Lehrerfortbildung "Remotely Controlled Laboratories (RCLs) im Physikunterricht

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1 Lehrerfortbildung "Remotely Controlled Laboratories (RCLs) im Physikunterricht der Sekundarstufe II" Reader "RCL als Physikmedium" Sebastian Gröber AG Didaktik der Physik TU Kaiserslautern Inhaltsverzeichnis 0. Einbindung des Readers in die Fortbildung 2 1. Experiment im Physikunterricht 3 2. RCL als Physikmedium Technologische und mediendidaktische Sicht Produktion und Einsatz Einordnung unter den Physikmedien Abgrenzung zu anderen Realexperimenten und zu Simulationen RCL und Multimedia Mehrwert von RCLs Klassifikation als Experiment RCLs zwischen MCL-Simulation und RCL-Vollautomatisation RCLs im Überblick Literatur 15 1

2 0. Einbindung des Readers in die Fortbildung Reader A "RCL als Physikmedium" Workshop "Einsatzformen von RCLs" Reader B "RCLs in methodischen Großformen" Abb. 1: Reader in der Fortbildung Abb. 1 zeigt die Einbindung der Reader RCL als Physikmedium und "RCLs in methodischen Großformen" in die Fortbildung. Der hier vorliegende Reader beschreibt die Eigenschaften von RCLs, deren Bezug zu anderen Physikmedien und gibt einen Überblick zu RCL-Entwicklungen der TU Kaiserlautern. Der Reader soll auf den Workshop vorbereiten sowie unnötiges Vortragen auf dem Workshop vermeiden, um Zeit für praxisorientierte Tätigkeiten zu haben. Im Workshop werden dann RCLs erprobt, exemplarisch Einsatzformen vorgestellt und diese auf die eigene Unterrichtspraxis angewendet. Der Übergang zwischen den einfacheren auf dem Workshop vermittelten Einsatzformen und den sich über einen größeren Unterrichtszeitraum erstreckenden methodischen Großformen wie Lernzirkel, Lernen durch Lehren, Unterrichtsprojekt und Hauspraktikum ist fließend. Mit dem Reader B soll die eigenständige Weiterarbeit in Richtung dieser stärker kooperativen Unterrichtsszenarien unterstützt werden. Die Fortbildung kann nicht den Aspekt des Selbstbaus von RCLs behandeln. Dies bleibt einer zukünftigen Fortbildung vorbehalten. Interessierte Kollegen können dazu unter im Menüpunkt "Über RCLs" das Tutorial "Selbstbau von RCLs" herunterladen. Wir hoffen mit der Fortbildungskonzeption den Kolleginnen und Kollegen einen systematischen Einstieg in die Nutzung von RCLs als für die Schule neuen Neuen Mediums zu ermöglichen. Für eine gewinnbringenderes Lesen des Readers wird die Erprobung eines RCLs unter empfohlen. 2

3 1. Experiment im Physikunterricht Dem Experiment wird im Physikunterricht eine große Bedeutung zugemessen. Das zeigt die Vielzahl an fachdidaktischen Artikeln zu diesem Thema wie auch die Gestaltung von Lehrbüchern und Curricula. Auch Physikunterrichtsstunden werden häufig um ein Experiment herum konzipiert und bei der Durchführung steht das Experiment dann zeitlich und inhaltlich im Vordergrund. Unter dem Gesichtspunkt das Lernen und Verstehen von Physik durch das Experiment zu fördern lassen sich vier Bereiche unterscheiden: Lehrerdemonstrationsexperimente in der Schule Schülerexperimente in der Schule Experimente außerhalb der Schule Computerunterstützte Experimente Diese Bereiche stehen nicht isoliert nebeneinander: Die Durchführung von Hausversuchen durch Schüler ist z. B. eine Möglichkeit der Verbindung zwischen zwei der Bereiche. Unabhängig vom Bereich müssen für ein effektives Lernen geeignete Experimente entwickelt (inhaltlicher Aspekt) diese Experimente in geeigneter Weise in Lernumgebungen eingebunden werden (methodischer Aspekt) RCLs sind in den Bereich des computerunterstützten Experimentierens einzuordnen und es bestehen auch bei dieser Form des Experimentierens Wechselwirkungen mit allen anderen drei Bereichen. Eine Stärke von RCLs liegt z. B. gerade darin, dass sie sowohl als Demonstrationsexperiment als auch als Schülerexperiment zuhause durchgeführt werden können. In jedem der Bereiche können RCLs in ihrer Eigenschaft als Realexperiment bestimmte aus Tab. 1 entnehmbare didaktische Funktionen von Experimenten in besonderem Maße übernehmen. Ein Phänomen klar und überzeugend darstellen Physikalische Konzepte veranschaulichen Grunderfahrungen aufbauen bzw. ausschärfen Physikalische Gesetzmäßigkeiten direkt erfahren Theoretische Aussagen qualitativ prüfen (Schüler)- Vorstellungen prüfen Physik in Technik und Alltag aufzeigen Denkanstöße zur Wiederholung oder Vertiefung geben Physikalische Vorstellungen aufbauen Physikalische Gesetze quantitativ prüfen Physikalische Arbeitsweisen einüben Motivieren und Interesse wecken Nachhaltige Eindrücke vermitteln Meilensteine unserer Kulturgeschichte aufzeigen Tab. 1: Didaktische Funktionen von Experimenten (aus [3]). Eine eindeutige Zuordnung einzelner Versuche zu didaktischen Funktionen ist aufgrund der vielfältigen inhaltlichen und methodischen Aspekte von Experimenten nur schwer möglich. 3

