19.05.2023 09:58
Digital Physik unterrichten
Die heute verfügbaren digitalen Technologien als Mittel zur Gestaltung von Umgebungen zum Lernen von Physik sind vielfältig: 3D-Druck, Augmented und Virtual Reality, E-Learning-Plattformen, Erklärvideos, Interaktive Bild-schirmexperimente, Modellbildung, Messwerterfassungssysteme, Simula-tionen und Videoanalyse. Der jetzt aktuell verfügbare Band "Digital Physik unterrichten" gibt auf 247 Seiten Anregungen und zeigt Beispiele, wie ein digital gestützter Unterricht das Lernen von Physik verändern und verbessern kann.
Im Kapitel 2.3 "Interaktive Bildschirmexperimente im Unterricht einsetzen" stellen wir zentrale Merkmale und Eigenschaften von IBE im Vergleich zu anderen Formen virtuellen Experimentierens dar. Wir blicken weiter zurück auf die Entwicklung des IBE und behandeln beispielhaft den Einsatz von IBE im Physikunterricht. Auch Möglichkeiten zum Herstellen und Teilen einfacher IBE mit der Lernplattform → tet.folio werden aufgezeigt (s.a. → Tutorials).
WILHELM, T. (Hrsg.): Digital Physik unterrichten. Grundlagen, Impulse, Perspektiven, ISBN 978-3-7727-1700-0 und ISBN 978-3-7727-1701-7 (pdf), Klett Kallmeyer, Hannover, 2023
27.03.2023 10:22
10 Jahre tet.folio
Vor 10 Jahren startete tet.folio auf der Buchmesse in Leipzig. Diese Online-Plattform sollte den Ausstellungsbesuchern das didaktische Konzept des "Technology Enhanced Textbook (TET)", unsere Vision eines mit digitaler Technologie erweiterten Schulbuchs als Teil eines umfassenden digitalen Bildungskonzepts und als individuelles Wissensportfolio, demonstrieren. tet.folio wurde dafür zunächst im Rahmen eines durch das BMBF geförderten → Forschungsprojekts geschaffen. Die kontinuierlich weiter-entwickelte Web-Applikation ist inzwischen auch als Autorenplattform für interaktive Online-Angebote in den Regelbetrieb übergegangen. So dient tet.folio als Autorenumgebung für die Herstellung von IBE. Neben zahl-reichen weiteren Anwendungen in Forschung und Lehre wird tet.folio inzwischen auch im Physikunterricht der Schule regulär eingesetzt.
14.12.2021 09:30
QR-Codes für die Solo-Darstellung von IBE
Auf vielen Seiten des Archivs haben wir rechts oben auf der Seite ein QR-Code eingefügt. Nach und nach wird diese Funktion für das gesamte Archiv verfügbar sein. Damit wird ein schneller Zugriff auf IBE im Solo-Modus über die Tablet-Kamera im Unterricht möglich.
Dazu wird die Archivseite über ein interaktives Whiteboard, einen Touchscreen oder über einen Beamer dargestellt. Anklicken stellt den QR-Code dann stark vergrößert dar.
Ein erneutes Anklicken schließt die vergrößerte Darstellung wieder.
Schülerinnen und Schüler können so über ihre Tablets schnell auf IBE von einer Seite des Archivs zugreifen. Ein Beispiel für den Einsatz im Unterricht ist die Kombination eines zunächst frontal präsentierten IBE mit einem konventionellen Arbeitsblatt oder Versuchsprotokoll für die Einzel- oder Gruppenarbeit. Das IBE wird dabei im 'Solo-Modus' ohne jede Erläuterung dargestellt.
30.08.2021 11:40
Jannes Siems †
Am 22. August 2021 ist Jannes, einer unserer studentischen Mitarbeiter im IBE-Labor, völlig unerwartet gestorben. Wir haben ihm viel zu verdanken und werden ihn sehr vermissen.
Jannes hatte viele Talente und war neben seiner engagierten Tätigkeit bei uns auch ein leidenschaftlicher Pilot – privat als auch beruflich für eine große deutsche Fluglinie.
