• Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    • Institut für Physik - Didaktik der Physik

Messwertaufnahme mit dem TI-Nspire CX CAS und Vernier-Sensorik

In den ersten beiden Wochen des Seminars (KW 44/45, 2016) sollten wir uns mit denjenigen Produkten von Lehrmittelherstellern (PHYWE, LD DIDACTIC, Vernier und so fort) beschäftigen, die für die Aufnahme und Verarbeitung von Messwerten im unterrichtlichen Anwendungsbereich entwickelt werden. Herauszufinden ist beispielsweise,

  • wie groß das Spektrum der zur Verfügung stehenden Sensorik ist,
  • wie viel technisches Know-how für das Herrichten und Auswerten einfacher Experimente notwendig ist,
  • welcher Qualität die Aufnahmen der nun explizit als Lehrmittel entwickelten Sensoren genügen, und
  • welcher Mehrwert sich letztendlich für deren Anwendung im Fachunterricht ergibt.

 

Ohne a priori irgendwelche Präferenzen zu haben, galt meine Einarbeitungsphase dem TI-Nspire CX Cas Handheld (Texas Instruments) in Kombination mit dem TI-Nspire Lab Cradle als Schnittstelle zur Sensorik sowie den eigentlichen Sensoren des Herstellers Vernier.

Über den Apparat

Hinter der Bezeichnung TI-Nspire CX CAS Handheld verbirgt sich ein für das naturwissenschaftliche Arbeiten konzipiertes Gerät, dessen Optik initial an einen Taschenrechner erinnert – und im Wesentlichen ist dieser Apparat auch nichts anderes als das, bis auf die Tatsache, dass seine Funktionsvielfalt die der herkömmlichen portablen Rechenmaschine schonungslos übersteigt.

Konkret beinhaltet der Funktionsumfang des Handhelds ein sogenanntes Computer-Algebra-System (CAS), also ein Programm, welches mit symbolischen Ausdrücken umzugehen weiß. Neben dem simplen Evaluieren von Termen (wie man es von gewöhnlichen Taschenrechnern kennt) ist dieses Gerät weiterhin fähig, eine Vielzahl von Operationen aus den Gebieten der Analysis oder Algebra auszuführen – wie zum Beispiel das Lösen von Gleichungen, das Berechnen einer Stammfunktion oder die Diagonalisierung einer Matrix. Das hochauflösende grafikfähige Display erlaubt die Erstellung geometrischer Konstruktionen sowie das Plotten diverser Funktionsgraphen und -gleichungen. Für das Seminar am ehesten bedeutungsvoll ist jedoch die Schnittschnelle zur Vernier-Sensorik, unter deren Verwendung physikalische Messungen in verschiedenen Bereichen durchgeführt und mithilfe der im TI-Nspire mitgelieferten Software direkt ausgewertet werden können (Graphen, Fits, und so fort).

Nun geht es im Seminar um das Kennenlernen der Systeme und das Auskundschaften des breiten Spektrums der Möglichkeiten, solche sinnstiftend in den naturwissenschaftlichen Unterricht einzubetten. Es handelt sich hierbei also in erster Linie um einen Erfahrungsbericht und keine sinngetreue Abbildung dessen, was mit dem TI-Nspire zu erzielen wäre, wenn man all seine Funktionen zu bedienen wüsste (ich vermag sie gar nicht zu beurteilen).

Die erste Begegnung

Aus meiner eigenen Abiturzeit bin ich nur den Umgang mit einem relativ wenig aufregenden, wissenschaftlichen Taschenrechner gewohnt – insbesondere nicht grafikfähig, nicht programmierbar, und nicht CAS-fähig. Im Vergleich dazu wirkt der Klunker mit dem imposanten Display, Clickpad und zehntausend Tasten schlichtweg erschlagend. Das danebenliegende Buch TI-Nspire for Dummys dient auch nicht unbedingt der Verstärkung meiner unrealistischen Hoffnungen auf eine rasche Lernkurve, was den Umgang mit dem Apparat betrifft…