4 2. RCL als Physikmedium 2.1. Technologische und mediendidaktische Sicht Aus technologischer Sicht kann ein Nutzer (Client) am Ort A mit einem Remotely Controlled Laboratory (RCL) über das Internet und einen Webserver ein am Ort B befindliches Experiment durchführen (Abb. 2). Zur Steuerung des Experiments und für Messungen wird zwischen Webserver Experiment ein Interface eingesetzt. Eine oder zwei Webcams erlauben dem Nutzer das Experiment in Echtzeit zu verfolgen und auf Ort A Ort B Abb. 2: RCL-Prinzip. Displays angezeigte Messwerte aufzunehmen. Für den Zugriff auf RCLs benötigt der Nutzer lediglich einen PC mit DSL-Internetzugang für die kontinuierliche Übertragung des Bildes der Webcam. Zur Unterscheidung zwischen einem von Hand und einem ü- ber das Internet durchgeführten Realexperiment wird das Begriffspaar Manually Controlled Laboratory (MCL) und Remotely Controlled Laboratory (RCL) verwendet. Aus mediendidaktischer Sicht ist ein RCL in zweifacher Weise ein Medium: Zum einen ist das Realexperiment trotz der in den vergangenen Jahren hinzugekommenen theoretisch orientierten Neuen Physikmedien (Simulationen, Modellbildung) das wichtigste Medium im Physikunterricht geblieben. Physikalische Phänomene und Effekte können demonstriert und in einer Weise veranschaulicht werden, wie es mit Worten oder anderen Darstellungsformen (z. B. als simuliertes Experiment) kaum möglich ist. Zum anderen wird das Internet als Informations- (Zustand des Experiments über WebCams), Kommunikations- (Datenaustausch zwischen Nutzer und Experiment) und bei entsprechender Gestaltung des RCLs als Lernmedium verwendet. und 2.2. Produktion und Einsatz Physikmedien lassen sich von der Produktions- und der Einsatzseite her betrachten. Die Produktion von RCLs (Abb. 3) ist ein zweistufiger Prozess der Auswahl eines Abb. 3: Zusammenwirken von Produktion und Einsatz von RCLs. geeigneten Experiments und der technischen Umsetzung in das Produkt RCL. Hierbei spielen viel- Experimentauswahl folgt ein durch das Zusammenwirken von Physik und Technik ge- fältige gegeneinander abzuwägende Faktoren wie Verfügbarkeit und Durchführungsaufwand des MCLs an Schulen, Produktionskosten, Nutzerfreundlichkeit, Lebensdauer und Wartungsaufwand, Interaktionsmöglichkeiten, Realisierbarkeit usw. eine Rolle. Der tragener Entwicklungsprozess. Ergebnis kann ein Single-Use-RCL oder ein Multi-Use- RCL sein kann: Mit Single-Use-RCLs werden ein, manchmal zwei Abhängigkeiten untersucht und damit Konstanten wie z. B. die Lichtgeschwindigkeit c oder die Plancksche Konstante h bestimmt. Multi-Use-RCLs decken mit einer Vielzahl von Experimentier- 4