05.07.2021 11:58
Experimente mit dem Luftkissentisch – Making of
In gemeinsamer Planung mit QUA-LiS NRW entstehen im IBE-Labor zur Zeit Aufnahmen für Experimente mit einem Luftkissentisch.
Über ein Gebläse strömt Luft aus vielen kleinen Löchern in der Tischoberfläche. Pucks gleiten so auf einem Luftkissen nahezu ohne Reibung über den Tisch und werden an einer Begrenzung aus gespannten Drähten reflektiert. Eine Startvorrich-tung ermöglicht den Abschuss von Pucks mit definierten Geschwindig-keiten. Der Luftkissentisch erlaubt damit u.a. die Untersuchung von nichtzentralen Stößen.
Um dieses Experiment als IBE zu rea-lisieren, wurden zunächst der Tisch, die Pucks und die Startvorrichtung in Draufsicht fotografiert. Zum Einsatz kam hier unser Jib-Kamerakran, der eine hochstabile Basis für die digitale Fotokamera bietet. Möglich werden damit auch Videoaufnahmen realer Stoßexperimenten, die dann als Referenz zum IBE dienen.
Um eine Vielfalt von Stoßexperimenten realisieren zu können, mussten wir vom Konzept animierter Fotoserien abweichen und im IBE die Bewegung der Pucks simulieren. Die Oberfläche der Simulation bilden Fotos des realen Aufbaus. Zur Verfügung werden im IBE Pucks mit verschiedenen Massenverhältnissen stehen und zwei Startvorrichtungen ('Launcher') mit Betriebsgerät. Richtung und Betrag der Startgeschwindigkeit sind damit flexibel einstellbar. Weiterhin wird eine Stroboskopdarstellung der Bahnen die quantitative Auswertung der Versuche ermöglichen. Dazu steht neben einem interaktiven Geodreieck auch ein Vektor-Tool bereit, mit dem sich der Impulserhaltungssatz für beliebige nichtzentrale elastische Stöße in zwei Dimensionen überprüfen lässt.
07.06.2021 07:40
Cognitive Tools in tet.folio
Cognitive Tools unterstützen Lernende dabei, sich intensiver mit einem Lerngegenstand auseinander zu setzen. Das sind beispielsweise Apps die Messungen über die Sensoren in Mobilgeräten ermöglichen, Messwerte und Funktionen graphisch darstellen, Strecken, Winkel oder Flächeninhalte messen, Mind-Maps erzeugen oder Einheiten umrechnen und wichtige Natur- und Materialkonstanten bereitstellen. Die einschlägigen App-Stores bieten hier eine große Auswahl zum Downloaden und Installieren. tet.folio macht diese Schritte überflüssig.
Cognitive Tools in tet.folio lassen sich aus dem tet.markt direkt in das Layout von Lernmaterialien einfügen. Das vermeidet Medienbrüche und vereinfacht die Nutzung der Tools für die Lernenden und die Verwaltung und Pflege der externen Apps entfällt. Auch das selbstständige Erstellen von Cognitive Tools kann mit tet.folio Teil der Lernaktivitäten werden. Beispiele sind das Umrechnen von Einheiten, Hilfen zum Messen und Auswerten oder auch Tabellen mit selbst gemessenen Werten etwa von Naturkonstanten. Tutorials zur Verwendung der Tools aus dem tet.markt sind in Vorbereitung.
31.05.2021 12:35
Röntgenbilder
Das Innere einer menschlichen Hand mit Röntgenstrahlung sichtbar zu machen, war bis etwa 1960 ein üblicher Schulversuch im Physikunterricht. Eine gängige Kaltkathoden-Röhre für den Schulgebrauch orientierte sich am historischen Original. Die Hochspannung für den Betrieb lieferte häufig noch ein Funkeninduktor mit Spannungsimpulsen deutlich größer als 5 KV. Mit dem IBE zum Röntgenbild einer menschlichen Hand lässt sich dieser Versuch im historischen Gewand ohne Gefahr nachvollziehen.