Immerhin der on-Knopf ist schnell als solcher identifiziert und das Display zeigt zu Beginn die Auswahl eines Dokumenttyps sowie einer Ordnerstruktur, wie man sie vom heimischen Computer gewohnt ist. Mit dem Clickpad steuert man die Maus auf dem Display wie mit dem Touchpad eines Laptops, kann bspw. in Menüs aber auch mit den anliegenden Pfeiltasten navigieren (wobei ich persönlich diese Doppelbelegung auf derselben Fläche als relativ gewöhnungsbedürftig empfinde). Im Folgenden möchte ich vor der physikdidaktischen Betrachtung noch kurz auf einige Grundfunktionen der CAS-Software eingehen: Ich gehe davon aus, dass ein Klassensatz TI-Nspires nicht nur für die Messwertverarbeitung beschafft wird, sondern diese auch im Mathematikunterricht verwendet werden sollen – es wäre demnach gut zu wissen, wie intuitiv die erste Bedienung der Software verläft, wenn man ebensolche aus Schule oder Studium selbst nicht gewohnt ist.

Bemerkung: Sämtliche Screenshots wurden dabei unter Verwendung der TI-Nspire Computer Link-Software an meinem Laptop direkt vom Display des Handhelds aufgenommen.





Der dem Taschenrechner entsprechende Dateityp nennt sich Calculator und legt im Wesentlichen eine Liste bzw. Chronik an, in der Eingaben entweder numerisch oder symbolisch (d. h. als approximierte Gleitkommazahl oder mathematischer Ausdruck) ausgewertet werden können. Der Unterschied besteht darin, dass ein symbolischer Wert die genauste mathematische Darstellung eines Ausdrucks ist: Zum Beispiel ist √2 keine Rechenaufforderung mehr, sondern tatsächlich die exakte Darstellung dieser reellen Zahl, auch sind für ein CAS die Zahlen 2 und 2,0 zwei unterschiedliche Objekte. Wenigstens für die Rechnung 5+2 ist das aber relativ unbedeutend.

Die menu-Taste lässt den eifrigen Experimentator Funktionen aus verschiedenen mathematischen Teilbereichen wählen, und auch ein etwas komplizierterer Ausdruck wie die Summe der ersten n ungeraden natürlichen Zahlen wird erwartungsgemäß vereinfacht. Stammfunktionen berechnen kann der TI-Nspire ebenfalls, solange das Ergebnis auch wirklich in elementaren Funktionen niedergeschrieben werden kann (andernfalls erscheint – wenig hilfreich, doch absolut vorhersehbar – derselbe Ausdruck einfach auf der rechten Seite nochmal). Das Lösen elementarer Gleichungen wie zum Beispiel der quadratischen Gleichung des Goldenen Schnitts ist ebenfalls kein Kunststück.

Der Dateityp Graphs erlaubt die Eingabe von Funktionsgleichungen, Ungleichungen, deren grafische Darstellung oder zum Beispiel auch die Erstellung von Schiebereglern mit zugehörigen Funktionsparametern. Die gegebenenfalls approximative Berechnung von Schnittpunkten und Integralen ist ebenfalls realisierbar, wenngleich ziemlich mühselig. Ich werde an dieser Stelle nicht weiter ausschweifen und wer erfahren möchte, wozu der Rechner alles in der Lage ist, kann das am besten durch eigenes Herumprobieren herausfinden.

Die Eingabe fühlt sich sehr träge an, denn immerhin versucht man ein portables Gerät mit Informationen zu füttern, für die eine ordentliche PC-Tastatur wohl die ergonomisch sinnvollste Lösung darstellen würde. Insbesondere das Bearbeiten oder Zoomen von Funktionsgraphen ist extrem krampfig. Wer also das schnelle Zusammenklicken von gleichartigen Dokumenten am PC oder am Tablet gewohnt ist, wird wohl trotz hochauflösendem Display keine Freude an der Bedienung der zierlichen Knöpfe haben.

