Experimentieren:digital – Ein Seminar zum digital-gestützten Experimentieren im Physikunterricht

Kontakt: Dr. Franz Boczianowski, AG Didaktik der Physik, franz.boczianowski@physik.hu-berlin.de

Fallexperimente mit Ultraschall

Per Ultraschall lässt sich die Position eines Objektes über eine Laufzeitmessung bestimmen. Kommerzielle Systeme liefern erstaunlich gute Ergebnisse für den freien Fall und auch das Springen eines Gummiballs (Messung mit LabQuest Mini ca. 250€ mit Ultraschall-Bewegungssensor 130€). In diesem Artikel wird der Versuch beschrieben, eine ähnliche Messung mit einem Arduino Uno mit Ultraschallmodul (insg. ca. 35€) aufzunehmen, siehe Abb. 1

Abb. 1: Arduino mit Ultraschallmodul auf Trägerplattform

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23. März 2018 | Veröffentlicht von Franz Boczianowski | Kein Kommentar »
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Schülerlernvideos im Physikunterricht – ein Erfahrungsbericht

Nicht nur in den sozialen Medien kann man es täglich verfolgen – Lernvideos auf Plattformen wie z.B. YouTube erfreuen sich zunehmender Beliebtheit und nehmen auch in der Unterrichtsgestaltung einen größer werdenden Stellenwert ein. Dies animiert Lehrerinnen und Lehrer zu der Überlegung, auch im eigenen Unterricht derartige Videos als Medium einzusetzen und vorzuführen. Eine erweiterte Form dessen ist jedoch neben der Vorführung von bestehenden Lernvideos die Erstellung von Schülerlernvideos, die sich innerhalb eines festgelegten Zeitraums mit einem fachlichen Thema auseinandersetzen und selbstständig ein Lernvideo über ihre Erkenntnisse drehen.

Innerhalb meines Praxissemesters konnte ich beobachten, wie Schülerlernvideos im alltäglichen Physikunterricht eines Berliner Gymnasiums eingesetzt wurden und welche Auswirkungen dies auf den Lerneffekt der Schülerinnen und Schüler hatte. Darauf aufbauend soll sich der nachfolgende Text neben den angesprochenen praktischen Erfahrungen auch auf eine Betrachtung der dabei vermittelten Kompetenzen sowie praktische Hinweise ausgewählter Lehrmittelhersteller beziehen.

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19. Februar 2018 | Veröffentlicht von Laura-Jane Habermann | Kein Kommentar »
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Experimente mit Arduino-Boards

Informatik trifft Physik.
Die kleinen Platinen mit dem Namen Arduino sollen viele Dinge in sich vereinen. Während sie sich physikalischer Bauteile und Sensoren bedienen, geht ihre Programmierung in den Bereich der Informatik und doch sollen sie für Schüler geeignet sein. Das klingt nach einem vielversprechenden Konzept für fachübergreifenden Unterricht, das im Folgenden untersucht werden soll.

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15. Februar 2018 | Veröffentlicht von Tobias Berchner | Kein Kommentar »
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Whiteboards – die Tafel der Zukunft

Interaktive Tafeln erhalten mehr und mehr Einzug in Schulen.
Auf Grundlage von technischen, didaktischen, personellen und ökologischen Ansätzen soll der Sinn von Whiteboards im Unterrichts im Folgenden untersucht werden.

Technik
Was kann ein Whiteboard nicht, was eine normale Tafel kann?
Eine erstmal provokante Frage, die bei genaueren Überlegungen doch zu dem Schluss führt, dass die Tafel dem Whiteboard technisch gesehen keine oder nur marginale Punkte voraus hat. Neben der einfachen Tafelfunktion ist ein Whiteboard mit immensen Möglichkeiten ausgestattet.
Das Whiteboard kann problemlos mit einem Laptop gekoppelt und aus der Ferne bedient werden. Das Problem, dass der Lehrer vor dem steht, was er schreibt, ist damit gelöst und es bieten sich viele andere unterrichtsoptimierende Möglichkeiten an, unter anderem schnelleres Schreiben an der Tafel.
Die Digitalisierung von Tafelbildern ermöglicht das Abspeichern und kann ein immenser Vorteil für verhinderte Schüler sein, den Unterrichtsstoff nachzuholen. Desweiteren ist so das Rekonstruieren bereits erstellter Tafelbilder ein Leichtes. Ein generelles Aushändigen der Folien an die Schüler scheint jedoch didaktisch nicht sinnvoll, da das Abschreiben zum Lernprozess beiträgt.
Verschiedene Funktionen wie das Benutzen unterrichtsbegleitender Programme verbessern deutlich die Übersichtlichkeit der Inhaltspräsentation und nicht zuletzt ist der Zugriff auf das Internet ein nützlicher und zeitgemäßer Vorteil des Whiteboards.
Die zahlreichen Möglichkeiten, die einem mit dem Whiteboard zur Verfügung stehen, können ein großer Vorteil sein, dennoch bergen sie auch Gefahren.

