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Archiv für die Kategorie „Lehrbuch der Zukunft“

Lehrszenario mit mobilen Apps: Federkonstante mittels akustischer Signale ermitteln

Sonntag, 3. Februar 2013

Ein drittes, sehr kreatives, Lehrszenario zur Nutzung von Smartphones und Tablets im Unterricht, haben sich weitere Studierende der Lehrveranstaltung »Multimediale Lernumgebungen« ausgedacht. Den klassischen Versuch, die Federkonstante zu bestimmen haben sie so abgewandelt, dass ein an der Feder auf und ab schwingendes Mikrofon die Signale eines darunter liegenden Sinuston-Generators aufnimmt. Zur Analyse der Periodendauer einer Schwingung wird die durch die Schwingung verursachte Veränderung der Lautstärke des Signals nutzbar gemacht. Zum Einsatz kommen hier die Apps Signalscope als Tongenerator und die App iAnalyzer zur Auswertung der akustischen Daten. Alle verwendeten Apps wurden auf der Learners´ Garden Plattform beschrieben und verlinkt. Dieses Szenario ist Teil einer Reihe von Lehrszenarien zu denen auch die Szenarien zur Fallbeschleunigung gehören: „Atwood´sche Fallmaschine“ , „Der schiefe Wurf“.

    

Schwingende Feder
Die Untersuchung der Eigenschaften einer schwingenden Feder hat viele Aspekte. Hier geht es darum festzustellen, welcher Zusammenhang besteht, zwischen der Periodendauer, mit der die Feder schwingt und der Masse, die an ihr hängt. Zur Messung der Periodendauer soll ein mitschwingendes Mikrofon einen konstanten Sinuston aufzeichnen.

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Sinuston generieren
Dazu wird an der Feder, neben der Masse, das Mikrofon befestigt. Hier: das im Kabel des Kopfhörers integrierte Mikrofon eines iPhones. Unter der schwingenden Masse wird ein Aktivlautsprecher positioniert, der einen Sinuston ausstrahlt. Der Sinuston wird durch die App Signalscope an einem iPad erzeugt, das mit dem Aktivlautsprecher verbunden ist.

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Signal aufzeichnen
Das Mikrofon ist an ein weiteres iPad angeschlossen, auf dem die App iAnalyzer aktiv ist. Die Feder wird in Schwingung versetzt, das Mikrofon eingeschaltet und das Signal wird einige Sekunden lang aufgezeichnet. Durch scrollen durch den aufgezeichneten Sample per touch, lassen sich millisekundengenau die Peaks des Samples ermitteln und damit die Periodendauer der Schwingung.

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Verschiedene Massen
Die Ermittlung der Periodendauer auf diese Art wird für unterschiedliche Massen durchgeführt. Nach auswechseln der anhängenden Masse und Protokollierung der gemessenen Daten wird die nächste Messung mit der jeweils nächsten Masse durchgeführt.
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Mögliche Zusammenhänge
Bei Vorliegen aller Daten werden verschiedene mögliche Zusammenhänge zwischen Periodendauer und Masse aus den gemessenen Daten errechnet, z.B:
          formeln

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Proportionaler Zusammenhang
Beim Durchrechnen wird irgendwann auffallen, dass der Wert

            tvm
unabhängig vom Gewicht der Masse, konstant bleibt. Dadurch wird ersichtlich, dass bei der Federschwingung das Quadrat der Periodendauer proportional ist zur Masse.

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Graph
Diesen Zusammenhang stellen die Schüler anschließend graphisch dar, indem sie das Quadrat der Periodendauer über der Masse in einem Koordinatensystem abtragen und dort die abgeleiteten Werte eintragen. Es ergibt sich eine Gerade, die den proportionalen Zusammenhang auch graphisch anschaulich macht.

 

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Lehrszenario: Videoanalyse Fallbeschleunigung an der Atwood´schen Fallmaschine

Samstag, 2. Februar 2013

Das zweite Lehrszenario, das Lehramtsstudierende im Rahmen unserer Lehrveranstaltung „Multimediale Lernumgebungen“ entwickelt haben, zeigt einen weiteren Weg, die Fallbeschleunigung zu bestimmen. Auch hier kommt die Videoanalyse-App “Vernier Video Physics” zum Einsatz. Der freie Fall wird an der Atwood´schen Fallmaschine abgebremst und dadurch für die Videoanalyse leichter analysierbar. Das Szenario, in dem die Fallbeschleunigung beim schiefen Wurf ermittelt wurde, wird im ersten Blogbeitrag dieser Serie beschrieben. Alle untersuchten Apps finden sich auf der Learners´Garden Plattform .

    

Bestimmung der Fallbeschleunigung
Mit der Atwood´schen Fallmaschine lassen sich die Gesetze der gleich – mäßig beschleunigten Bewegung nachweisen. In diesem Experiment geht es um die Bestimmung der Fallbeschleunigung g. Die schwere Masse m sorgt für die Beschleunigung während die Gesamtmasse 2 x M + m beschleunigt wird.

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Kalibrieren und filmen
Um möglichst genaue Messdaten zu erhalten, wird parallel zur Kameraebene des iPads ein Meterstab ins Bild gesetzt, der Koordinatenursprung in der App festgelegt und die App bezogen auf den abgebildeten Meterstab kalibriert.