Nichtsdestoweniger verlief die Eingewöhnungsphase mit den Grundfunktionen des TI-Nspire überraschend intuitiv, die Menüs erscheinen logisch kategorisiert und sämtliche alltagsgebrächlichen mathematischen Funktionen sind infolgedessen gut auffindbar. Dies vorausgeschickt soll es nun endlich um den für den Physikunterricht relevanten Abschnitt gehen, und zwar die (seitens Software) inhärente Schnittstelle zur Vernier-Sensorik. Der Gedankengang der Hersteller ist dabei vermutlich, dass das portable Wundergerät sowieso als universell gebräuchliches Hilfsmittel der naturwissenschaftlichen Bildung fungiert und es deswegen doch praktisch wäre, wenn die Erfassung und Verarbeitung experimenteller Daten auch gleich darüber vollzogen werden könnte.

Der Lehrmittelhersteller Vernier bietet ein wirklich breites Spektrum von Sensoren, die auf unterschiedliche Arten mit dem TI-Nspire verbunden werden können. Beispielsweise besteht je nach Sensor die Möglichkeit, dessen Ausgang mit dem Vernier EasyLink direkt in den Mini-USB-Anschluss des TI-Nspire zu stecken oder ihn ohne besagten Adapter mit einer auf den Handheld aufsteckbare Hardwareschnittstelle zu verkabeln. Letztere Variante ermöglicht insbesondere die gleichzeitige Abfertigung mehrerer Sensoren an einem Gerät.

In den letzten anderthalb Stunden des Freitagmittags wollte ich nun versuchen, eine erste kleine Messreihe mit einem Sensor aufzustellen und grafisch auszuwerten. Gut zu wissen wäre dann beispielsweise auch, wie sich diese Daten auf einen Computer übertragen ließen… Es gibt anfangs viele Unklarheiten. Der erste Versuch soll ein wenig Licht ins Dunkle bringen.

Der springende Flummi

Ein begrenztes Zeitkontingent verlangt nach einem Experiment ohne aufwendiges Setup, mit möglichst wenig Lehrapparaten und möglichst großem Alltagsbezug&hellip

Was wird gemacht? Das Ziel des Experiments soll es sein, die Orts- und Geschwindigkeitskurve eines springenden Flummis in Abhängigkeit von der Zeit aufzunehmen, und das möglichst ohne großen Aufwand einer experimentellen Konstruktion. Benötigt werden zum Beispiel

  • ein TI-Nspire mit Lab Cradle oder EasyLink,
  • der Vernier Motion Detector (Ultraschallsensor),
  • irgendein Kamerastativ, sowie
  • ein springender Ball (im Nachhinein möglichst irgendetwas Größeres als ein Flummi).

 

Der Versuchaufbau kann (neben dem Sensor) mit relativ alltäglichen Mitteln realisiert werden. Im Gehäuse des Motion Detectors befindet sich ein Gewinde, welches einfach mit dem Kamerastativ verschraubt wird. Der Sensor kann weiterhin umgeklappt und in somit beliebig ausgerichtet werden. An der Innenseite des Sensors ist außerdem ein Schalter angebracht, mit der die Empfindlichkeit des Ultraschallkegels gegenüber stark oder weniger stark ausgedehnten Objekten angepasst werden kann (zum Beispiel Basketball vs. kleines Wägelchen auf einer Fahrbahn).

Ist die obige Konstruktion hergestellt und ein Vernier DataQuest-Dokument am TI-Nspire angelegt, sind alle notwendigen Vorbereitungen für die Messung schon getroffen. Der Sensor wird vom Gerät automatisch erkannt. Über das Menü ist es möglich, den Nullpunkt des Ultraschallsensors anzupassen und das Vorzeichen der Messung zu invertieren, sodass also tatsächlich die Höhe das Balls gegenüber dem Erdboden statt seiner Entfernung vom Sensor erfasst wird – auch das sind bloß wenige Klicks. Die Anzahl der Aufnahmen pro Zeiteinheit und die Dauer der Aufnahme kann ebenfalls in den Einstellungen des Experiments im Rahmen der Möglichkeiten der Hardware angepasst werden.