5 möglichkeiten ein ganzes Sachgebiet der Physik ab. Beispiele hierfür sind die RCLs Radioaktivität und Beugung und Interferenz. Der Einsatz von RCLS ist durch das Zusammenwirken von Physik und Didaktik und den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten gekennzeichnet ( Workshop). Hierzu ist es hilfreich zwischen dem Stand-Alone-RCL und dem Embedded-RCL zu unterscheiden (Abb. 4): Abb. 4: Stand-Alone- und Embedded-RCL. Bei einem Stand-Alone-RCL sieht ein Nutzer auf dem Bildschirm nur das Experiment oder Teile davon über die WebCam(s) sowie die Bedienungselemente des RCL (Abb. 5). Es liegt damit lediglich ein Informationssystem und kein Lernsystem vor, da Lernanweisungen fehlen. Die Situation ist vergleichbar mit der in der Physiksammlung einen fertig von einem Kollegen aufgebauten funktionsfähigen und vielleicht auch noch unbekannten Versuch vorzufinden, was sich methodisch nutzen lässt ( Workshop). Alle RCLs sind zunächst Stand-Alone-RCLs. Durch Einbettung in eine Lernumgebung wird daraus ein Embedded-RCL. Die Lernumgebung besteht einerseits aus Elementen wie z. B. einer Versuchsanleitung oder Aufgaben und der Theorie zum Versuch die unmittelbar auf das RCL bezogen sind. Diese RCL- Lernumgebung kann in weiten Grenzen von den Lehrenden gestaltet werden. Zum anderen besteht die Lernumgebung aus Elementen wie z. B. Lernort, institutionelle Rahmenbedingungen und der Zielgrup- Abb. 5: Beispiel eines Stand-Alone-RCLs. pe die dem Lernen des Nutzers einen Rahmen geben. Diese Nutzer-Lernumgebung unterliegt in der Regel nicht dem Einfluß der Lehrenden, sie ist aber von ihnen bei der Unterrichtsgestaltung mit zu berücksichtigen. Während die Nutzer-Lernumgebung immer eine reale ist, kann die RCL-Lernumgebung zwischen einer rein virtuellen Lernumgebung (z. B. Kurs für Fernstudenten) und einer rein realen Lernumgebung (z. B. Stand-Alone-RCL als Ersatz für Demo-MCL im Physikunterricht) liegen. Ein Embedded-RCL mit minimaler aus Versuchsanweisungen bestehender virtueller Lernumgebung ist z. B. für Museen und Science Center interessant. Die Übergänge zwischen RCL-Bedienung und RCL-Lernumgebung wie auch zwischen RCL- und Nutzer-Lernumgebung sind fließend. Die Lernpotentiale für den RCL-Einsatz im Schulbereich liegen in der kreativen Gestaltung von Mischformen zwischen einer realen und virtuellen, webbasierten RCL-Lernumgebung ( Workshop). 5

6 2.3. Einordnung unter den digitalen Physikmedien Abb. 6 zeigt eine mögliche Einteilung der zur Zeit für das Lernen von Physik zur Verfügung stehenden digitalen Physikmedien: Modellbildung Applets, Physlets oder Simulationsprogramme Simulationen Realexperimente Videoanalyse PC-Messung Interaktive Bildschirmexperimente (IBE) Remotely Controlled Laboratory (RCL) Messvideo Lexika Filme Uebungsprogramme Tutorielle Lernprogramme Hypermediale Lernumgebungen Informationsund Lehr-/Lernsysteme PHYSIKMEDIEN Kognitive Werkzeuge Textverarbeitung Praesentation Tabellenkalkulation Computeralgebrasysteme (CAS) Internet Information Kommunikation Kooperation Praesentation Abb. 6: Übersicht zu digitalen Physikmedien. Simulationen, Realexperimente sowie Informations- und Lehr-/Lernsysteme sind spe- ziell zum Lernen von Physik entwickelt worden (Physikmedien im engeren Sinn), während kognitive Werkzeuge den Lernenden von Routinearbeiten entlasten sollen (Physikmedien im weiteren Sinn). Simulationen dienen der Nachbildung ausgewählter Realitätsaspekte anhand bekannter physikalischer Zusammenhänge. Der Lernende muss Inhalte, Begriffe und Größen zueinander in Beziehung setzen und arbeitet damit eher deduktiv und theoretisch. Informations- und besonders Lehr-/Lernsysteme beinhalten meist auch Simulationen, unter- scheiden sich aber von diesen durch deren Einbindung in eine Lernumgebung. Sie sind eher für den außerunterrichtlichen Gebrauch geeignet. Realexperimente, zu denen auch RCLs zählen, dienen dagegen der Untersuchung ausgewählter Realitätsbereiche. Die Arbeitsweise ist eher induktiv und experimentell. Die unterrichtlichen Physikmedien Realexperimente und Simulationen sind nicht unab- hängig von den Inhalten, sowohl was ihre Produktion wie auch was ihren Einsatz betrifft. Tab. 2 ist zu entnehmen, welche Kenntnisse zusätzlich zur Physik des Versuchs bei Realexperimenten bzw. zusätzlich zu mehr theoretischen Physikkenntnissen bei Simulationen für die Produktion notwendig sind. Beim Einsatz ist das Einsatzgebiet so- wie eine Abschätzung der zahlenmäßigen Verfügbarkeit angegeben: 6