Moderne Röntgengeräte für den Schulunterricht erlauben das Betrachten von Röntgenbildern verschiedenster (nichtlebender) Objekte. Dabei erlaubt das IBE Beobachtungen wie das Drehen oder Verschieben von Objekten bei gleichzeitiger Betrachtung des Röntgenbildes. Damit wird anschaulich erfahrbar, dass ein Röntgenbild durch Schattenprojektion entsteht.
Röntgeneinrichtungen im medizinischen Bereich verringern die Strahlenbelastungen durch den Einsatz von Bildverstärkerröhren.
22.05.2021 13:52
Experimente im Projektionsplanetarium
Das erste Ptolemäische Projektionsplanetarium ging 1929 im Deutschen Museum München in Betrieb. Gestern wie heute ermöglichen Planetarien den Anblick des Himmels an jedem Ort auf der Erde. Als Zeitmaschine bietet das Planetarium sowohl den Himmelsanblick zu einer festen Zeit als auch die Darstellung der Bewegungen von Sonne, Mond und Planeten im Zeitraffer. Damit werden vielfältige Experimente am künstlichen Himmel, wie auch solche zur Funktion des Planetariumsprojektors selbst, möglich.
Im Zeiss Großplanetarium Berlin und dem Zeiss Planetarium der Wilhelm Foerster Sternwarte wurden dazu verschiedene Fotoserien für IBE im Stop-Motion-Verfahren aufgenommen. Neben der Darstellung der scheinbaren Himmelsbewegung und der Schleifenbewegung der Planeten gehört zu den Experimenten auch die Bestimmung des Erdumfangs. Neue Einblicke in das Innere und die Funktion eines klassischen Planetariumsprojektors bieten die IBE zum 'Zeiss Cosmorama', der bis vor einigen Jahren noch im Zeiss Großplanetarium in Betrieb war.
Quelle: Das Projektionsplanetarium von Carl Zeiss, Deutsches Museum München
14.04.2021 10:15
Feuersignale im Physikunterricht
Im Deutschen Museum München konnte der interessierte Besucher in der (ehemaligen) Ausstellung 'Telekommunikation' eine Schautafel zur antiken Übermittlung von Nachrichten durch Licht entdecken. Feuersignale dienten zum Ver- und Entschlüsseln von Nachrichten über einen festgelegten Code ('Polybios-Code' um 150 v. Chr.). Mit elementaren tet.folio-Objekten und 'tet.actions' wurde das Foto dieser Schautafel in ein IBE konvertiert. Durch Anklicken lassen sich hier einzelne Feuer völlig gefahrlos entzünden und wieder löschen.
Im Physikunterricht wäre dieses IBE ein möglicher Start in Projekte wie zum Beispiel 'Kommunikation mit Licht'. Zeigt man dann das IBE auf einem weit entfernten Bildschirm im 'Solo'-Modus, ließe sich so eine Problemstellung für den Anfangsunterricht in der Optik entwickeln: Wie erkennt man die Feuersignale aus großen Entfernungen? Als 'moderne' Lösung wäre der Bau eines Teleskops zur Vergrößerung des Sehwinkels denkbar. Ein Beispiel für die Kombination von digitalen Medien mit (Schüler:innen-)Experimenten in der Realität.
Im Kontext der historischen Entwicklung böten sich Ergänzungen über die optische Telegrafie bis hin zu modernen Formen der Kommunikation mit Licht über Glasfaserkabel (Totalreflexion) an.
Quelle: Aschoff, V.: Vom Buchstaben-Alphabet zum Telegrafen-Code. In: Kultur & Technik, 3, 160-166 (1989).