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Schrittweise markieren
Nach der Aufnahme kann der Fall der Masse am iPad Bild für Bild zeitsynchron dargestellt werden. Mit dem Finger markieren die Schüler in jedem Einzelbild der Sequenz die genaue Position der fallenden Masse. Die App generiert aus diesen Informationen einen Graphen, der die Grundlage bildet für die weiteren Berechnungen.

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Ableiten und berechnen
Aus dem Weg-Zeit-Diagramm wird mit der App das Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm abgeleitet. Aus der Steigung der darin sichtbaren Geraden und der folgenden Formel lässt sich schließlich die Fallbeschleunigung g berechnen.
Newtonsches Gesetz: F = m x a

(2 x M + m) x a = m x g

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Diskutieren und auswerten
Die Graphen der Messungen der Schülerinnen und Schüler werden an das Smartboard übertragen und dort gemeinsam ausgewertet.

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Jetzt als Open Access Artikel: Didaktische Funktionen des Lehrbuchs der Zukunft

Samstag, 19. Januar 2013

Der Artikel zum bereits im März 2012 gehaltenen Vortrag: „Didaktische Funktionen des Lehrbuchs der Zukunft“ ist jetzt online und über das Open Access Journal Phydid B verfügbar. Hintergrundinformationen zum Kontext und den Foliensatz habe ich im Blog Artikel zu diesem Thema bereits publiziert.

Der Artikel auf Crocodoc:

Zitationsweise:
Neuhaus, W., Kirstein, J., & Nordmeier, V. (2012). Didaktische Funktionen des Lehrbuchs der Zukunft. In Phydid B – Didaktik der Physik – Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung, 2012. Berlin: Freie Universität Berlin – AG Nordmeier.

  • Download des Artikels über das Open Access Journal Phydid B
  • Didaktische Funktionen des Lehrbuchs der Zukunft

    Samstag, 17. März 2012

    Mein Vortrag auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft widmet sich dieses Jahr den didaktischen Funktionen des Lehrbuchs der Zukunft. Anhand von konkreten Beispielen versuche ich hier einen Überblick zu geben über die ersten Ergebnisse unserer Fokusgruppengespräche im Rahmen des TET-Projekts.

    Foto: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit mit zwei iPads

    In unseren Gesprächen und Untersuchungen haben sich bisher drei Grundfunktionen des Lehrbuchs der Zukunft herauskristallisiert:

  • Experimentierkasten, um Phänomene in der Umwelt, sowie von theoretisch beschriebenen Wissenselementen erfahrbar zu machen
  • Schnittstelle für Kommunikation und Austausch
  • Sammlungsort für die persönliche Externalisierung von Wissen (Portfoliofunktion für Schüler und Lehrer)
  • Besonders spannend für den Unterricht in naturwissenschaftlichen Fächern ist die Möglichkeit, mit dem Lehrbuch der Zukunft direkt Messungen, Untersuchungen und Auswertungen durchzuführen. Lehramtstudierende unserer Universität haben diese Möglichkeiten mit Hilfe von Apps aktueller mobiler Endgeräte (Galaxy-Tab, Ipad, Iphone) untersucht.

    So wurde z.B. auf den Fluren unserer Uni die Geschwindigkeit des Schalls ermittelt, indem die Mikrofone von zwei iPads in exakt 10 Meter Entfernung auf den Boden gelegt wurden. Mit einem Klangholz wurde genau in der Mitte auf der 5-Meter-Marke ein Synchronisierungs-Klick erzeugt und dann hinter den iPads ein weiterer Klick. Diese Klicks wurden von beiden iPads aufgezeichnet.

    Foto: Auswertung der Messungen zur Schallgeschwindigkeit

    Die hohe Auflösung des eingesetzten Sound-Editors (WavePad) ermöglichte es, den zeitlichen Abstand der beiden Klicks exakt darzustellen. Aus der zeitlichen Differenz zwischen den Messungen der beiden iPads können die Lernenden dann die Geschwindigkeit des Schalls (Geschwindigkeit = Weg/Zeit) relativ genau ermitteln. Dieses Experiment lässt sich genauso auch mit Smartphones auf Basis von Android oder IOS-Systemen durchführen.

    Interessant ist hier z.B. auch das Projekt zur Ermittlung der Federkonstante: Ein Galaxy-Tab mit laufender App, die die Daten des eingebauten Bewegungssensors ausliest, wurde an die Feder gehängt und in vertikale Schwingung versetzt.

    Foto: Experiment mit dem Galaxy-Tab zur Ermittlung der Federkonstanten

    Die ermittelten Daten wurden anschließend an eine Excel-Tabelle übergeben. Sie konnten dann von den Studierenden grafisch veranschaulicht und ausgewertet werden. Aus den Abständen der jeweiligen Peaks der so entstandenen Sinus-Kurve lässt sich der Mittelwert ermitteln und daraus relativ exakt die Federkonstante berechnen.

    Auch die Portfoliofunktion und die Kommunikationsfunktionen werden in diesem Vortrag beleuchtet. Hier der komplette Foliensatz:

    Über weitere Anregungen und Ideen von Euch zu diesem Thema würde ich mich freuen.

  • Download des Artikels über das Open Journal System von Phydid
  • Demonstrator: Werkzeugset für ein Schulbuch der Zukunft

    Samstag, 10. März 2012

    Interaktives Werkzeugset für die Schule from Tobias Precht on Vimeo.

    Eine Bachelor-Arbeit von Tobias Precht und Jonas Kimmelmann an der Hochschule für Gestaltung Schwäbisch Gmünd.

  • Homepage Tobias Precht
  • Homepage Jonas Kimmelmann

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