Die automatische Messung kann sodann mit einem Klick auf den grün unterlegten Pfeil beginnen. Vor dem Start der Messreihe gibt es eine kleine Verzögerung, in der der Ball einfach unter dem Sensor fallen gelassen werden kann. Die Graphen für Ort und Geschwindigkeit werden in Echtzeit aufgezeichnet. Leider habe ich keinen Basketball in der Sammlung gefunden und stattdessen einen kleinen Flummi verwendet. Im Nachhinein wäre ersterer wohl die günstigere Variante gewesen, denn auch bei minimalem Drall springt der Flummi ein wenig zur Seite statt gerade nach unten, was dem Ultraschallsensor Probleme zu bereiten scheint. Insbesondere sind auch alle anderen (kleinteiligen) Objekte aus dem Kegel zu entfernen! Die links abgebildete Kurve ist jedenfalls das beste Resultat, was nach einer halben Stunde Probieren aufgenommen wurde (misslungene Messreihen werden automatisch durch erneutes Aufnehmen überschrieben). Der grobe Bewegungsverlauf des Flummis lässt sich identifizieren, die Ortsskala ist jedoch verschoben (vermutlich hätte ich sie zwischendurch neu kalibrieren müssen) und die Kurve ist an einigen Stellen etwas zugespitzt, sodass es wohl sinnvoller gewesen wäre, die Aufnahmerate des Sensors zu erhöhen. Für das unten erläuterte, qualitative Schülerexperiment ist das Ergebnis nichtsdestoweniger zufriedenstellend.

Die Messreihe kann wie jeder andere Dokumenttyp auf dem TI-Nspire gespeichert und zwischen den Handhelds, oder vom Handheld auf einen Computer übertragen werden. Letzteres erfolgt unter Verwendung der Computer Link Software (derselben Software, mit der auch Screenshots vom TI-Bildschirm aufgenommen werden können) und via Kabel von Mini-USB nach USB. Für das nachträgliche Bearbeiten der tns-Dateien am Rechner benötigt man jedoch zusätzlich noch die TI-Nspire CX CAS Student Software und eine entsprechende Lizenz für die Benutzung ebendieser – dann ist man aber auch in der Lage, die Arbeit am TI-Nspire an der heimischen Tastatur zu emulieren und hat insbesondere Zugriff auf die tabellarischen Messdaten. Eine andere Exportmöglichkeit ist mir nicht bekannt und eine permanente Einzellizenz der Student Software kostet etwa 120 Dollar (abgerufen am 16.11.2016 um 18:46, ökonomischere (und legale) Alternativen bis auf die Testversion habe ich auf die Schnelle nicht gefunden).

Inwiefern eignet sich dieses Experiment für Schüler? Welche Kompetenzen werden erzielt? Mangels auszuwertender Daten in Form von zu bestimmenden physikalischen Größen (es werden lediglich Messreihen aufgezeichnet) und der möglichst alltagsnahen Umsetzung ist dieses Experiment eines, was ich für jüngere Schüler der Sekundarstufe I aufbereiten würde, und zwar im Rahmen einer Einführung des Lesens von Graphen als kompaktes Kodierungssystem von physikalischen Zusammenhängen. Die Handhelds haben gegenüber handelsüblichen Computern den Vorteil, dass sie kompakter und robuster, und weiterhin als Klassensatz billiger zu erwerben sind. Nun wäre es denkbar, dieses Experiment in Gruppen aufzubereiten, sodass immer eine Reihe von Schülern die Bewegung des Balls zusammen mit der Echtzeitaufnahme der Graphen verfolgen kann (einer hält den Flummi, dann Wechsel). Wir hatten neulich im Seminar über diesen ikonisch-dynamischen Darstellungsansatz diskutiert, und da der Umgang mit funktionalen Zusammenhängen sowie insbesondere Graphen eine wichtige Kompetenz des naturwissenschaftlichen Fachunterrichts darstellt, halte ich diesen Echtzeitvergleich zwischen den Kodierungen (Physik aus dem Alltag und funktionale Darstellung, Welche Änderung im linken Bild entspricht welcher im rechten?) für ein sinnstiftendes Einführungs-, oder Routine-Experiment. Es soll also um die Erfassung und (Rück-)interpretation von Messdaten und Graphen gehen, mechanische Grundbegriffe wie Ort und Geschwindigkeit sind aber durch Pfeilmodelle besser an anderer Stelle einzuführen!