11.05.2021 07:15
Schlüsselexperimente der Oberstufenphysik
Bereits vor einigen Jahren startete unsere Kooperation mit der Qualitäts- und UnterstützungsAgentur NRW (QUA-LiS). Ziel ist die digitale Ergänzung der "25 Schlüsselexperimente der Oberstufenphysik" durch IBE und darauf abgestimmte Lernmaterialien. Die IBE werden von der AG Didaktik in enger Abstimmung mit dem Autorenteam des QUA-LiS produziert. Das Team erfahrener Lehrpersonen nutzt die Plattform tet.folio zum Erstellen und Verteilen der Materialien. Das Portal 'Zentrale Experimente Physik GOSt NRW' bietet Lernaufgaben mit IBE zu den Themen Röntgenstrahlung, Spezifische Ladung, Spektroskopie, Franck-Hertz-Versuch, Photoeffekt, Elektronenbeugung und Radioaktivität. In Vorbereitung sind Versuche zu Mikrowellen, freien und erzwungenen Schwingungen eines Federpendels, nichtzentralen Stößen sowie dem akustischen Doppler-Effekt. Weitere Themen sind in Planung. Daneben sind die IBE auch im Archiv zum Erstellen individueller digitaler Lernmaterialien mit tet.folio verfügbar. Ein Tutorial zeigt, wie es geht.
02.05.2021 17:32
Diskrete Energieabsorption von Atomen beobachten
Die Wellenlänge moderner Laser, wie sie in Forschungslaboren üblich sind, ist sehr genau einstellbar und kann kontinuierlich variiert werden. Solche durchstimmbaren Laser machen die Beobachtung der diskreten Energie-absorption von Atomen unmittelbar beobachtbar. Was bei der Resonanz-absorption mit Natrium-Dampf nur bei einer einzigen Wellenlänge geht, macht die Laserabsorptionsspektroskopie für Strahlung in einem festen Wellenlängenintervall kontinuierlich möglich.
28.04.2021 11:15
Der Stern-Gerlach-Versuch im IBE-Archiv
Einer der grundlegenden Versuche der Quantenphysik, der Nachweis der Richtungsquantisierung des magnetischen Dipolmoments von Atomen, ist in der Schule aus praktischen Gründen kaum möglich. Da sowohl die Vor- als auch die Nachbereitung dieses Versuchs sehr aufwändig sind, gehört er auch nicht zum Repertoir der Schülerlabore von Universitäten. Zudem ist auch seine Durchführung zeitintensiv.
Bereits 2004 wurde der erstmals 1922 von Otto Stern und Walther Gerlach durchgeführte Versuch mit modernen Mitteln im IBE-Format digitalisiert, bisher jedoch noch nicht veröffentlicht. Jetzt ist eine aktuelle Version vom Stern-Gerlach-Versuch im IBE-Archiv verfügbar.
24.04.2021 11:15
Schall magnetisch speichern
Ferromagnetische Materialien lassen sich im Feld eines Elektromagneten mit zunehmender Stromstärke immer stärker magnetisieren. Wird die Stromstärke dann auf Null reduziert, behält das Material eine Teil der Magnetisierung. Das demonstriert ein Experiment zur magnetischen Hysterese. Darauf beruht das Prinzip der Schallspeicherung mit dem Magnetbandgerät.
Ein Mikrofon wandelt zunächst die Schallwelle in eine Wechselspannung um. Das verstärke Mikrofonsignal führt in der Spule eines Elektromagneten – dem Aufnahmekopf – zu einem Wechselstrom. Damit entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das durch einen Eisenkern verstärkt wird. Über einen schmalen Luftspalt in diesem Eisenkern dringt das Magnetfeld in die Eisenoxidschicht des vorbeilaufenden Tonbandes ein. Die Eisenoxidteilchen werden dabei dauerhaft magnetisiert – der Schall wird gespeichert.
Bei der Wiedergabe läuft das magnetisierte Band am Spalt eines zweiten Elektromagneten – dem Wiedergabekopf – vorbei. In der Spule des Wiedergabekopfes wird durch die wechselnde Magnetisierung auf dem Band eine Wechselspannung induziert, die ein Lautsprecher – nach einer Verstärkung – wieder in eine Schallwelle zurückwandelt.
