Augmented Reality im Physikunterricht
Eine zukunftsträchtige Anwendung für den Einsatz digitaler Medien in der Ausbildung ist die "Virtual und Augmented Reality”. Sie schafft Möglichkeiten (z.B. im Fach Physik die Visualisierung von physikalischen Modellvorstellungen), fachliche Inhalte auf eine vollkommen neue Art und Weise zu vermitteln. Durch die Verknüpfung von Realobjekten mit zusätzlichen digitalen Informationen verringert sich der Abstraktionsgrad zur Modellbildung, wodurch auch Fehlvorstellungen entgegengewirkt werden kann.
Digitale Medien sind in der heutigen Gesellschaft in allen Bereichen der Berufswelt vertreten. Dieses Bild spiegelt sich im momentanen Schulalltag bzw. der universitären Lehrerausbildung jedoch nicht wider. Um auf diese Entwicklung ausreichend zu reagieren, ist es daher notwendig, den Einsatz digitaler Medien bereits im Schulunterricht oder innerhalb eines Studiums zu erlernen bzw. als Lehrkraft (möglichst kostenfrei) Zugang zu didaktisch wertvollen Materialien zu besitzen.
PUMA (Physik-Unterricht Mit Augmentierung)
Um dieser Situation Rechnung zu tragen, haben wir an unserem Lehrstuhl das Projekt PUMA ins Leben gerufen. PUMA steht für „Physik-Unterricht Mit Augmentierung“ und hat zum Ziel, AR-Apps für verschiedene physikalische Gebiete zu konzipieren und zu testen. Diese Apps werden im Anschluss an die Evaluationsphase kostenfrei für die Nutzung im Physik-Unterricht zur Verfügung stehen.
Aktuell gibt es folgende Apps: Spannungslabor, Magnetlabor und Optiklabor.
PUMA: Spannungslabor
Die Applikation „PUMA : Spannungslabor“ unterstützt Lernende in der Entwicklung eines korrekten Konzeptwissens zur Elektrizitätslehre. Dafür werden zu von den Lernenden durchgeführten Experimenten passende Modellvorstellungen zum elektrischen Stromkreis dargestellt.
So können am Experiment gemachte Beobachtungen (z.B. die Helligkeit eines Lämpchens) einfacher und intuitiver mit ihrer physikalischen Ursache (z.B. der Intensität des Elektronenflusses durch das Lämpchen) verknüpft werden. Die Applikation bietet die Möglichkeit, entweder die Modellvorstellungen per Augmented Reality (AR) über einen realen Stromkreis zu projizieren oder in einer Simulation einen virtuellen Stromkreis zu erstellen und mit den Modellvorstellungen anzureichern.
PUMA: Magnetlabor
Die Applikation "PUMA : Magnetlabor" stellt eine Rahmenapp für verschiedene Experimentierstationen eines Lehr-Lern-Labors dar. Für die sechs verschiedenen Stationen kann jeweils die zu bearbeitende Szene ausgewählt werden. Die App dient hauptsächlich dazu Magnetfelder und atomare Strukturen des Versuches anzuzeigen. Mittels automatisch ablaufender Animationen kann die innere Logik der verschiedenen Prozesse und deren Abhängigkeiten direkt gezeigt werden. Manche Szenen lassen Interaktionen mit dem Realversuch zu.
Die Augmentierung der Magnetfelder für das Realexperiment ist für den Elektrik 2 Kasten der Firma MEKRUPHY optimiert. Die Bauteile müssen mit QR-Codes beklebt werden, sodass die App die Bauteile erkennen kann. Die Targets können Sie hier herunterladen. Hierzu die pdf-Datei ausdrucken (Drucker auf 100% stellen), die QR-Codes ausschneiden und am besten mit einem transparenten Klebefilm auf die beschriebenen Bauteile und Positionen kleben.
Die App ist Teil einer Promotionsarbeit am Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik und kann als Ergänzung von Realexperimenten eingesetzt werden. Sie wird zur Untersuchung des Einflusses von AR auf verschiedene Parameter des kognitiven Lernprozesses genutzt. Es ist in Planung, Realdaten aus dem Versuch via Bluetooth einzubinden, sodass die Verknüpfung zwischen Experiment und Virtualität gestärkt wird.