Kurzum ist der erste Experimentiertag einigermaßen erfolgreich verlaufen. Die Messreihe des springenden Flummis ist qualitativ zwar nicht die hochwertigste, aber auf das Lernziel des Experiments wirkt sich das überhaupt nicht nachteilig aus. Die Bedienung des TI-Nspire ist ein wenig krampfig, aber gescheitert bin ich daran nicht, und habe mich gut am unbekannten Gerät zurecht gefunden. Wer den Computer in Kombination mit dem TI nutzen möchte, ist leider auf zusätzliche Software angewiesen, aber diese waren auf der Website des Herstellers schnell zu finden und deren Installation erfolgt in wenigen Klicks – sie sind für das Experiment allerdings völlig unerheblich. Die Sensorik ist im Wesentlichen Plug and Play, es ist keine umständliche Kalibrierung notwendig, und die Verkabelung ist sehr einfach zu handhaben.

Andere Sensoren und Messreihe am Temperatursensor

Das Ziel des nächsten Tages war es, noch ein paar andere Sensoren auszuprobieren, die Eingewöhnungsphase war immerhin schon bewätigt. Die Auswahl im Schrank fiel nicht allzu gering aus – mehrere Licht- und Temperatursensoren, ein Soundsensor oder sogar eine Art Pulsmessgerät stehen den Studierenden zur Verfügung.

Letzteres war in der größten Kiste verpackt und fiel mir deswegen sofort ins Auge: Beim Hand-Grip Heart Rate Monitor (unser Modell in der Sammlung weicht optisch vom abgebildeten Produkt ab) handelt es sich um zwei verbundene Elektroden, die festgehalten werden, ein vom Herzschlag erzeugtes Signal erfassen und kabellos an den Heart Rate Receiver (verlinkt mit dem TI-Nspire) senden. Damit lässt sich der Puls des Experimentators beispielsweise vor und nach körperlicher Belastung aufzeichnen und vergleichen. Wie jedem Sensor ist auch dem Heart Rate Monitor eine kurze (englischsprachige) Beschreibung beigelegt, die insbesondere darauf hinweist, dass die Pfeilmarkierungen auf dem einen Griff und auf dem Receiver unbedingt parallel ausgerichtet sein müssen und die Entfernung der beiden nicht mehr als 80 Zentimeter betragen dürfe – ansonsten brauche man die Elektroden nur den Markierungen entsprechend in den Händen zu halten und die Messung zu starten. Leider ist mir auch nach mehrfachem Studieren der Anleitung und Herumprobieren keine Messung gelungen – der Receiver wurde zwar erkannt, und ab und zu hat ein kleines drehendes Rädchen auf dem TI-Bildschirm den Eindruck gemacht, als würde der Receiver gerade die Elektrode zu finden versuchen, aber die Kommunikation zwischen den Geräten konnte ich nicht herrichten. Ich vermute ein defektes Gerät

Seitens Lichtsensorik bietet die Sammlung einen Beleuchtungssensor (Lux) und einen Helligkeitssensor (relativer Anteil von 100%, auch infrarot), ersterer liefert nach Angaben des Herstellers (siehe dazu Online-Produktbeschreibung) genauere Ergebnisse. Zu den vorgeschlagenen experimentellen Einsätzen zählt beispielsweise die Überprüfung des Abstandsgesetzes von Lichtquellen, die Bestimmung der Reflektivität eines Gegenstands oder Untersuchungen von Solarzellen. Dafür reichte meine Zeit an dieser Stelle leider nicht, aber die Beleuchtung der Sammlung geschieht mit Leuchtstoffröhren an der Decke, welche bekanntlich mit einer bestimmten Frequenz flimmern – womöglich könnte ich diese zügig mit dem Beleuchtungssensor bestimmen. Nun lässt sich die Erfassungsrate des Sensors nicht beliebig weit hochschrauben, und mit 200 Messungen pro Sekunde schien das Maximum erreicht – damit der Arbeitsspeicher des TI-Nspire nicht zu sehr leidet, habe ich die Messdauer auf eine halbe Sekunde beschränkt, es genügen hier aber auch weitaus geringere Werte (theoretisch würde eine Periode der Schwingung schon ausreichen). Immerhin das Flimmern der Deckenbeleuchtung ist klar zu erkennen und die kleinen Abweichungen zwischen den Extrema rühren eventuell einfach nur daher, dass ich den Sensor nach oben nicht ganz still gehalten habe, der Graph ist aber extrem zackig. Vermutlich wurden so weniger Peaks aufgenommen, als die Frequenz des Flimmerns tatsächlich hergegeben hätte. So lässt sich höchstens sagen, dass die Lampe mit einer Frequenz von mindestens 1/(10 ms) = 100 Hertz flimmert, was immerhin von der Größenordnung ein sinnvolles Ergebnis darstellt.