24.04.2021 08:32
Die 'Gegenseh-Fernsprecheinrichtung'
Miteinander sprechen und sich dabei auch sehen ist heute Alltag. Vorläufer heutiger Systeme für Videoanrufe waren das Bildtelefon (um 1980) aber schon im Jahr 1929 eine 'Gegenseh-Fernsprecheinrichtung' - das Highlight der damaligen Funkausstellung in Berlin. Diese Demonstrationsapparatur ermöglichte das Telefonieren mit gleichzeitiger Bildübertagung. Dazu setzte man sich in eine völlig abgedunkelte Kabine, nahm den Telefonhörer in die Hand und blickte vor sich auf ein kleines Loch. Aus diesem huschte ein Lichtpunkt zeilenweise über das Gesicht und man sah sein Gegenüber in einem briefmarkengroßen, rötlich flimmernden Fernsehbild hinter dem Loch.
Für den Physikunterricht ist die Gegenseh-Fernsprecheinrichtung durch das Zusammenwirken verschiedener physikalischer Prinzipien interessant. Das Kohlemikrofon und die dynamische Hörkapsel im Telefon ermöglichen die Übertragung der Sprache. Für die Fernsehübertragung fällt Licht einer hellen Lampe durch die spiralförmig angeordneten Löcher einer schnell rotierenden Scheibe (Nipkow-Scheibe). Eine Projektionsoptik bildet die Löcher zeilenförmig auf das Gesicht ab. Das von hellen und dunklen Stellen des Gesichts gestreute Licht trifft auf eine Vakuumphotozelle. Der von der Intensität des Lichts abhängige Photostrom führt über einen Widerstand zu einem Spannungsabfall. Nach der Verstärkung und Weiterleitung bringt dieses 'Bildsignal' eine Glimmlampe in der Gegenstelle zum Leuchten. Je nach momentaner Spannung heller oder dunkler. Eine zweite, synchron drehende Nipkow-Scheibe vor der Glimmlampe setzt dann die Zeilen zu einem Fernsehbild zusammen.
Ein Modellversuch veranschaulicht mit modernen Mitteln das Prinzip der optisch-mechanischen Fernsehübertragung, das im nächsten Schritt der Entwicklung durch das vollelektronische Fernsehen abgelöst wurde.
Quelle: Bülow, R.: Ich sehe Dich! In: Kultur & Technik, 1, 28-40 (1987).
23.04.2021 10:44
Animationssoftware unterstützt IBE Produktion
Grundlage der Herstellung von Interaktiven Bildschirmexperimenten ist das Erfassen der Experimentdurchführung in einer Serie von einzelnen Fotos, wie beim Stop-Motion-Verfahren im Trickfilm. Eine digitale Fotokamera wird dazu ortsfest auf einem stabilen Stativ montiert und mit einem Computer über USB verbunden. Das ermöglicht ein Fernauslösen der Kamera und das Übertragen der Fotos. Allerdings kann man bei sehr vielen Fotos (teilweise mehrere 100) sehr leicht die Übersicht verlieren. Mit der professionellen Stop-Motion-Software 'Dragonframe' konnten wir dieses Problem lösen. Die Software ermöglicht eine komfortable Fernsteuerung der Fotokamera, eine Kontrolle aller Parameter wie Weißabgleich, Blende und ISO-Wert und eine Dokumentation der Aufnahme. Über einen Bluetooth-Controller lässt sich die Kamera nicht nur kabellos auslösen; der Controller erlaubt auch ein schnelles Überprüfen der Bildserie, etwa zum Erkennen ungewollter Veränderungen im Experimentaufbau.
21.04.2021 09:35
Upcycling alter Bildschirmexperimente
Interaktive Bildschirmexperimente repräsentieren reale Experimente durch animierte Fotoserien, Bewegtbilder, O-Töne und Messdaten. Viele dieser Rohdaten wurden bereits vor mehr als zwanzig Jahren in zahlreichen Experimenten erfasst, wie zum Beispiel aus dem Deutschen Museum München, dem Sonnenobservatorium 'Einsteinturm' oder auch aus Physiklaboren. Die multimediale Umsetzung erfolgte damals in Formaten wie 'Quicktime VR', 'Shockwave' oder 'Flash', die heute nicht mehr lesbar sind.