PUMA: Optiklabor
Trotz reichlich Bemühungen, die Optiklehre des Physikunterrichts der Sekundarstufe 1 anschaulich zu gestalten, fehlt (zu) vielen Schülerinnen und Schülern der Durchblick. Hartnäckig halten sich Schülerfehlvorstellungen wie „das Spiegelbild liegt auf dem Spiegel“ oder auch „der Linsendurchmesser bestimmt die Bildgröße“. Diesen möchte das „PUMA : Optiklabor“ entgegentreten und anhand einiger Unterrichtsbausteine und einer eigens entwickelten, webbasierten Augmented Reality Simulation Lehrkräften ein Werkzeug an die Hand geben, Modellvorstellungen eingängiger zu schulen und besser vorstellbar zu machen. Die Entwicklung folgt dabei dem „Design Based Research“ (DBR) – Ansatz. Im Fokus der Studie steht neben der Praxistauglichkeit der App und des Unterrichtsmaterials das Wirken von WebAR auf die Präkonzepte und die Veränderung der Fehlvorstellungen durch kurze, gezielte Übungen mit einer AR-Simulation. Die teilnehmenden Lehrkräfte setzen die Materialien dabei in ihrem laufenden Unterricht ein.
Es gibt inzwischen viele Projekte, bei denen AR in der Lehre eingesetzt wird. Klassischer Weise wird hierbei ein Realexperiment durchgeführt und durch Einblendungen mit virtuellen Zusatzinformationen angereichert. Das PUMA : Optiklabor verfolgt hierbei einen anderen Weg, den man als AR-Simulation bezeichnen kann. Dabei spielt sich das ganze Experiment im virtuellen Raum ab, während das haptische Erleben erhalten bleibt. Herkömmliche AR-Anwendungen erfordern die Installation einer nativen App. Die damit einhergehenden Schwierigkeiten stellen insbesondere beim spontanen Einsatz in der Schule eine nicht zu unterschätzende Hürde dar. Daher setzt das PUMA : Optiklabor auf den Einsatz von Webtechniken. Wie eine Website wird die Applikation im Browser geöffnet und steht mit minimalem Aufwand zur Verfügung. Dies erhöht die Einsatzfähigkeit der Applikation immens, da wenig Speicherplatz und keine Installationsrechte benötigt werden. Die App erfasst sogenannte "Marker" die auf den Tisch gelegt werden. Anhand dieser Markierungen positioniert die Anwendung virtuelle Geräte wie Mehrfach-Laser-Boxen, Linsen oder auch Objekte wie Erde, Mond und Sonne. Die Positionierung erfolgt per Hand auf dem Tisch, die Bedienung über das Display des mobilen Endgeräts.
Zu den Markern wurden kleine Unterrichtseinheiten konzipiert, die sich wie kleine "Snacks" in den eigenen Unterricht integrieren lassen. Das konkrete Einsatzszenario wird seitens der Studie nicht vorgegeben, sondern bewusst der Lehrkraft überlassen und dokumentiert. So ergeben sich Möglichkeiten in der Erarbeitung oder auch Vertiefung von Fachinhalten, der Hausaufgabe sowie der Vor- und Nachbereitung von Stunden und Leistungsnachweisen.
Induktion AR
InduktionPiDAR ist ein AR-Applikation zum Thema Induktion. Sie ist einem realen Experiment mit einem Stabmagneten und einer Spule nachempfunden. Über deren relative Bewegung kann in der Spule eine Induktionsspannung erzeugt werden. Die Position der Spule wird in der App über einen Marker festgelegt, die Position des Magneten ergibt sich über die Position des mobilen Endgeräts. Bewegt man also z.B. das verwendete Tablet bezüglich des Markers, bewegt sich der Magnet bezüglich der Spule und induziert eine (virtuelle) Induktionsspannung.
Der Nachweis dieser Spannung erfolgt in der App wahlweise über die Anzeige an einem Drehspulinstrument oder einem Oszillographen. Zusätzlich leuchtet abhängig von der erzeugten Induktionsspannung eine Glühlampe auf.
Veränderbare Parameter sind die Windungsanzahl der Spule sowie die Anzahl der verwendeten Stabmagnete. Zusätzlich zur links-rechts bzw. oben-unten Bewegung des Magneten kann dieser auch im Raum rotiert werden. Weiterhin ist es möglich eine dreidimensionale Visualisierung des magnetischen Felds des Stabmagneten einzublenden.
Zur Verwendung der App können sie hier den QR-Code herunterladen.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dr. Christoph Stolzenberger.