7 Physikmedium RCL Videoanalyse IBE Messvideo PC- Messung Zusatzkenntnisse für Produktion Handwerliche Fähigkeiten PHP und HTML Mikroprozessor- Programmierung Elektronik Umgang mit Videoanalyseprogramm Digitale Videoaufnahmetechnik Digitale Videoaufnahmeund bearbeitungstechnik Digitale Videoaufnahmeund bearbeitungstechnik Sensoren AD-DA-Wandler Mikrocontroller Programmiersprache Einsatzgebiete und Verfügbarkeit alle Physik-Gebiete Online geringe Anzahl eingegrenzt auf Mechanik auch zur Vermessung von Einzelbildern und für Funktionen in Mathematik Offline mittlere Anzahl alle Physik-Gebiete Online/Offline geringe Anzahl alle Physik-Gebiete Online/Offline geringe Anzahl alle Physik-Gebiete setzt Verfügbarkeit entsprechender Sensoren voraus Offline mittlere Anzahl Applets, Simulationsprogramme Modellbildung Programmierung in Java, C++,... Erstellung mit Hilfsprogrammen (Animatoren) Umgang mit Modellbildungsprogramm Tabellenkalkulation alle Physik-Gebiete Online/Offline hohe Anzahl sehr unterschiedlicher Qualität gebietsunabhängige Modellierung physikalischer Prozesse Offline hohe Anzahl fertiger Modelle Tab. 2: Inhaltsbezug der Physikmedien "Realexperimente" und "Simulationen". Auf der Produktionsseite werden eine Vielzahl von Zusatzkenntnissen zur Produktion von Physikmedien benötigt. Diese reichen von handwerklichen Fähigkeiten über den Gebrauch verschiedener Anwendungsprogramme und Elektronikkenntnissen bis zu mehr oder weniger anspruchsvollen Programmiersprachen und -techniken. Während damit auf der Produktionsseite eine hohe Produktionsspezifität vorliegt, ist auf den ersten Blick auf der Einsatzseite ein gebiets bzw. themenunspezifischer Physikmedieneinsatz möglich. Lediglich die Videoanalyse ist im wesentlichen auf die Mechanik eingegrenzt. RCLs sind nur online, Videoanalyse und Modellbildung derzeit nur datenträgerbasiert verfügbar. IBE s, Applets und Messvideos sind sowohl online übers Web als auch offline meist durch Download über Datenträger verfügbar. Eine genaue Aussage zur verfügbaren Anzahl der mit einem Physikmedium in der Schule behandelten Themen lässt sich nur schwer aufgrund thematischer Überschneidungen treffen und ist nur durch eine umfangreiche Recherche zu ermitteln. Unserer Erfahrung nach nimmt diese Anzahl in der Reihenfolge RCL, Messvideo, IBE, Modellbildung, Videoanalyse, PC-Messung, Applets/Simulationsprogramme zu. Die Gründe hier- 7

8 für sind vielfältiger Natur und ihre Erörterung würde den inhaltlichen Rahmen dieses Readers überschreiten Abgrenzung zu anderen Realexperimenten und zu Simulationen Unter den Realexperimenten sind RCLs neben der PC-Messung die einzigen Live (Synchron)-Experimente. Bei den anderen Realexperimenten wird die Durchführung des Experiments zunächst auf Video aufgezeichnet und das bearbeitete Video dem Nutzer zur Verfügung gestellt (Asynchron-Experimente). Es handelt sich damit um einmalig konservierte Experimente, die bei wiederholter Durchführung immer wieder das gleiche Versuchsergebnis liefern. Wird z. B. mit der Videoanalyse die Autobewegung bei Vollbremsung mit blockierten Rädern untersucht und einmalig aufgenommen, dann gehen dabei die Schwankungen des Bewegungsgesetzes und des Bremsweges aufgrund des variierenden Straßenbelags unter den Rädern und der zunehmende Erwärmung der Reifen verloren. Hier könnte man zwar noch mehrere Videos des "gleichen" Versuches machen, jedoch verliert dieses Verfahren seinen Sinn, wenn wie beim Millikan-Versuch oder bei Versuchen zur Radioaktivität viele Versuchsdurchführungen für ein sinnvolles Experimentieren notwendig sind. Es stellt sich die grundsätzliche Frage, ob die Eigenschaft der Wiederholbarkeit von Realexperimenten in ausreichender Weise medial abgebildet werden kann. Dies erscheint fraglich, da die wiederholten Videoaufnahmen mit technischem und personellem Aufwand verbunden sind und der Forschungsaspekt eingeschränkt wird: der Bezug des Experimentators zur Apparatur geht verloren die Wiederholung des Versuchs wird durch die mediale Verfügbarkeit nahegelegt dem Experimentator wird die Wiederholung des Versuchs abgenommen. Mehrfache Videoaufzeichnungen asynchroner Experimente sind zwar eine technologische, aber keine didaktische und schon gar nicht eine dem erkenntnistheoretischen Aspekt des Experiments gerecht werdende Lösung. Simulationen liefern letzlich nur Ergebnisse im Rahmen der vom Programmierer und den physikalischen Gesetzen vorgegeben Grenzen (von numerischen Fehlern werde abgesehen). In Realexperimenten spielen aber gerade systematische und statistische durch die Apparatur und den Beobachter verursachte Abweichungen vom erwarteten Ergebnis eine große Rolle. Das wird besonders deutlich wenn Versuche im Unterricht auf ein Ergebnis hin getrimmt werden und das Experiment sich eher als Simulation darstellt RCL und Multimedia Die Informationen über den aktuellen Zustand des Experiments werden in einem Stand- Alone-RCL visuell über das Videobild der Webcam und über Schrift- und Zahlenzeichen sowie beschriftete Buttons im Bedienfeld übertragen (vgl. Abb. 5). Die bisherigen Stand- Alone-RCLs sind damit was die involvierten Sinne betrifft monomodal. Denkbar sind aber auch multimodale RCLs zur Akustik, die der visuellen die auditive Wahrnehmung hinzufügen. Weiterhin sind Stand-Alone-RCLs multicodal, weil die Informationen nicht nur mit Schriftzeichen, sondern auch mit bewegten Bildern übertragen werden. RCLs als digitales Physikmedium lassen sich leicht auf der gemeinsamen Nutzerschnittstelle PC mit 8

