijk. Het aangegeven voorbeeld heeft als interessante aspecten dat het bereide ester een vast produkt is dat eenvoudig en veilig kan verkregen worden met hoge rendementen. Het kan interessant zijn bij esters ook laboefeningen rond reuk- en smaakstoffen te laten uitvoeren. Bereiding en eigenschappen van een kleurstof Bij de keuze van de synthese zal men sterk de veiligheidsaspecten in overweging nemen. Zo is de synthese van oranje II te verkiezen boven de synthese van methyloranje aangezien p-amino- benzeensulfonzuur minder giftig is dan dimethylaniline. Bij onderzoek van de eigenschappen van azokleurstoffen kan bijvoorbeeld de toepasbaarheid als kleurstof voor verschillende soorten textielvezels onderzocht worden. Er kan papier- en dunnelaagchromatografie uitgevoerd worden op kleurstofmengsels in levensmiddelen (huishoudjam, snoepjes, puddingpoeder ...) enz.

74 Omtrent kleurstoffen in het algemeen en azokleurstoffen in het bijzonder is heel wat informatie (inclusief practicumsuggesties) te vinden in de thema-editie van Natuur en Techniek "Chemie en samenleving - Van kleurstof tot kunstmest" Om veiligheidsredenen kan men overwegen de synthese van een azokleurstof te vervangen door de synthese van een andere kleurstof zoals bijvoorbeeld fenolftaleïne. Ook dan blijft het onderzoek van de eigenschappen in relatie tot de molecuulstructuur, interessante mogelijkheden bieden.

75 7

BIBLIOGRAFIE

7.1

TV Elektriciteit/Elektronica/Toegepaste fysica

Naslagwerken Vademecum voor de leerkracht Wetenschappen. Acco, Leuven. Halfgeleider bouwstenen deel 1A en 1B. Die Keure, Brugge. Schoolboeken De leraar zal de recente catalogi van de verschillende uitgeverijen raadplegen. Uitgaven van Pedagogisch-didactische Centra en Navormingscentra -

Eeckhoutcentrum. KULAK, Universitaire Campus, 5500 Kortrijk. Pedic. Coupure Rechts 314, 9000 Gent. PUC, Universitaire Campus, 3600 Diepenbeek. Vliebergh-Sencie-leergangen: Fysica: Naamsestraat 61, 3000 Leuven.

Educatieve software Zie de jaarlijkse Catalogus Educatieve Software van School & Computer V.Z.W., Van Boendallaan 13, 2000 Antwerpen. 7.2

TV Toegepaste biologie

Naslagwerken Vademecuum voor de leerkracht Wetenschappen. Uitgeverij Acco. Uitgaven van pedagogische didactische centra en navormingscentra: - Vliebergh-Sencieleergangen, afdeling Biologie, Naamsestraat 61 - 3000 Leuven. - Pedic, Coupure Rechts 314, 9000 Gent. - Eekhout centrum, Universitaire Campus, 8500 Kortrijk. - PUC, Universitaire Campus, 3590 Diepenbeek. Schoolboeken De leerkracht zal de recente catalogi van de verschillende uitgeverijen raadplegen. Tijdschriften - Bulletin voor het Onderwijs in de Biologie. NL-Assen, Stichting 'Bulletin'. - Jaarboek, Vereniging voor het Onderwijs in de Biologie (VOB). Malle, De Sikkel N.V. - Natuur en techniek. NL-Maastricht, Centrale Uitgeverij en Adviesbureau B.V. - Probio Revue. Association des Professeurs de Biologie. Louvain-la-Neuve. - Praxis der Naturwissenschaften - Biologie. Köln. Aulis Verlag. Educatieve software Zie de jaarlijkse Catalogus Educatieve Software van School & Computer V.Z.W., Van Boendalelaan 13, 2000 Antwerpen.

76 7.3

TV Toegepaste chemie

Zie Vademecuum van de leerkracht wetenschappen - Acco - Leuven. Schoolboeken De leerkracht zal de recente catalogi van de verschillende uitgeverijen raadplegen. Tijdschriften Onder andere: The School Science Review. ASE, College Lane, Hatfield, Herts AL10 9AA. The Physics Teacher. AAPT, 335 East 45th Street, New York, N.Y. 10017. Physics Education. Institute of Physics, Techno House, Redcliffe Way, Bristol BS1 6NX. Praxis der Naturwissenschaften. Aulis Verlag, Köln. Exaktueel. Tijdschrift voor Natuurkundeonderwijs, Afdeling Didaktiek Natuurkunde KUN, Toernooiveld 1, 6525 ED Nijmegen. Elex. Uitgeversmij Elektuur B.V., Postbus 75, 6190 AB Beek. Archimedes. Memo N.V., Utrecht. Chemie Magazine. KVCV, Groot Begijnhof 6, 3000 Leuven. Elektron. KVCV, Coupure Rechts 168, 9000 Gent. Journal of Chemical Education. ACS, 60 East 42nd Street, Easton Pa. 18042. Chemie Aktueel. KPC, Informatiedienst, Postbus 482, 5201 AL 's Hertogenbosch. Chemische Feitelijkheden. Samson HD Tjeenk Willink, Postbus 316, 2400 Alphen a.d. Rijn. NVON-maandblad. Beethovenlaan 118, 6865 ED Doorwerth. TD$ Tijdschrift voor Didactiek der $-wetenschappen. Postbus 80.000, 3508 Utrecht. Velewe. Tijdschrift van de vereniging van leraars in de wetenschappen. Boswegel 8, 9070 Heusden. Uitgaven van Pedagogisch-didactische Centra en Navormingscentra Eeckhoutcentrum. KULAK, Universitaire Campus, 5500 Kortrijk. Pedic. Coupure Rechts 314, 9000 Gent. PUC, Universitaire Campus, 3600 Diepenbeek. Vliebergh-Sencie-leergangen: Chemie: Celestijnenlaan 200 G, 3001 Heverlee. Educatieve software Zie de jaarlijkse Catalogus Educatieve Software van School & Computer V.Z.W., Van Boendalestraat 13, 2000 Antwerpen.

VLAAMS VERBOND VAN HET KATHOLIEK SECUNDAIR ONDERWIJS

Recommend Documents