Die Plattform tet.folio ermöglicht heute die einfache Wiederverwertung der umfangreichen Datenbestände. Dafür stehen standardisierte Konzepte wie die 'Diashow', der 'Presi-Controller' oder auch der 'Logic-Controller' zur Verfügung. Die wiederaufbereiteten IBE sind nach und nach online über das IBE-Archiv im aktuellen HTML 5 - Format verfügbar. Allerdings müssen einige der alten IBE aus rechtlichen Gründen neu produziert werden.
19.04.2021 08:10
Kleinste Gravitationskräfte messen
Forschern der Universität Wien ist es gelungen, kleinste Anziehungskräfte zwischen winzigen Goldkügelchen mit Massen im Bereich von tausendstel Gramm zu messen. Die dazu verwendete Messanordnung beruht auf dem Prinzip der Drehwaage: Die Gravitationskraft verdrillt eine dünne Glasfaser an deren Ende eines der Goldkügelchen auf einem Querbalken sitzt. Ein an dieser Anordnung befestigter Spiegel macht über einen Lichtzeiger kleinste Auslenkungen messbar. Auch im Schulversuch wird dieses Prinzip genutzt. Statt der Goldkügelchen ziehen sich Bleikugeln mit einer Massen von bis zu 1,5 kg an. Die Glasfaser ersetzt in der Gravitationsdrehwaage ein dünner Metalldraht. Im IBE lässt sich damit die Gravitationskonstante messen. Dazu sind zwei Methoden verfügbar: die Beschleunigungsmethode, bei der die Kugeln frei aufeinander zufallen und die Endausschlagmethode, die Schwingungen des Querbalkens der Drehwaage für die Kraftmessung nutzt.
Das Experiment aus Wien hat gezeigt, dass das Gravitationsgesetz von Newton auch für kleinste Massen gültig ist. Ziel ist es, die Massen weiter zu verkleinern. Dabei ist völlig unklar, ob das Gesetz der Gravitation auch im atomaren Bereich gültig ist.
Quellen: Der Tagesspiegel, 19.04.2021, Nr. 24511, S. 22; Westphal, T., Hepach, H., Pfaff, J. et al. Measurement of gravitational coupling between millimetre-sized masses. Nature 591, 225–228 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03250-7
18.04.2021 06:37
Das Phänomen des 'Residualtons' untersuchen
Besonders bei tiefen Tönen trägt der Grundton kaum zum Klang eines Musikinstruments bei. Dennoch nehmen wir eine Tonhöhe wahr, die dem fehlenden Grundton entspricht. Den über die menschliche Hörempfindung „hinzugefügten“ Grundton bezeichnet man als Residualton. Mit dem IBE wird dieser psychoakustische Effekt erfahrbar. Dazu lassen sich Töne (110 bis 27,5 Hz) eines Konzertflügels einzeln anspielen und ihr Fourierspektrum analysieren.
16.04.2021 17:41
Rückblick: Europäische Auszeichnung für IBE-Konzept
Im November 2000 fand in Rotterdam das Finale des European Academic Software Award (EASA) statt. Die 29 Finalisten wurden aus über 300 Einreichungen ausgewählt, die in einer ersten, einjährigen Phase sorgfältig getestet und von internationalen Experten bewertet wurden.
Der niederländische Minister für Wissenschaft und Forschung Loek Hermans überreichte die Preise an die 10 Preisträger im Rahmen einer Konferenz über Einsatz von Software in Forschung und Lehre. Einer der beiden deutschen Gewinner ist Dr. Jürgen Kirstein (Technische Universität Berlin) mit dem Konzept der 'Interactive Screen Experiments (ISE)':
„Interactive Screen Experiments are a new concept of using multimedia technology in education. They are designed to represent real experiments in physics within multimedia learning environments which supports individual learning processes.“
Quelle: Zentrum für Informationsverarbeitung (ZIV), Universität Münster
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