Spezifisches Methodenrepertoire der Physik Computerunterstützte Messwerterfassung und -auswertung im Schülerpraktikum ZPG Physik - Modul II Spezifisches Methodenrepertoire der Physik Michael Renner, Dezember 2010

Gliederung I. Vortrag 40 min II. Workshop 30 min 1. Bezug zum Bildungsplan und Ziele 2. Begründung des Vorgehens 3. Lehrgang und Skript 4. Bezugsquellen II. Workshop 30 min III. Abschlussrunde 10 min

Kompetenzen und Inhalte Bildungsplan 2004 Kompetenzen und Inhalte

Spezifisches Methodenrepertoire der Physik Klasse 10 Die SuS können computerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertesysteme im Praktikum unter Anleitung einsetzen. Klasse 12 Die SuS können computerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertesysteme im Praktikum selbstständig einsetzen. Bezug zum Bildungsplan

Bezug zum Bildungsplan Ziele der Arbeit  Kompetenzerwerb (Berührungsängste abbauen)  Bereitstellung direkt im Unterricht einsetzbaren Unterrichtsmaterials in Form eines konkreten Umsetzungsbeispiel  Ideen und Vorschläge Bezug zum Bildungsplan

Begründung des Vorgehens Messwerterfassungssystem – Experimentiermaterial – Versuche

Messwerterfassungs- und Auswertesystem Entscheidung beispielhaft für ein Messwerterfassungs- und Auswertesystem Pocket-CASSY („Schüler-CASSY“) Software: CASSY-Lab Begründung: Langjährige Erfahrungen im eigenen Unterricht und der Referendarsausbildung Universelle Einsetzbarkeit: Physik, Chemie, Biologie, NwT Bereits an vielen Schulen im Einsatz Zuverlässigkeit, Bedienerfreundlichkeit, Erlernbarkeit Softwarepflege Begründung des Vorgehens

Begründung des Vorgehens Pocket-CASSY 1 Analogeingang Auflösung: 12 Bit Abtastrate: max. 7.800 Werte/s Anzahl Messwerte: prakt. unbegrenzt 2 Timereingänge Zählfrequenz: max. 10 kHz Zeitauflösung: 1 µs Messzeit zwischen zwei Ereignissen: min. 100 µs Speicher: max. 2.500 Zeitpunkte/Eingang 6 Digitaleingänge und 3 Digitalausgänge Begründung des Vorgehens

Begründung des Vorgehens Software CASSY Lab CASSY Lab Neue Software: CASSY Lab 2 Download im Internet Ohne Anschluss von CASSY-Hardware unbegrenzt nutzbar für Auswertungen Für Schüler daheim nutzbar! Für Messungen 20mal nutzbar. Vielzahl vorgefertigter Messbeispiele Begründung des Vorgehens

Sensoren und Experimentiermaterial Wer soll das bezahlen, wer hat soooo viel Geld…? Begründung des Vorgehens

Sensoren und Experimentiermaterial Aus Kostengründen: Einsatz möglichst weniger Sensoren UIP-Sensor Lux-Sensor (Ultraschall-Bewegungssensor, Kombi-Lichtschranke mit Speichenrad, Magnetfeldsensor) Experimentiermaterial aus der Sammlung Begründung des Vorgehens

Ausstattung eines Schülerarbeitsplatzes 1 Laptop mit Software CASSY Lab 1 Pocket-CASSY 1 Sensor oder mehrere Sensoren Weiteres Experimentiermaterial Begründung des Vorgehens

Überblick über die Versuche Übliche Schülerversuche, nun mit CASSY U-I-Kennlinien von Geräten Entladevorgang eines Kondensators Versuche aus dem Unterricht, nun als Schülerversuche mit CASSY Einschaltvorgang einer Spule Elektromagnetischer Schwingkreis Schwingung eines Federpendels Interessante Anwendungen Einschaltvorgang eines Glühlämpchens Induktion durch einen rotierenden Magneten Induktion und freier Fall Interessante Anwendungen im erweiterten Kontext Energiesparlampen Betrieb einer LED Lichtsensor Begründung des Vorgehens