9 kognitiven Werkzeugen kombinieren ( Workshop). Das bedeutet auch eine Erweiterung der Zeichenarten des RCLs um Bilder, Diagramme und Tabellen und damit eine größere Multicodalität und Multimedialität. Sicherlich werden zukünftig RCLs auch unter einer einheitliche Programmoberfläche mit anderen Medienarten in Lehr-/Lernsystemen integriert werden Mehrwert von RCLs Jedes Physikmedium hat gegenüber anderen Physikmedien Vor- und Nachteile. Hierbei handelt es sich immer um relative Vor- und Nachteile, weil der Vergleich abhängig vom Referenzmedium ist eine vorteilhafte Wirkung eines Physikmediums durch einen inadäquaten Unterrichtseinsatz egalisiert werden kann sich Nachteile eines Physikmediums durch entsprechende Maßnahmen relativieren lassen. Der Tab. 3 ist zu entnehmen, welche Vorteile sich für RCLs gegenüber MCLs durch die "Zwischenschaltung" des Internets zwischen Nutzer und Experiment und durch das Experiment selbst ergeben: Internet Versuch Technologisches Feature des RCL Beliebiger RCL- Standort Ortsunabhängigkeit des Nutzers Zeitunabhängigkeit der Durchführung Steuerung und Teilautomatisierung von Versuchsabläufen Funktionsfähiger Versuch Sicherer Versuch Verbesserter oder neuer Versuch Vorteile gegenüber MCL Durchführung von Messungen globaler Größen mit mehreren RCLs (z. B. Weltpendel) Durchführung von Experimenten in der Schule, zu Hause, in Museen oder Science-Centern Gemeinsame Nutzung teurer RCLs durch mehrere Schulen Lehrer-Demonstrationsexperimente werden zu häuslichen Schüler- Experimenten Durchführung von Experimenten außerhalb vorgegebener Lernzeiten Vereinfachte Versuchsdurchführung Schnelle Durchführung zeitintensiver MCL-Messreihen Wegfall des Versuchsaufbaus und -prüfung durch den Lehrer Ersatz für fehlende oder defekte MCLs Durchführung gefährlicher Versuche mit gefährlichen Strahlungen (Radioaktivität, Röntgenstrahlung, Laserlicht hoher Intensität) Zerstörungsfreier Versuchsaufbau durch eingebaute Begrenzungsmechanismen Versuchsapparatur für präzisere Messungen Erweiterte experimentellen Möglichkeiten gegenüber Versuchsgeräte der Lehrmittelhersteller (z. B. Lichtgeschwindigkeit in Medien) Entwicklung von Non-Standard-Versuchen für die Schule (z. B. optische Pinzette) Kontinuierlicher Übergang zwischen Schul- und Hochschulexperimenten (z. B. Weltpendel, Rutherfordstreuung) Tab. 3: Vergleich von RCL und MCL. 9