Es wäre zuletzt noch interessant zu wissen, welchen Mehrwert auch Schüler höheren Jahrgangs durch die softwareintegrierten Funktionen des TI-Nspire in Kombination mit der Sensorik erfahren könnten – mich würde interessieren, wie Messreihen auf dem TI-Nspire analysiert bzw. gefittet werden können, und zwar in diesem Beispiel unter Verwendung des Temperatursensors.

Was wird gemacht? Nur unter Verwendung des Temperatursensors soll die Abkühlungsrate von 200 ml Wasser bestimmt werden, welches ich zuvor mit einem Wasserkocher erhitzt habe. Insbesondere geht es also um die quantitative Reproduktion von Newtons Abkühlungsgesetz mithilfe der inhärenten Fitmodelle des TI-Nspire.

Die Starttemperatur lag bei 81,7 und die Raumtemperatur bei 23,0 Grad Celsius. Die Aufnahme der Daten habe ich über eine halbe Stunde mit einer Temperaturmessung alle zehn Sekunden eingestellt – es blieb lediglich zu warten. Oben abgebildet ist von links oben nach rechts unten (zeilenweise) das Vorgehen bei der Bearbeitung der Daten: Da der TI-Nspire keinen exponentiellen Fit mit konstanter Verschiebung bietet, sondern nur einen der Form A*exp(C*x) (was im Regelfall auch ja auch genügt und algorithmisch aufgrund weniger Parameter einfacher zu realisieren ist), war es eine kleine Zwischenübung, die erfassten Messwerte um die Umgebungstemperatur zu verringern. Dafür braucht man in der tabellarischen Messdatenübersicht lediglich eine neue berechnete Spalte anzulegen und dort den Ausdruck Temperatur-23 (mit entsprechender Umgegbungstemperatur) einzugeben, welcher sich dann auch grafisch darstellen lässt (rote Kurve). Die Annahme des Newtonschen, exponentiellen Fitmodells lieferte sodann eine leicht unterschätzte reduzierte Starttemperatur von A ≈ 55,5 Grad Celsius (Starttemperatur 78,5 Grad Celsius gegenüber dem als 81,7 gemessenen Wert) und eine Abkühlungsrate von C ≈ 0,0005/s = 0,03/min. Das Bestimmtheitsmaß sagt aus, dass immerhin etwa 99,6% der Varianz durch das Regressionsmodell erklärt werden kann und das Newtonsche Modell daher – zumindest für diese Dauer der Messung – eine treffende Beschreibung des physikalischen Zusammenhangs liefert.

Der kursiv angedeutete Vorbehalt soll vor allem auf die Grenzen des Modells hinweisen (vgl. z. B. Wagon, S. und Portmann, R. (2005): How Quickly Does Water Cool?, Mathematica in Education and Research Vol. 10 No. 3) und die rote Kurve der Messdaten scheint weitergedacht von der Fitfunktion ab der 1800-Sekunden-Marke stärker abzuweichen als an anderen Stellen (die Graphen schneiden sich insbesondere davor). Hätte ich einen größeren Zeitraum voreingestellt, wäre der Fit eventuell schlechter in Relation zum rein exponentiellen Modell ausgefallen.