Andere Messwerterfassungssysteme Alle Versuche sind auch mit anderen Messwerterfassungssystemen durchführbar. Das Skript sowie der Lehrgang müssen jedoch entsprechend angepasst werden. Beispiele für andere Messwerterfassungs- und auswertesysteme: LPE-Vernier: LabPro, LabQuest, … Conatex: Pasco XplorerGLX, Pasco SPARK, … Phywe: Cobra4 Begründung des Vorgehens

Lehrgang und Skript Idee und Aufbau

Didaktische Begründung Experimentelle Fertigkeiten und Fähigkeiten der SuS – Umgang mit der Hardware Auseinandersetzung mit der Software zur Erfassung und Auswertung der Messwerte Hilf mir, es selbst zu tun. (M. Montessori) Lehrgang und Skript

   Aufbau des Lehrganges Schritt: Selbstständiges Kennenlernen der Software unter Anleitung Messwertaufnahme und Auswertung der Messwerte zunächst unter Anleitung, danach mit mehr Selbstständigkeit und steigendem Schwierigkeitsgrad Selbstständiges Experimentieren und Auswerten unterrichtsbegleitend oder im Praktikum   Lehrgang und Skript

Der 1. Schritt - Einführung  Der 1. Schritt - Einführung Material: Arbeitsblätter „Einführung in den Gebrauch des Pocket-CASSY im Physikunterricht“ Auftrag: Hausaufgabe oder Planarbeit im Unterricht Download der Software Selbstständige Erarbeitung von Grundlagen im Umgang mit der Software mit Anleitung Selbstdiagnosebogen Zeit: 1 Doppelstunde oder 90 min häusliche Arbeitszeit   Lehrgang und Skript

Der 2. Schritt - Erarbeitung  Der 2. Schritt - Erarbeitung Material: Arbeitsblätter „Einführung in den Gebrauch des Pocket-CASSY im Physikunterricht“ Auftrag: Arbeit im Unterricht Erste Messwertaufnahme „Ohm‘scher Widerstand“ unter Anleitung des Lehrers Planarbeit im Unterricht oder als Hausaufgabe (Messdatei auf USB-Stick oder per E-Mail) Erste Auswertung der Messwerte Zeit: 1 Doppelstunde oder 60 min häusliche Arbeitszeit   Lehrgang und Skript

Der 2. Schritt – Erarbeitung und Anwendung  Der 2. Schritt – Erarbeitung und Anwendung Material: Arbeitsblätter „Einführung in den Gebrauch des Pocket-CASSY im Physikunterricht“ Auftrag: Praktikum: „Kennlinien von Geräten“: Wiederholung mit interessanten Erweiterungen Messwerterfassung und –auswertung mit zunehmender Selbstständigkeit und steigendem Schwierigkeitsgrad Zeit: 1-2 Doppelstunden + 90 min häusliche Arbeitszeit Fazit: Kompetenz „Selbstständiger Umgang mit einem Messwerterfassungs- und -auswertesystem“ sollte nun erworben sein!   Lehrgang und Skript

Praktikum: Kennlinien von Geräten  Praktikum: Kennlinien von Geräten Versuche: 1. Der Ohm‘sche Widerstand 2. U-I-Kennlinie einer Glühlampe und Glühfadentemperatur 3. Einschaltvorgang eines Glühlämpchens 4. U-I-Kennlinie einer Bleistiftmine 5. U-I-Kennlinie einer Halogenlampe und Beleuchtungsstärke Mustercurricula für Kursstufe Verknüpfung zur Mittelstufe   Lehrgang und Skript

Praktikum: Kennlinien von Geräten  Praktikum: Kennlinien von Geräten  Von einfachen zu schwierigeren Auswertungen Wiederholung und weiterführende interessante physikalische Aspekte Selbst- ständigkeit  Ursprungsgerade Ausgleichsgerade Kurven Steigungen Definieren von Formeln Integrale berechnen Nutzung mehrerer Sensoren Glühfadentemperatur Einschalten eines Lämpchens Erhöhung und Erniedrigung der Spannung beim Lämpchen Fließende Ladung Beleuchtungsstärke Lehrgang und Skript