10 In Tab. 4 werden mögliche Nachteile von RCLs gegenüber anderen Physikmedien zusammen mit Argumenten und Maßnahmen zu deren Relativierung oder Behebung genannt: Potentieller Nachteil Die umfassende Planung des Experiments, die Beachtung unvorhersehbarer Effekte und der handwerkliche Aufbau stecken bereits im RCL. Immer nur ein Nutzer kann die Kontrolle über ein RCL haben. Der RCL-Versuchsaufbau ist gegenüber einem MCL nicht mehr variabel. Das Bild der WebCam ist von zu geringer Qualität und schnellere Vorgänge lassen sich wegen der begrenzten Datenübertragungsrate nicht beobachten. Der personelle und finanzielle Entwicklungsaufwand ist zu hoch. Gegenargumente und Massnahmen Oberstufenexperimente sind meist Demonstrationsexperimente, die eine Schülerbeteiligung an der Planung, dem Aufbau und der Durchführung aus Zeit- und Gerätemangel oft nur in rudimentärer Form zulassen. Versuchsplanung und Versuchsaufbau können durch eine entsprechende Unterrichtsführung, medialen Darstellungen des Versuchsaufbaus und entsprechende Aufgaben ergänzt werden. Durch die Eigenproduktion von RCLs können Schüler in Kooperation mit anderen Schülern planerische und handwerkliche experimentelle Fähigkeiten erwerben. andere potentielle Nutzer können die Aktivitäten zumindest mitverfolgen ein Buchungssystem für die Reservierung von RCLs über einen bestimmten Zeitraum ist in Planung eine geschickte methodische Planung wie z. B. der Einsatz in einem Lernzirkel lässt den Nachteil nicht zum Tragen kommen. Oberstufenexperimente der Lehrgerätehersteller sind meistens auch nur für das zu gebrauchen wozu sie konzipiert sind. Mit gut geplanten und vielseitig nutzbaren RCLs können variable Versuchsaufbauten zur Verfügung gestellt werden. In der Tat wirkt sich die relativ schlechte Bildqualität bei RCLs in denen Bilder ausgewertet werden (z. B. Beugung und Interferenz, Elektronenbeugung, Ordnung und Unordnung) auf die Messgenauigkeit und die Qualität des RCLs insgesamt negativ aus. Nur relativ langsame Bewegungen (z. B. Öltröpfchen beim Millikan- Versuch) lassen sich übertragen. Die Periodendauer der schnelleren Pendelbewegung beim RCL Weltpendel kann nicht per Hand am PC gemessen werden. Die technologische Entwicklung wird dieses Problem wahrscheinlich in den nächsten Jahren lösen. Für RCLs entstehen gegenüber einem gekauften Versuchsaufbau zusätzliche Entwicklungs- und Materialkosten. Diese relativieren sich aber dadurch, das RCLs von mehreren Schulen intensiver genutzt werden können. Mit Multi-Use-RCLs, die ganze Sachgebiete der Physik abdecken, könnte der teure Kauf einzelner MCL-Versuche überflüssig werden. Tab. 4: Potentielle Nachteile von RCLs, Gegenargumente und Massnahmen Klassifikation als Experiment Schulexperimente lassen sich unter verschiedenen Aspekten wie Sachbegegnung, Organisationsform, Datenaufnahme, Ablaufsform und Unterrichtsphase betrachten. Das hilft die methodischen Möglichkeiten eines Experiments und die Lernanforderungen die das Experiment stellt einzuschätzen. In Tab. 5 werden RCLs unter den genannten Aspekten des Experiments betrachtet: 10

11 Aspekt des Experiments Sachbegegnung bzw. eingesetzte Mittel (Gedankenexperiment, Freihandversuch, Simulationsversuch, Modellversuch, Versuch mit physikalischer Apparatur und Messinstrumenten) RCL Die Mehrzahl der RCLs sind quantitative Versuche und daher Versuche mit physikalischen Apparaturen und Messinstrumenten. Insbesondere können RCLs auch quantitative Modellversuche sein (z. B. Ordnung und Unordnung). Organisationsform (Demonstrationsexperiment, Schülerexperiment) Datenaufnahme (Qualitativer Versuch, quantitativer Versuch) Ablaufsform (Einzelversuch, Parallelversuch, Versuchsreihe) Unterrichtsphase (Einstiegsversuch, Erarbeitungsversuch, Wiederholungsversuch, Kontrollversuch, Hausversuch) Bei RCLs wird die Bindung zwischen quantitativen aufwendigeren Oberstufenversuchen und deren Durchführung durch die Lehrkraft aufgehoben. RCLs sind in dem Sinn Schülerexperiment, dass sie auch von Schülern in der Schule oder zuhause ohne unmittelbare Kontrolle durch den Lehrer durchgeführt werden können. Schüler kommen damit wesentlich intensiver mit fachlichen Fragestellungen und der Art und Weise wie physikalische Erkenntnisse gewonnen werden in Berührung. RCLs sind meist quantitative Experimente, da über die Webcam nur ein ausschnitthaftes Bild indirekt übermittelt wird. Qualitative Versuche leben aber von der unmittelbaren Erfassung durch die Sinne. RCLs verstärken den Eindruck einer bei quantitativen Experimenten im Vordergrund stehenden objektiven Datenaufnahme. Der Schwerpunkt liegt auf der Dokumentation, Verarbeitung, Auswertung und Interpretation von Messdaten. Davon unberührt sind auch qualitative Experimente zur Vorbereitung quantitativer Messungen möglich. Mit RCLs können in der Mehrzahl Versuchsreihen durchgeführt werden, aber auch Einzelversuche. Parallelversuche sind als RCL nicht sinnvoll. RCLs können wie viele MCLs in den unterschiedlichsten Phasen des Unterrichts eingesetzt werden. In welcher Phase das hängt weniger vom Versuch selbst als vom methodischen Gang des Unterrichts ab. Tab. 5: RCLs und Aspekte des Experiments (nach [3]) RCLs zwischen MCL-Simulation und RCL-Vollautomatisation RCLs können zwischen zwei Extremen liegen: Das RCL ist so gestaltet, dass der Nutzer gar nicht unterscheiden kann ob er ein MCL oder ein RCL durchführt. Dieses Extrem ist vielleicht zukünftig durch eine Mensch-Computer-Schnittstelle aus Datenhandschuhen zur Vermittlung von Positionen und haptischen Reizen und einer Videobrille realisierbar. Das andere Extrem ist, lediglich per Mausklick die Durchführung eines Experiments zu starten, die Durchführung vielleicht noch zu beobachten und am Ende die Versuchsergebnisse fertig geliefert zu bekommen. Dieses Extrem erinnert stark an Knopfdruckexperimente in Museen, aber auch an vollständig automatisierte Experimente im Weltraum oder mit Teleskopen. Der Realisation beider Extreme sind wahrscheinlich weniger technologische als finanzielle Grenzen durch Programmierung bzw. Materialaufwand gesetzt. Da die Vollauto- 11

