Low-Cost-Bioreaktoren aus dem 3D-Drucker – Kriteriengeleitete Entwicklung und Verfahrungsanalyse zur Integration von Biotechnologie, Microcontrollern und 3D-Druck im Lehramtsstudium (BioR3D)
Förderung: Joachim Herz Stiftung
Projektdauer: 01.02.2023 – 31.12.2024 (23 Monate)
Leitung: Prof. Dr. Benedikt Heuckmann, Dr. Alexander Pusch
Das Projekt BioR3D verfolgt als Kooperationsvorhaben zwischen Biologie- und Physikdidaktik das Ziel, die Themenfelder „Bioreaktoren“, „3D-Druck“ und „Microcontroller“ für das Lehramtsstudium Biologie und Physik zu integrieren. Die Nutzung von 3D-Druckern führt bereits seit Jahren zu umfassenden Veränderungen in den Bereichen Produktion, Wissenschaft und Medizin. Sie ist neben den in immer mehr Geräten verwendeten Microcontrollern eine der Schlüsseltechnologien, die viele Berufszweige und Branchen nachhaltig verändern wird. Schulen und Hochschulen müssen die Lernenden auf die Möglichkeiten und Chancen dieser modernen Technologien vorbereiten. Es fehlen aber noch (fachübergreifende) Projekte, an denen die Technologien sinnvoll und nachhaltig in Lernprozesse integriert werden können und an denen Lernende umfassende digitale Kompetenzen erwerben können.
Obwohl biotechnologische Verfahrensprozesse im Rahmen von Bioreaktoren einen bedeutenden Stellenwert innerhalb der Biowissenschaften/Life Sciences einnehmen (z.B. Bier brauen, „Superfood“ Züchtung durch Algen zur Nährstoffgewinnung sowie weiße Biotechnologie im Rahmen mikrobielle Produktionen für industrielle Zwecke), finden sie im schulischen Kontext vor allem aufgrund der hohen Anschaffungskosten von Bioreaktoren (meist mehrere hundert Euro) selten Anwendung. Gleichzeitig eignen sich Bioreaktoren besonders dafür, den Erwerb von fachbezogenen und prozessbezogenen Kompetenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung zu fördern.
Maßgeschneiderte Produkte aus dem 3D-Drucker (z.B. Deckel, Halterungen, Rührstäbe) sollen bestehende Laborausstattung wie Bechergläser als Grundlage für Low-Cost-Bioreaktoren nutzbar machen. Dies ist nachhaltig und spart Kosten und zeigt gleichzeitig das breite Anwendungsfeld des 3D-Drucks in Forschung und Lehre. Mit Hilfe eines Microcontrollers werden der Reaktor gesteuert und die Rahmenparameter mikrobieller Untersuchungen elektronisch geregelt und visualisiert. Dies ermöglicht es den Lernenden, forschend-entdeckend experimentelle Fragestellungen mit geeigneten Mikroorganismen zu untersuchen.
Neben der Entwicklung eines funktionsfähigen Low-Cost-Bioreaktors soll mit dem Projekt übergeordnet der Fragestellung nachgegangen werden, in welchem Ausmaß 3D-Druck die Integration und Anwendung von Bioreaktoren für den naturwissenschaftlichen Unterricht unterstützen kann. Dafür ist die Integration des Themenfeldes in fachdidaktische Lehrveranstaltungen sowie die Durchführung von Fortbildungen für Lehrkräfte mit Bereitstellung entsprechender Lehr- und Lernmaterialien geplant.
Das BioR3D-Team
Leitung Didaktik der Biologie
Prof. Dr. Benedikt Heuckmann, Zentrum für Didaktik der Biologie
E-Mail: benedikt.heuckmann@uni-muenster.de
Leitung Didaktik der Physik
Dr. Alexander Pusch, Institut für Didaktik der Physik
E-Mail: alexander.pusch@uni-muenster.de
Fachwissenschaftliche Beratung im Fachbereich Biologie
Prof. Dr.-Ing. Jochen Schmid, Institut für Molekulare Mikrobiologie und Biotechnologie
E-Mail: jochen.schmid@uni-muenster.de
Projektmitarbeitende
Sebastian Linnartz, Kaya Elverisli, Studentische Hilfskraft am Zentrum für Didaktik der Biologie
Michael Röhrig, Studentische Hilfskraft am Institut für Didaktik der Physik