Der 3. Schritt – Anwendung, Festigung    Der 3. Schritt – Anwendung, Festigung Material: Arbeitsblätter im Ordner „Experimente“ sowie Messdateien im Ordner „Messdaten“ Auftrag: Unterrichtsbegleitend oder Praktika Durchführung von Schülerversuchen  Festigung der Kenntnisse und Fähigkeiten im Umgang mit einem Messwerterfassungssystem  Fachliche Erkenntnisgewinnung Auswahl der Versuche durch den Lehrer Zeit: Pro Versuch: ½ - 2 Doppelstunden + häusliche Arbeitszeit Lehrgang und Skript

Ausgearbeitete Versuche    Ausgearbeitete Versuche Belastungskennlinie einer 4,5-V-Batterie Betrieb einer LED (Sicherheitshinweis!) Lichtsensor Energiesparlampe Entladevorgang eines Kondensators Einschaltvorgang einer Spule Induktion bei rotierendem Magneten Induktion und freier Fall Elektromagnetischer Schwingkreis Diode und Widerstand Schwingung eines Federpendels Lehrgang und Skript

   Didaktische Aspekte Erhöhung der Selbstständigkeit Möglichkeit für entdeckendes Lernen Möglichkeiten für GFS Arbeitsanleitungen (teils geleitet, teils offen) Messdateien für jeden Versuch vorhanden Im Anhang eines jeden Versuches: Foto des Versuchsaufbaus Ausgewählte Lösungen Neuer Aspekt: Modellbildung Lehrgang und Skript

   Modellbildung CASSY Lab EXCEL GTR Einschaltvorgang einer Spule Entladevorgang eines Kondensators Schwingung eines Federpendels EXCEL Modellbildung Spule und Kondensator GTR Lehrgang und Skript

Zusammenfassung zum Material Einleitung Einleitende Bemerkungen Pocket-CASSY für Schülerversuche Einführende Versuche Einführung CASSY 1 Einführung CASSY 2 Experimente Versuchsanleitungen für 12 Praktikumsexperimente mit Fotos und ausgewählten Lösungen CASSY Lab 1 und CASSY Lab 2 Messdaten Alle Messdateien der vorgestellten Versuche als CASSY-Lab-Dateien. Modellbildung Modellbildung mit EXCEL und GTR Ergänzendes Material Planarbeiten zum „Umgang mit unbekannten Formeln“ Lehrgang und Skript

Bezugsquellen Lehrerfortbildungsserver: renner.michael@kabelbw.de Seminarbroschüre des Tübinger Seminars erscheint im Frühjahr 2011 http://lehrerfortbildung-bw.de/faecher/physik/gym/fb2/ Bezugsquellen

Workshop Anmeldung: Referendare Station 1: Einführung Pocket-CASSY Kennlinien von Geräten Station 3 Entladung Kodensator Modellbildung Station 4 Einschaltvor- gang Spule Modellbildung Station 5 Induktion und freier Fall Station 6 Induktion bei rotierendem Magneten Station 7 Energiespar- lampe Station 8 Betrieb einer LED Station 9 Schwingung Federpendel Modellbildung Station 10 Planarbeit Unbekannte Formeln Station 11 Skript und USB-Stick Station 12 Modellbildung GTR Workshop

Impressum Mitglieder der zentralen Projektgruppe Physik: StD Joachim Friederich, Kepler-Gymnasium Pforzheim StD Florian Karsten, Seminar Stuttgart Prof. Franz Kranzinger, Seminar Stuttgart StD Michael Renner, Seminar Tübingen Prof. Dr. Peter Schmälzle, Seminar Karlsruhe StD Dr. Markus Ziegler, Regierungsprädidium Freiburg Die Materialien dürfen im Rahmen der Fortbildungsmaßnahme eingesetzt und von den Multiplikatoren für ihren eigenen Einsatz angepasst werden. Die Materialien stehen unter der Lizenz http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/