Inwiefern eignet sich dieses Experiment für Schüler? Welche Kompetenzen werden erzielt? Auch dieses Experiment wäre mit einem Klassensatz von TI-Geräten als Schülergruppenexperiment gut aufzubereiten und ein paar Gläser Wasser sind nun sehr leicht zu bewerkstelligen. Als Zielgruppe eignen sich womöglich Schüler der Sekundarstufe II, denen die Exponentialfunktion bekannt ist und mit denen man Fitfunktionen sowie die Bedeutung von zugehörigen Modellen als kleinen Exkurs besprechen kann. Mögliche Diskussionsthemen wären, warum ein linearer (oder allgemein polynomialer) Zusammenhang zwischen Temperatur und Zeit beispielsweise nicht plausibel wäre oder dass bzw. warum die Messdaten noch um die Umgebungstemperatur zu verschieben sind (Lösungsverfahren von Regression andeuten). Es können mehrere Messreihen mit verschiedenen Starttemperaturen, verschiedenen Flüssigkeiten oder denselben Ausgangsbedingungen, aber verschiedenen Zeitintervallen (alle Messpunkte und Teilmengen ebendieser → Grenzen des Modells) aufgenommen werden. Die erzielte Kompetenz wäre die Verarbeitung von Messdaten mit Rückinterpretation auf ein zu bestätigendes (nicht verifizieren!) oder zu falsifizierendes Modell, also die Einübung wissenschaftlicher Arbeitsweisen, insbesondere in Hinblick auf Theoriebildung. Das Experiment profitiert sehr vom Plug and Play der Sensorik und der einfach handhabbaren, integrierten Auswertung der Messdaten.

Persönliche Reflexionen

Zunächst einmal bin ich meine Erwartungen betreffend insofern positiv überrascht worden, als ich mir die Eingewöhnungsphase mit dem TI-Nspire schwieriger vorgestellt hätte. Abgesehen vom erschlagenden Layout und der krampfigen Eingabe erfolgt die Bedienung der Software erstaunlich intuitiv und ich streite nicht ab, dass sich mit diesem Tool wirklich eine Menge machen ließe, wenn man mit seinem Funktionsumfang etwas vertrauter wäre. Dann wiederum kann ich mir vorstellen, dass erste Lernfortschritte am Gerät für Menschen ohne Erfahrung mit irgendeiner mathematischen Software (angefangen bei Tabellenkalkulationen bis hin zu umfangreicher CAS-Software wie Mathematica) sehr mühselig erfolgen könnten. Ist es also sinnvoll, diese Fertigkeiten in der Schule zu erarbeiten?

In Bezug auf die Didaktik der Physik ist es eher Off-Topic, aber was den Mathematikunterricht betrifft, ist die Nutzung CAS-fähiger Taschenrechner für die Abiturprüfungen in einigen Bundesländern verbindlich. Nun sehe ich den Einsatz von CAS-Software im Mathematikunterricht als kritisch. Sicher sollte das Rechnen in der Mathematik nicht der vorrangige Unterrichtsinhalt sein und solch ein Wundermittel wie der TI-Nspire verleitet natürlich dazu, sich Ergebnisse in vielen Belangen auf Knopfdruck ausgeben zu lassen und Rechnungen zu vermeiden, die der Computer eben inhärent um Größenordnungen schneller ausführt als der Mensch. Dann wiederum sehe ich darin den potentiellen Verlust von Routine, denn wenn es nicht gerade irgendwelche 5×5-Gleichungssysteme zum übermäßigen Einüben eines Algorithmus sind, sind Rechen- und Beweistechniken ja gerade das, was es im Fachunterricht zu festigen gilt. Gegenüber dem portablen Gleichungslöser als fest in den Unterricht integriertes Werkzeug bin ich nicht aufgeschlossen. Für sinnvoller halte ich den gezielten Einsatz von CAS-Software an ausgewählten Stellen, bei denen algorithmisierte Verfahren wirklich keine Lerneffekte mehr erzielen würden. Die meisten Rechnungen des Physikunterrichts machen vom Umfang eines Computer-Algebra-Systems ebenfalls nicht wirklich Gebrauch…

