Schallanalyse mit modernen Methoden Lernen an Stationen

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1 Thema: Schallanalyse mit modernen Methoden Lernen an Stationen StRef. Torsten Frömmichen Gewerbliche und Hauswirtschaftliche Schulen Emmendingen

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3 Inhalt 1. Einführung 2. Konzeption 3. Durchführung 4. Auswertung 5. Ausblick StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 3

4 1. Einführung Zielgruppe: - TG 12, Leistungskurs, 20 Schüler; Thematische Einordnung: - Schwingungen und Wellen; - Kenngrößen harmonischer Schwingungen; - Ausbreitung, Reflexion und Überlagerung von Wellen; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 4

5 1. Einführung Zielsetzung: - Anwendungsbezug; - Anwendung moderner Technologien; - Anwendung moderner Signalanalysemethoden; - Fächer übergreifende Themenstellung; - Textverständnis; - Förderung der sozialen Kompetenz; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 5

6 1. Einführung Zielsetzung insbesondere: Schallentstehung; Schalleigenschaften; Mess- und Analysemethoden; Klanganalyse; Schallwahrnehmung; Tonspeicherung und wiedergabe; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 6

7 1. Einführung Experimentelle Voraussetzungen: - Klassische und modernere Experimente; - TI92plus; - LabPro Datalogger, LoggerPro -Software; - Computer, Soundkarte; - Programm zur Messwertaufnahme und auswertung: Goldwave ( StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 7

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10 2. Konzeption Unterrichtsmethode: - Lernen an Stationen als eine Form des handlungsorientierten Unterrichts; - Wahl- und Pflichtstationen; - Textlektüre und Experimente; - Bearbeitung von Arbeitsblättern; - anschließende Aufarbeitung im Unterricht erforderlich; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 10

11 2. Konzeption Wichtige Quellen Schmidt; : Werkstattunterricht zum Thema Porath Physik und Musik ( Pierce: Klang: Musik mit den Ohren der Physik Spektrum, Akademischer Verlag Kadner: Akustik in der Schulphysik Praxis Physik Bd. 51, Aulis StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 11

12 2. Konzeption: obligatorische Stationen Akustische Schwingungen und Wellen Monochord Stehende Wellen, Schallgeschwindigkeit Interferenz, Schallgeschwindigkeit Schwingungen, Schwebungen Fouriersynthese und analyse E V V V V V T StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 12

13 2. Konzeption: zusätzliche Stationen 7 Sinuswellen und Resonanz 8 Ohren zum Hören 9 Gehör 10 Gitarre 11 Zahnrad- und Lochsirene 12 Oberwellengenerator 13 Tonträger 14 Soundkarte 15 Signalanalyse T T V V V V V V V StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 13

14 3. Durchführung - Station 1 Ziele: Schwingungseigenschaften von Schallsignalen; Schallerzeugung; Tonhöhe, Tonbezeichnung, Einflussgrößen; Welleneigenschaften, Schallgeschwindigkeit; Umsetzung: Textlektüre: Periodizität, Tonhöhe und Wellen; Versuche: Wellenmaschine, Stimmgabel, Magnetwellenbahn, schwingende Saite StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 14

15 Station 3: Kundtsches Rohr stehende Wellen, Longitudinalwellen; Bestimmung der Schallgeschwindigkeit; Reflexion am festen und offenem Ende StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 15

16 3. Durchführung Station 4 Ziele: konstruktive und destruktive Interferenz; Schallgeschwindigkeit; Umsetzung: Interferenzrohr nach Quincke; Hören der Interferenz über Lautstärkeschwankungen StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 16

17 3. Durchführung Station 5 Ziele: Schwingungen und Schwebungen; Zusammenhang zwischen Experiment und Simulation f1 + f2 f1 f2 sin( 2πf1 ) + sin(2πf 2) = 2sin(2π )cos(2π 2 2 ) Umsetzung: zwei gegeneinander verstimmte Stimmgabeln LabPro-Datalogger, Mikrofon, TI92plus, Software datamate StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 17

