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Physik und ihre Didaktik

PUMA : Spannungslabor

Theorie trifft Realexperiment - Stromkreise verstehen mit der AR-App 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.

Vorbereitung

Zur Nutzung der App im AR-Modus wird eines der folgenden Experimentiersysteme benötigt:

Zur Erkennung durch die App müssen die Materialien präpariert werden. Dafür wird jedes Bauteil mit einem QR-Code-ähnlichen Target versehen. Die Vorlagen und Anleitungen finden Sie hier:

  • Ausschneidevorlage und -anleitung – MEKRUPHY (pdf)
  • Ausschneidevorlage – LD Didactic (pdf)

Zur zusätzlichen Nutzung der Messwerterfassung und -darstellung wird folgendes Material benötigt:

  • Kabellose Sensorbox phyphox:e von phyphox 

Inhalt

Die Applikation erweitert einen realen Stromkreis durch Darstellungen der Leitungselektronen und Visualisierungen des elektrischen Potentials (durch Färbung bzw. Verschiebung der Leiterstücke). Dafür erkennt die App mittels der Bauteil-Targets den Versuchsaufbau und überblendet das angezeigte Live-Kamerabild mit virtuellen Repräsentationen der Modellvorstellungen. An ausgewählten Bauteilen gewährt die App zusätzlich zur Visualisierung der sich bewegenden Elektronen und Potentiale den Blick auf die Teilchenebene. Gemäß des Stoßmodells des elektrischen Widerstands werden hier die Interaktionen der Leitungselektronen mit den Atomrümpfen der Bauteile beobachtbar.

Zusätzlich zu diesen qualitativen Betrachtungen ermöglicht die Nutzung der kabellosen Sensorbox die Anzeige von am realen Stromkreis erhobenen Messdaten. Aus den Realdaten werden außerdem im Zusammenspiel mit den bekannten Widerstands-Kennwerten für jedes Bauteil die dort abfallende Spannung und die Stromstärke berechnet. Die App kann so zur schnellen quantitativen Prüfung von komplexeren Schaltungen genutzt werden.

Nutzt man den vollen Umfang der Funktionalitäten, so kann die App den gesamten Erkenntnisgewinnungsprozess in der Elektrizitätslehre begleiten – vom ersten einfachen Stromkreis bis hin zu Reihen- und Parallelschaltungen und Kombinationen dieser.

Schnelltest

Einfach die App runterladen, das Bild mit einem Klick vergrößern und durch Scannen der QR-Codes die App am Beispiel des fotografierten Stromkreises ausprobieren.

Inhalt

In der App können die Lernenden einen eigenen, digitalen Stromkreis erstellen. Angelehnt an die realen Experimentiersysteme werden dafür per Drag & Drop Bauteile auf das virtuelle Steckbrett aufgebracht. Ist der Stromkreis fertig gebaut, erweitert die App diesen durch Darstellungen der Leitungselektronen und Visualisierungen des elektrischen Potentials (durch Färbung bzw. Verschiebung der Leiterstücke). An ausgewählten Bauteilen werden zusätzlich zur Visualisierung der sich bewegenden Elektronen und Potentiale Einblicke in die Vorgänge auf Teilchenebene gewährt. Gemäß des Stoßmodells des elektrischen Widerstands werden hier die Interaktionen der Leitungselektronen mit den Atomrümpfen der Bauteile beobachtbar.

Die digitale Simulation ermöglicht es Lernenden, die Experimente und Inhalte des Unterrichts auch außerhalb der Schule in Ruhe vor- und nachzubereiten. So wird die App zum Lernbegleiter im Unterricht und zuhause - vom ersten einfachen Stromkreis bis hin zu Reihen- und Parallelschaltungen und Kombinationen dieser.

Schnelltest

Da für die Nutzung der Simulation keine weitere Hardware erforderlich ist, können Sie die App einfach downloaden und direkt starten.

Stäbchen-/Murmelbahnmodell

Entwickelt an der Ludwig-Maximilians-Universität München, basiert das Stäbchenmodell auf einer Höhenanalogie des elektrischen Potentials. Entsprechend werden hier Bereiche gleichen elektrischen Potentials auf der gleichen Höhe über dem Stromkreis dargestellt. Die elektrische Spannung ist damit als Maß des Höhenunterschieds begreifbar. Zusätzliche Informationen und (Unterrichts-)Materialien zum Stäbchenmodell finden Sie hier (Link: https://lehrerfortbildung-bw.de/u_matnatech/physik/gym/bp2016/fb5/7_elektrizitaet/2_ueberblick/1_modell/).

Das ebenfalls auf der Höhenanalogie basierende Murmelbahnmodell erweitert das statische Stäbchenmodell um sich bewegende Murmeln, die sich entlang der Leitungen, dem Gefälle folgend bewegen. Damit wird gegenüber des Stäbchenmodells z.B. die qualitative Untersuchung der Knotenregel einfacher möglich.

Elektronengasmodell

Das Elektronengasmodell zieht sinnstiftende Verbindungen zwischen dem elektrischen Potential und dem Luftdruck. Eine Batterie oder ein Netzgerät versucht hier, ähnlich wie eine Luftpumpe, einen (Elektronen-)Druckunterschied in den angeschlossenen Bereichen zu erzeugen. Sind die Bereiche miteinander verbunden, sorgt ein Teilchenstrom für einen Druckausgleich. Zusätzliche Informationen und (Unterrichts-)Materialien zum Elektronengasmodell finden Sie hier (Link: https://www.einfache-elehre.de/).

Stoßmodell des elektrischen Widerstands (Drude-Modell)

P. Drude modellierte im Jahre 1900 Elektronen als Gas (P. Drude, Annalen der Physik 1, 566 und 3, 369). Die äußeren Elektronen eines Metalls können sich in diesem Modell frei bewegen, die Atomrümpfe bleiben ortsfest, wobei Stöße zwischen Elektronen und Atomrümpfen erlaubt sind. Dieses einfache klassische Modell erlaubt z.B. die Herleitung qualitativer Aspekte des Ohm’schen Gesetztes. Mehr Information finden Sie z.B. hier (Link: https://qnap.e3.physik.tu-dortmund.de/suter/Vorlesung/Festkoerperphysik_WS12/5_Elektronen.pdf)

Erklärvideo zur Spannung in einem unverzweigten Stomkreis (Video)

Erklärvideo zur Nutzung des AR-Modus der App (Video)

Materialien für Gruppenarbeiten mit der App (pdf )

Die Materialien enthalten vier Stationen zu den Themen „Stromstärke und Spannung“, „Elektrischer Widerstand“, „Parallelschaltungen“ und „Reihenschaltungen“.

Die App wurde im Rahmen einer Promotionsarbeit am Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik in einem Schülerlabor auf ihre Lernförderlichkeit untersucht. Dafür wurde die Nutzung des Simulations-Modus und des AR-Modus mit der Nutzung herkömmlicher Materialien verglichen und der Einfluss auf die Entwicklung des Konzeptverständnisses, die beim Lernvorgang empfundene kognitive Last und die für das Lernen aufgewendete Arbeitszeit untersucht (siehe Publikationen des Lehrstuhls).

Kontakt

Bitte nehmen sie bei Fragen, Anregungen, Fehlerbenachrichtigungen mit den Verantwortlichen Kontakt auf:

Konzeption, Umsetzung und Begleitforschung Dr. Christoph Stolzenberger

Konzeption und Schülerlabor-Forschung Florian Frank