Didaktik
Die Möglichkeiten, die sich mit dem Whiteboard bieten sind immens, erfordern jedoch ein didaktisches Umdenken. Eine ungenügende Vorbereitung kann leicht zu Unübersichtlichkeit der Inhaltspräsentation führen, beispielsweise wenn man sich in Details verliert oder das Tafelbild nicht ausreichend strukturiert. Auch die Gefahr, dass der Unterricht stärker auf den Lehrer zentriert wird, da sich dieser erwartungsgemäß am besten mit dem Whiteboard auskennt, besteht.
Die Programmvielfalt, die genutzt werden kann, erfordert eine didaktisch sinnvolle Auswahl und damit einen Kenntnisstand der Lehrkraft, der im Allgemeinen nicht gegeben ist.
Glüchlicherweise existiert viel Literatur, die Lehrkräften einen Einstieg in die didaktischen Möglichkeiten und Fallen des Whiteboards ermöglicht.

Personelle Fragen
Daraus geht hervor, dass die Einbindung von Whiteboards in den Unterricht einen hohen Initialbedarf an Beschäftigung mit dem Whiteboard seitens der Lehrkraft erfordert.
Das vorausgesetzt ist verständlich, warum einige, zumeist ältere, Lehrer den Umgang mit dem Whiteboard scheuen, schließlich ist unbekanntes Terrain immer ein Risiko, unter dem im Zweifelsfall die Lehre und damit die Schüler leiden. Dieser Verantwortung sind sich Lehrer zumeist bewusst, auch wenn die generelle Angst vor Veränderung natürlich auch unter Lehrern existiert. Für diejenigen, die mit Computern aufgewachsen sind, bietet das Whiteboard allerdings viele bekannte Parallelen, sodass die Benutzung für „Lehrer mit digitalem Hintergrund“ intuitiv und einfach vonstatten gehen kann.
Es ist demnach deutlich, dass interaktive Tafeln – in den richtigen Händen, gut konzipiert – einen Vorteil gegenüber der Kreidetafel bieten, der nicht viel länger zu ignorieren ist. Insofern wäre eine Weiterbildung von Lehrern, sowie die Integration von Whiteboards in die Ausbildung von Lehrern nötig, um die Vorteile des Mediums nutzen zu können und Unterricht zeitgemäßer zu gestalten.

Ökologie
Als Physiker sind neben den technischen Details aber auch die ökologischen Folgen zu bedenken.
Auch wenn Kreide im Klassenzimmer als lästig empfunden werden kann, bietet sie ökologische und öknomische Vorteile. Ein kompletter Umstieg auf Whiteboards würde nicht nur Energiekosten von Schulen deutlich in die Höhe treiben, sondern aufgrund des momentanen noch relativ geringen Teiles an regenerativen Energien im Stromnetz auch Folgen für die Umwelt und selbstverständlich auch für die Energieindustrie haben. Während an vielen Stellen Wert auf bewussten, verantwortungvollen Energieverbrauch gelegt wird und viele Ideen zum Minimieren des Energieverbrauchs umgesetzt werden, wäre es ein Schritt in die entgegengesetzte Richtung, in Klassenzimmern beinahe permanent einen Beamer laufen zu haben. Nicht zu unterschätzen sind hierbei auch die Wartungskosten und der Wechsel der Beamerlampen, der durch frequentiertere Nutzung deutlich erhöht würde. Dies wiederum hätte auch Auswirkungen auf die Umwelt, da Beamerlampen in der Produktion die begrenzten Ressourcen unseres Planeten belasteten. Die Möglichkeiten der Rückgewinnung der Materialien aus Beamerlampen sind momentan recht begrenzt, auch aufgrund der Unwirtschaftlichkeit des Prozesses.
Und final ist nicht außer Acht zu lassen, dass wir uns in einem Entwicklungsprozess befinden. Eine einmalige Anschaffung von Whiteboards garantiert keinen Schutz vor Folgekosten, die aufgrund der sich entwickelnden Technik vonnöten sein werden, um auf dem neuesten Stand oder zumindest einem angemessenen Stand zu bleiben. Angefangen bei Software, die sich nur ökonomisch niederschlägt, werden auch Hardware-Updates erforderlich sein, die ökologische und ökonomische Folgen haben.