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19 3. Durchführung Station 6 Ziele: Fouriersynthese und analyse; Berechnung von Fourierkoeffizienten; Möglichkeit der Datenkompression (mpeg layer 3); Umsetzung: Darstellung und Simulation von Signalverläufen; TI92plus; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 19

20 3. Durchführung Station 6 StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 20

21 3. Durchführung Station 7 Sinuswellen und Resonanz Textlektüre; Grundlagen zu Wellen, Fourieranalyse; Frequenzspektren von Klängen; Station 8 Ohren zum Hören Textlektüre; Physikalische und psychoakustische Aspekte des Gehörs; Physiologie des Ohres; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 21

22 3. Durchführung - Station 13 Tonträger Tonspeicherung und Schallentstehung; Text zur Speicherung auf CD; Funktionsuntersuchung eines Einfachstplattenspielers; Station 11 Zahnrad- und Lochsirene Geräuschentstehung und -analyse; Periodizität, Signalcharakteristik; Messung mit TI92plus, LabPro Datalogger, Mikrofon; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 22

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24 3. Durchführung Station 12 Oberwellengenerator Fouriersynthese; Bildung von Signalformen durch Überlagerung von Oberschwingungen; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 24

25 3. Durchführung Station 14 Ziele: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit aus Laufzeitdifferenz; Bestimmung von Signalparametern; Rauschbandbreite; überlagerte Signale und Darstellungsarten; Signalerzeugung am Computer; Umsetzung: PC + Soundkarte + Goldwave; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 25

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28 3. Durchführung Station 15 Signalanalyse Fourieranalyse von Sprach- und Tonsignalen; Grundlagen der Spracherkennung am Beispiel von Vokalen; Zeit- und Frequenzdarstellung von Signalen; LabPro-Datalogger, LoggerPro-Software; Computer gestützte Datenaufnahme; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 28

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30 Analyse des Vokals a StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 30

31 Analyse des Vokals i StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 31

32 2500 Formanten (F1 - F2) 2000 i e 1500 F a 500 u o F1 StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 32

33 Frequenzspektren der Laute o und u StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 33

34 4. Auswertung Beobachtungen bei der Durchführung intensive experimentelle Beschäftigung und Auseinandersetzung (auch) mit den Texten; großes Interesse; anfangs Probleme mit der Zeiteinteilung; Wechsel des Lernortes wegen Geräuschentwicklung; z.t. relativ hoher Interventionsbedarf; freie und wechselnde Gruppeneinteilung; viele Stationen bieten Möglichkeiten zur vertieften Auseinandersetzung; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 34

35 4. Auswertung Bearbeitungsergebnisse Ergebnisse der Arbeitsblätter insgesamt befriedigend; relativ hohes Anforderungsniveau; beste Ergebnisse in Stationen 7, 4, 6, und 3; Station 10 nicht belegt; Stationen 12 und 14 wurden als schwierig empfunden; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 35

36 4. Auswertung Bewertung durch Schüler (Fragebogen) mehr als zwei Drittel der Schüler hatten Spaß oder viel Spaß bei der Bearbeitung; fast 70% glaubten mit dem Inhalt viel anfangen zu können; mehr als 85% wünschten weitere Behandlung im Unterricht; Art der Unterrichtsform bisher wenig praktiziert; StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 36

37 Bewertung durch Schüler Anzahl Nummer der Station StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 37

38 5. Ausblick viele Ansätze für den weiteren Unterricht; keine klare Präferenz für eine bestimmte Versuchsform zu erkennen; moderne Messmethoden ermöglichen es, schnell zu vertieften Erkenntnisse zu kommen bei z.t. relativ geringem Aufwand; mit hohem Anwendungsbezug und Lebensnähe. StRef. Torsten Frömmichen GHS Emmendingen 38