Unabhängig davon hat der Einsatz des TI-Nspire wie schon gesagt den Vorteil, dass das Gerät gegenüber (sinnvoll leistenden) Laptops/Tablets ein wenig mehr lightweight (seitens Software) und zudem ökonomischer ist, da es explizit als Hilfsmittel der mathematisch-naturwissenschaftlichen Bildung konzipiert ist. Im Unterricht einsetzen würde ich den TI-Nspire dennoch NICHT: In meinem Leben würde ich ein für diese Software ausgelegtes Gerät niemals brauchen und wenn man ein paar Hundert Euro mehr für ein Laptop/Tablet aufbringen kann, dann ist diese Anschaffung die sinnvollere. Alles, was der TI-Nspire kann, ist eine Softwarefrage, und der Computer ist meines Erachtens das bessere Eingabe- und Verarbeitungsgerät. Ganz abgesehen von den winzigen Tasten auf dem TI-Nspire – wer möchte damit lange Gleichungen eintippen oder Graphen bearbeiten? – kann es der gewöhnliche Rechner schneller. Und am wichtigsten: Computer und Handy sind die mächtigen Werkzeuge aus dem Alltag, sogar für die mobilen Endgeräte gibt es CAS-Apps… Wäre es also nicht sinnvoller, Schülern zu zeigen, wie man mit diesen Tools mathematisch-naturwissenschaftliche Problemstellungen bearbeitet, wenn man an der Schnittstelle zur Sensorik interessiert ist? Der TI-Nspire ist meines Erachtens ein Belehrapparat (als Teil des Experiments, welcher speziell für diesen Zweck konstruiert, aber dafür nicht wesentlich ist)…

Keine Belehrapparate sind die verwendeten Sensoren und ich bin davon überzeugt, dass die Erfassung und Verarbeitung von Messdaten mit zumindest einigen dieser sehr leicht zu bewerkstelligen ist, die Plug and Play-Komponente gefällt mir sehr (auch wenn ich das Thema Messwerterfassung von Lehrmittelherstellern per se nicht so interessant finde – das ist aber nur eine persönliche Präferenz). Alltägliche Phänomene lassen sich ohne großen Aufwand mit der Sensorik erfassen und es ist ein sinnstiftender Ansatz, die Physik hinter jenen mithilfe der Echtzeit-Aufzeichnung von Graphen sichtbar zu machen (Kodierungswechsel). Der Experimentierprozess an sich wird dabei nicht übermäßig vereinfacht, dass es dem übergeordneten Lernziel des korrekten Experimentierens schädlich wäre, viel mehr erlaubt es die automatische elektronische Aufnahme von Messwerten, Ergebnisse von Regressionen oder dergleichen ohne Verzögerung in Form von Werten und Graphen auf dem Schirm zu haben.

Zusammenfassend halte ich die Verwendung von Sensoren, die explizit als Lehrmittel designt sind, für eine zielführende Bereicherung des Physikunterrichts. Die Ergebnisse, die ich aus dem Herumprobieren mit Vernier-Sensorik erhalten habe, sind qualitativ zufriedenstellend und ohne aufwendige Vorbereitungen durch einfaches Einstecken ins Endgerät zu bewerkstelligen. Wer also in der Lage ist, die Preise herkömmlicher Lehrmittelhersteller zu zahlen, wird ein unkompliziertes Mittel erwerben, mit dem sich alltäglich sichtbare Phänomene in Echtzeit zu kompakten, naturwissenschaftlichen Darstellungsweisen umkodieren lassen. Die Verwendung von Handhelds wie dem TI-Npsire würde ich allerdings streichen und die Sensorik stattdessen gleich mit Laptop und Co. verkabeln (es wird entsprechende Software als Schnittstelle benötigt), was eine umgänglichere, leistungsfähigere und vor allem alltagsnähere Wahl der Ergebnissicherung darstellt.

JKL

 
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12. November 2016 | Veröffentlicht von Jordi Kling
Veröffentlicht unter Allgemein, Lehrmittelhersteller
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