Fazit
Zusammengefasst lässt sich sagen, dass interaktive Tafeln durchaus das Unterrichtsmedium der Zukunft sind. Dennoch sind bis zu dieser Zukunft noch einige Probleme zu klären, was einen sinnvollen Umstieg auf Whiteboards aus der nahen Zukunft in eine etwas fernere Zukunft verlegen kann.

15. Februar 2018 | Veröffentlicht von Tobias Berchner | Kein Kommentar »
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Experimentieren mithilfe des Smartphones II

Untersuchung von Mikroschwankungen

Wie bereits erwähnt, treten Mikroschwankungen bei Messungen auf, die neben den Peaks der „echten“ Messwerte verhältnismäßig klein erscheinen und somit die Experimente nicht behindern. Es stellt sich aber die Frage, ob diese Mikroschwankungen tatsächliche Schwankungen der gemessenen Größen widerspiegeln oder es sich um Ungenauigkeiten bei der Messung handelt.

Da es sich um ein Smartphone handelt, könnte man zuerst die Annahme aufstellen, dass das Halten des Smartphones durch leichtes Zittern der Hand oder ähnliche Fixierungsprobleme fehlerhaft ist und damit zu Problemen führt. Doch auch eine Fixierung des Smartphones führt zu vergleichbaren Messschwankungen, daher kann dieses Problem ausgeschlossen werden.

Eine mögliche Annahme ist, dass tatsächliche Schwankungen der Messgröße vorliegen und gemessen werden.
Um das zu untersuchen, wurde das Smartphone aufgehängt und die Daten des Beschleunigungssensors („Beschleunigung mit g“) ausgelesen. Es trat weiterhin ein leichtes Zittern in den Messwerten auf (1). Aus den Messwerten wurde manuell der Anteil der Gravitationskraft, der durch eine mögliche Schräglage des Sensors entstanden sein konnte, herausgerechnet. Aus den restlichen Beschleunigungswerten wurde nun über Integration eine leichte Geschwindigkeitsentwicklung festgestellt (2).
Diese Geschwindigkeit bewegte sich in einem so geringen Rahmen, dass es für das menschliche Auge nicht sichtbar gewesen wäre. Daher wurde die Messung über einen genügend langen Zeitraum durchgeführt und über eine weitere Integration die zurückgelegte Strecke ermittelt (3).
Diese Strecke wäre durch die Aufhängung nicht möglich gewesen, was im Umkehrschluss bedeutet, dass die Messschwankungen keine tatsächlichen Beschleunigungen widerspiegeln, sondern auf Fehler in der Messung zurückzuführen sind.
Doch woher können diese stammen?

Um das Problem zu verstehen, ist ein Verständnis der Funktionsweise des Beschleunigungssensors vonnöten. Im Prinzip besteht der Sensor aus einem Kondensator, dessen Plattenabstand durch eine Feder verändert werden kann. Wirkt eine Kraft, ändert sich der Abstand und damit die Kapazität des Kondensators. Der daraus resultierende Strom wird gemessen und damit die wirkende Kraft berechnet.
Diese Kapazitätsmessungen bewegen sich im pico-Farat-Bereich, sodass bereits kleine Stromschwankungen zu Schwankungen im angezeigten Ergebnis führen können. Kleine Stromschwankungen sind aber durch handyinterne Magnetfelder u.Ä. unumgänglich und damit auch die Schwankungen der angezeigten Daten.
Das Problem liegt also in der Genauigkeit der eingebauten Sensoren.

Um zu verdeutlichen, dass zufällige Schwankungen, selbst wenn sie im Schnitt null sind, zu genau dem beobachteten Ergebnis führen können, wurden Zufallszahlen, die im Schnitt null ergaben ebenfalls zweimal integriert. Das führte zu vergleichbaren Ergebnissen (4, 5, 6).

Die Mikroschwankungen sind also höchstwarscheinlich das Resultat handyinterner Ungenauigkeiten an den Sensoren und sollten daher ignoriert werden. Neben den Peaks sind sie aber vorteilshafterweise kaum zu erkennen, sodass Messungen von ausreichend hohen Größen problemlos durchzuführen sind.

 


(1) Gemessene Beschleunigung     (2) Berechnete Geschwindigkeit           (3) Berechneter Weg

 

   
(4) Zufallszahlen: Beschleunigung    (5) Berechnete Geschwindigkeit             (6) Berechneter Weg

 

 

15. Februar 2018 | Veröffentlicht von Tobias Berchner | Kein Kommentar »
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