12 matisation eines RCLs aus didaktischen Gründen nicht sinnvoll ist, bleibt nur die Möglichkeit RCLs unter den gegebenen Randbedingungen (Finanzen, Kenntnisse, verfügbare Technolgien, Nutzerfreundlichkeit, usw.) so zu gestalten, dass sie möglichst nahe an der Durchführung eines MCL liegen. Man kann von der Qualität des Bezugs zum MCL (Authentizität) sprechen, die durch folgende Maßnahmen erreicht werden kann: Beobachtungen in Echtzeit Anzeigen von Messwerten auf Messgeräten über WebCams Steuern und verfolgen von Veränderungen in der Position von Verstellelementen ü- ber WebCams Intuitive Bedienung durch entsprechend gestaltetes RCL mit seinem Bedienfeld Verzicht auf automatisierte Auswertung Verzicht auf automatisierte Messung möglichst viele Interaktionsmöglichkeiten 2.9. RCLs im Überblick Tab. 6 gibt einen Überblick zu Eigenschaften der in Kaiserslautern entwickelten RCLs. Es ist angegeben, ob das RCL einem Gebiet der Physik zugeordnet werden kann in der Mehrzahl der Länder-Lehrpläne verankert ist für den Schul- oder Hochschuleinsatz geeignet ist eher ein Multi-Use- oder Single-Use-RCL ist (vgl. 2.2) innerphysikalisch, anwendungs- oder alltagsorientiert ist: RCL Photoeffekt Beugung und Interferenz Gebiet / Lehrplan Quantenphysik / x Wellenoptik / x Schule / Hochschule Multi- / Single- Use / x / x x x / x x / x innerphysikalisch anwendungsorientiert alltagsorientiert Windkanal Mechanik / x x / / x x x x Oszilloskop - / x / / x Elektronenbeugung Millikanversuch Kennlinien von Halbleiterbauelementen Halbleiterphysik / x Quantenphysik / x Atomphysik / x x / x / x x / x / x x x / x / x x Weltpendel Mechanik / x / x / x x x Rutherfordscher Streuversuch Atom- u. Kernphysik / x x / x / x x Optische CT - / x / x / x x x Maut - / x / / x x Radioaktivität Kernphysik / x x / x x / x x Roboter im La- - / / / x x 12

13 byrinth Ordnung und Unordnung Quantenphysik / Optische Pinzette Festkörperphysik / Heißer Draht - / / x / Lichtgeschwindigkeit x / x / x x x x / x x / x x x - / x x / x / x Tab. 6: Eigenschaften von RCLs (x (ja), (nein), - (nicht eindeutig)). In Tab. 7 werden die Experimentiermöglichkeiten durch Angabe der vorgegebenen, mess-, steuer- und ermittelbaren Größen umrissen. Weiterhin ist der spezifische Mehrwert des jeweiligen RCLs beschrieben: RCL Größe ist (A) angegeben, (B) bestimmbar, (M) messbar, (S) steuerbar Spezifischer Mehrwert Photoeffekt Beugung und Interferenz Windkanal Oszilloskop Kennlinien von Halbleiterbauelementen Wellenlänge λ (A,S) Lichtintensität I (S) Gegenspannung U G (M) Austrittsarbeit E A (B) Plancksches Wirkungsquantum h (B) Abstand Beugungsobjekt-Schirm l (A) Spaltabstand d (A,B,S) Spaltbreite b (A,B,S) Wellenlänge λ (A,B) Abstand im Beugungsmuster s (M,B) Verstärkte Spannung U DMS (M) Windgeschwindigkeit v (M,S) Widerstandsbeiwert c w (B) Luftreibungskraft (B) Signalart (S) Signalfrequenz (M) Signalamplitude (M) Triggerlevel (S) x-position (S) y-position (S) y-verstärkung (S) Zeitablenkung (S) Halbleiterbauelement (S) Messschaltung (S) Kennlinie (M) Stromstärke in Schaltung I S (M) Spannung in Schaltung U S (M) Gleichspannung in Schaltung U (S) Ersatzexperiment bei defekter Photozelle Messung mit 5 anstatt von 3 Filtern einfache und schnelle Versuchsdurchführung Überzeugender Nachweis der Intensitätsunabhängigkeit der Elektronenenergie Komfortable Beobachtung des Übergangs zwischen Spalt und Gitter Durchführung systematischer Parameteränderungen zur Gewinnung oder Bestätigung der Beugungsformel hoher Alltagsbezug kostenloser Windkanal c w -Wertmessung an realen Modellobjekten forschungsorientiert Ersetzt teures Oszilloskop ersetzt fehlende Gerätesätze für Schüler Motivation für Schüler kompliziertes Messinstrument zu bedienen Direkter Kennlinienvergleich der Bauelemente Durch schnelle Messmethode (keine Aufnahme von Einzelwerten) steht die Interpretation der Kennlinien im Vordergrund 13

