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

Erfahrungsbericht: Experimentier-App (am Beispiel des Federpendels) und Schulmaterialien von phyphox

Die Experimentier-App phyphox (physical phone experiments) bietet neben den zur Verfügung gestellten Messaufnahme- und Experimentiermöglichkeiten unter dem Menüpunkt „Experimente mit Schulmaterialien“ für eine Auswahl an vorgegebenen Experimenten aufbereitetes Unterrichtsmaterial an, in welchem die Experimentier-App direkt integriert wird. Im Nachfolgenden wird diese Möglichkeit zur Integration des Smartphones in den Physikunterricht getestet und mit „klassischem“ Unterrichtsmaterial (ohne Einsatz des Smartphones) verglichen.

Innerhalb des Themenbereichs der Mechanik wurde das angeleitete Experiment „Harmonische Schwingung am Federpendel“  ausgewählt und gemäß der Vorgaben von phyphox bearbeitet.

Experimentierbericht unter Nutzung des Schulmaterials:

In der App kann unter dem oben genannten Experiment ein Wiki-Eintrag, eine Video-Anleitung, Schulmaterial und eine Anleitung auf LEIFIphysik eingesehen werden. Das Schulmaterial wird dem Nutzer bzw. der Nutzerin in Form einer pdf-Datei zur Verfügung gestellt und gliedert sich in die folgenden Unterpunkte auf:

  •  1) Versuchsbeschreibung
  •  2) Material
  •  3) Versuchsaufbau
  •  4) Versuchsdurchführung
  •  5) Aufgaben

Hierbei wurden Schwerpunkte auf Übersichtlichkeit und didaktische Reduktion gelegt. Auf den ersten Blick erscheinen die Arbeitsblätter sehr übersichtlich und strukturiert.

1) Versuchsbeschreibung

Innerhalb der Versuchsbeschreibung erhalten die Schüler_innen die Formel zur Berechnung der Schwingungsdauer eines Federpendels. Die einzelnen Formelbestandteile werden im Nachfolgenden benannt und das Ziel des Experiments, die Verifizierung der Formel zur Berechnung der Schwingungsdauer, aufgeführt. Eventuell könnte den Schülerinnen und Schülern die Integration des Smartphones im Experiment nicht eindeutig klar werden, da in keiner Form das Smartphone als Pendelkörper bezeichnet wird.

2) Material

Das für den Versuch benötigte Material wird übersichtlich aufgelistet. Dabei bleibt phyphox in seinen Angaben sehr allgemein, detaillierte Informationen (z.B. mögliche Federstärken oder Gewichtarten) zum Experimetiermaterial werden nicht gemacht. Dies bringt einen breiten Anwendungsbreich für die Lehrkraft (je nach vorhandenem Sammlungsmaterial) als Vorteil mit sich und konnte leicht umgesetzt werden (siehe Abbildung 1).

 

Abbildung 1: Material des Federpendelexperiments (ohne Smartphone)

 

3) Versuchsaufbau

Der Aufbau des Versuches wird sehr knapp beschrieben. Aufgrund des sehr allgemein aufgeführten Materials in Punkt 1.2 wäre eine Versuchsskizze an dieser Stelle der Experimentieranleitung zu empfehlen. Somit könnte auch direkt das Smartphone als Pendelkörper ersichtlich gemacht werden und ein reibungsloser Aufbau des Experiments sichergestellt werden.

Positiv zu erwähnen sind die angegeben Sicherheitsangaben und Hinweise, um das Smartphone möglichst nicht zu beschädigen und Bedingungen für eine angemessene Messwertaufnahme zu schaffen (z.B. vertikale Ausrichtung des Smartphones).

Der realisierte Versuchsaufbau ist in Abbildung 2 zu sehen.

 

Abbildung 2: Versuchsaufbau gemäß des phyphox-Materials (ohne Smartphone)

 

4) Versuchsdurchführung

Die Versuchsdurchführung wird in vier Teilen kleinschrittig erläutert und erneut mit Hinweisen für eine optimale Messung ergänzt. Auch eine Visualisierung der Ausrichtungsarten des Smartphones (x/y/z) wurde integriert. Für die Schülerinnen und Schüler erleichtern zudem die angegebenen Einstellungen der App (z.B. Anwählen des Sensors oder Eingabe der Federkonstante) die erfolgreiche Durchführung des Experiments.

Die Messung konnte gemäß den obigen Angaben durchgeführt werden, die phyphox-App kennzeichnet sich durch einen übersichtlichen Aufbau sowie eine intuitive Bedienung. Unter dem Themenbereich „Mechanik“ kann das Federpendel direkt angewählt werden und man erhält Daten über die Periode & Frequenz, die Resonanz (Amplitude bezüglich der ermittelten Frequenz), die Autokorrelation und die Rohdaten der drei Ausrichtungsarten (x/y/z) des Smartphones (vgl. nachfolgende Abbildungen). Über den Bereich „Zustand speichern“ kann die aktuelle Messreihe in der App gespeichert werden, oder man exportiert die aufgenommenen Messdaten direkt.

 

Abbildung 3: Messdaten des Experiments Federpendel, dargestellt in der phyphox-App

 

5) Aufgaben

Stellvertretend für eine Versuchsauswertung erhalten die Schülerinnen und Schüler mehrere Aufgaben zur Bearbeitung, in denen die aufgenommenen Messwerte ausgewertet und interpretiert werden sollen. Dabei werden Hinweise gegeben, in welcher Form phyphox die Daten in den erhaltenen Diagrammen aufgenommen hat  (z.B. Elongation – Beschelunigungssensor), was die Blackbox-Eigenschaft des Smartphones als Messgerät zumindest teilweise vermindert.