14 Elektronenbeugung Millikan- Versuch Weltpendel Rutherfordscher Streuversuch Optische Pinzette Optische CT Maut Radioaktivität Streumaterial (A) Abstand Graphitfolie- Fluoreszenzschirm L (A) Ringdurchmesser D (M,B) Netzebenenabstand d (A,B) Beschleunigungsspannung U B (M) Planksches Wirkungsquantum h (B) Öldichte ρ Öl (A) Plattenabstand d (A) Luftviskosität η Luft (A) Luftdichte ρ Ö (A) Skalenteilenabstand s (A) Kondensatorspannung U (M) Steigzeit t Steig (M) Fallzeit t Fall (M) Steiggeschwindigkeit v Steig (B) Fallgeschwindigkeit v Fall (B) Elementarladung e (B) Kugelmasse m K (A) Kugelradius r K (A) Drahtlänge l D (A) Auslenkwinkel α 0 (B) Schwingungsdauer T (M) Dämpfungskonstante δ (B) Erdbeschleunigung g (B) Streumaterial/Kernladungszahl Z (S,A,B) Messzeit t (S) Zerfälle N (M) Zählrate dn/dt (B) Detektorwinkel (S) Bildauflösung (S) Winkelauflösung (S) Modellobjekt (S) Mathematischer Filter (S) Scanbereich (A) Schichtaufnahme (M) Fahrzeugidentifikationsnummer (M) Rundenzahl n (M) Strahlungsart (A,S,B) Messzeit (S, M) Zerfälle N (M) Zählrate dn/dt (B) Zerfallskonstante λ (B) Abstand Quelle-Detektor (S,A) Magnetfeldrichtung (S,A) Magnetaktivierung (S,A) 14 Klassisches Demonstrationsexperiment wird zum Schülerexperiment Gewinnung statistischen Datenmaterials durch die Schüler Geplante globale Datenbank Ermüdungserscheinungen der Augen entfallen auch große Schülergruppen können Öltröpfchenbewegung verfolgen Messung eines globalen Effektes Vielfältige inhaltliche Bezüge zu Gravitation, Schwingungen, Trägkeitsmoment und Kreisbewegung Vernetzung durch Internet Historisch bedeutsamer Versuch der Atom-/Kernphysik In wenigen Schulen verfügbar Hohe Winkelauflösung Streumaterialwechsel ohne belüften zu müssen Schulische Verfügbarkeit eines derartigen Experiments Faszination der Kraftausübung durch Licht Vielfältige inhaltliche Bezüge zu Mathematik, Informatik, Biologie, Physik und Medizin Neues reales Modellexperiment der CT Modellexperiment zum Verständnis eines modernen technischen Systems Selbstbau-Projekt für Schüler Gefahrloses Experimentieren mit radioaktiver Strahlung durch Schüler und Lehrer Multi-Use-RCL das Großteil des Themengebiets Radioaktivität abdeckt

15 Roboter im Labyrinth Ordnung und Unordnung Heißer Draht Lichtgeschwindigkeit Absorbtionsmaterial (S,A,B) Detektorwinkel α (S,A) Absorberdicke d (A,B) Schwächungskoeffizient µ (B) Halbwertsdicke d 1/2 (B) Bewegungsrichtung (S) Roboterdrehung (S) Drahtschlaufenpostion (S) Drahtschlaufenorientierung (S) Signallaufzeit t (M) Abstand Diode-Spiegel (M) Lichtgeschwindigkeit c (B) Spielerischer Zugang zur Remote- Technik Optisches Modellexperiment zu einem bisher in der Schule nicht behandelten Thema Anwendung der Wellenoptik Spielerischer Zugang zur Remote- Technik Selbstbauprojekt für Schüler Ersatzexperiment für Foucaultschen Drehspiegelversuch zur schnellen Messung der Lichtgeschwindigkeit Einfaches Messprinzip Elektronisches Modellexperiment für Lichtgeschwindigkeitsbestimmung nach Fizeau Tab. 7: Experimentiermöglichkeiten und spezifischer Mehrwert der RCLs 3. Literatur [1] Altherr, S., Vetter, M., Eckert, B. & Jodl H.-J. (2005): Experimentieren aus der Ferne Ferngesteuertes Labor im Internet (Remotely Controlled Laboratory RCL). PdN-PhiS 6/54, [2] Duit, R., Häußler, P. & Kircher, E. (1981): Unterricht Physik. Köln: Aulis. S [3] Kircher, E., Girwidz, R. & Häußler, P. (2001): Physikdidaktik - Eine Einführung. Berlin, Heidelberg, New York: Springer. S [4] Mikelskis, H. F. (Hrsg.) (2006): Physikdidaktik - Praxishandbuch für die Sekundarstufe I und II. Berlin: Cornelsen. S