 

Allgemeine didaktische Bewertung:

Insgesamt bietet das Experimentieren mit dem Smartphone im Physikunterricht ein digitales Messwerkzeug, welches den Schülerinnen und Schülern aus dem Alltag sehr bekannt ist und mit dessen Umgang sie sehr geübt sind. Dies kann sich positiv auf  Motivation und Lernbereitschaft auswirken. Durch Verwendung der App phyphox wird den Schülerinnen und Schülern eine intuitive Experimentierapp zur Verfügung gestellt, die es ermöglicht Daten vor allem schnell aufzunehmen und im selben Schritt graphisch zu visualisieren. Damit können qualitative Auswertungen unmittelbar nach dem Messvorgang (z.B. im Unterrichtsgespräch oder in Partnerarbeit) vorgenommen werden. Es bietet sich jedoch ebenfalls die Möglichkeit der quantitativen Auswertung, in dem über die Exportfunktion der App die Rohdaten den Schülerinnen und Schülern zugänglich gemacht werden können. Desweiteren können mit der App sowohl Demonstrations- als auch Schülerexperimente durchgeführt werden. Innerhalb der Schülernutzung dient das Display des Smartphones zur Steuerung und visuellen Darstellung des Messgerätes. Es ist jedoch ebenso möglich mittels eines Fernzugriffes die Benutzeroberfläche der App auf einem Laptop oder Tablet zu bedienen und somit für eine größere Personenzahl zugänglich zu machen.

Die ergänzenden Zusatzmaterialien der App erleichtern den Einsatz des Smartphones im Schulunterricht, da der Lehrkraft bereits eine Ideensammlung zur Integration von phyphox in den Lehrplan bereitgestellt wird. Über die Youtube-Videos wird eine Vielzahl der Experimente praktisch vorgeführt, das Schulmaterial bietet einen Aufgabenpool zum Üben und eine Verbindung zum theoretischen Lehrmaterial.

 

Didaktische Bewertung des Federpendel-Experiments (inkl. Schulmaterial):

Das Experiment zum Federpendel ist ein leicht umsetzbares und allgemein klassisches Schülerexperiment innerhalb der Mechanik. In diesem Fall kann das Smartphone leicht in den klassischen Aufbau integriert werden (Smartphone als Pendelkörper) und  in kurzer Zeit eine qualitativ hochwertige Messwertaufnahme realisiert werden. Die Schülerinnen und Schüler können sich in der Nutzung der Experimentierapp üben und  über die visuelle Darstellung die vollführte harmonische Schwingung „direkt erfassen“. Es liegt keine Zeitverzögerung zwischen der Durchführung des Experiments und einer Messwertauswertung, wie in klassischen Schülerexperimenten zum Federpendel, vor. Ein Beispiel zum Vergleich liefert Cornelsen im Buch „Universum Physik – Berlin/Brandenburg (9/10)“ (R. Böhlemann, Cornelsen Verlag GmbH, Berlin, 2017, S. 176).

Hierbei wird das Federpendel sowie die Formel zur Berechnung der Schwingungsdauer sehr theoretisch eingeführt und betrachtet. Eine Skizze soll den Schwingungsverlauf des Federpendels visualisieren, statt des Smartphones wird in klassischer Weise ein Massestück als Pendelkörper verwendet. Trotz der ausführlichen physikalischen Erklärung kann es jedoch Schwierigkeiten bei der Verbindung von Federauslenkung und Schwingungsverlauf bei den Schülerinnen und Schülern geben. An dieser Stelle könnte das Schulmaterial von phyphox ansätzen und mit dem Lehrbuch von Cornelsen verbunden werden. Die zum Teil fehlende physikalische Erklärung der App-Materialien kann mittels Fachtext kompensiert werden und durch die im obigen erläuterten Vorteile von phyphox die Verbindung von theoretischer Schwingungslehre und praktisch aufgenommenen Schwingungsverlauf realisiert werden.

 

Persönliche Erfahrungen:

Durch die kostenlose Bereitstellung der App phyphox im Store kann man sehr schnell und leicht mit dem Experimentieren mit dem Smartphone beginnen und digitales Messen mit einem der meistgenutzten Alltagsgegenstände unserer Zeit realisieren. Nach Absprache mit der Schulleitung und den Eltern ist jede_r Schüler_in in wenigen Sekunden bereit, selbstständig Messungen aufzunehmen und auszuwerten. Dies kann im alltägichen Physikunterricht unter Nutzung klassischer Messgeräte (z.B. Oszilloskop, Lichtschranke, etc.) aus Kosten- und Ausstattungsgründen nicht realisiert werden. Die Bereitstellung zusätzlicher Informationsquellen durch die App empfinde ich als Bereicherung und Unterstützung für die Lehrkraft. Auch wenn das Material in einigen Aspekten meiner Meinung nach Lücken aufwies (siehe oben), kann es dennoch in das bestehende Lehrmittelangebot integriert werden. Damit wird die App direkt in den Physikunterricht aufgenommen und steht nicht als „einzelner Unterrichtsbestandteil“. Ich würde das Smartphone in ausgewählten Experimenten als Messgerät im Unterricht  verwenden, in denen es vor allem eine Bereicherung durch die schnelle Datenauswertung und –visualisierung darstellt. In jedem Fall sollte man sich jedoch innerhalb der Unterrichtsplanung regelmäßig die Frage stellen, welche konkreten Vorteile der Einsatz des Smartphones besitzt, da dies je nach Themenbereich und Klassenstufe stark variieren kann.

7. Januar 2018 | Veröffentlicht von Laura-Jane Habermann
Veröffentlicht unter Smartphone & Tablet
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