Computerunterstützte Messwerterfassung und -auswertung im Schülerpraktikum

ZPG Physik - Modul II

Spezifisches Methodenrepertoire der Physik

Michael Renner, Dezember 2010

Gliederung



I. Vortrag

 1. Bezug zum Bildungsplan und Ziele  2. Begründung des Vorgehens  3. Lehrgang und Skript  4. Bezugsquellen 40 min 

II. Workshop

30 min 

III. Abschlussrunde

10 min

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

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

Pocket-CASSY



1 Analogeingang

 Auflösung:  Abtastrate:  Anzahl Messwerte: 

2 Timereingänge

    Zählfrequenz: Zeitauflösung: Messzeit zwischen zwei Ereignissen: Speicher: 12 Bit max. 7.800 Werte/s prakt. unbegrenzt max. 10 kHz 1 µs min. 100 µs max. 2.500 Zeitpunkte/Eingang 

6 Digitaleingänge und 3 Digitalausgänge

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



Sensoren

 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

1.

2.

3.

4.



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 

Schritt:

Messwertaufnahme und Auswertung der Messwerte zunächst unter Anleitung, danach mit mehr Selbstständigkeit und steigendem Schwierigkeitsgrad 

Schritt:

Selbstständiges Experimentieren und Auswerten unterrichtsbegleitend oder im Praktikum Lehrgang und Skript



Der 1. Schritt - Einführung

  

Material:



Auftrag:



Zeit:

Arbeitsblätter „Einführung in den Gebrauch des Pocket-CASSY im Physikunterricht“ Hausaufgabe oder Planarbeit im Unterricht Download der Software Selbstständige Erarbeitung von Grundlagen im Umgang mit der Software mit Anleitung Selbstdiagnosebogen 1 Doppelstunde oder 90 min häusliche Arbeitszeit Lehrgang und Skript



Der 2. Schritt - Erarbeitung

  

Material:



Auftrag:



Zeit:

Arbeitsblätter „Einführung in den Gebrauch des Pocket-CASSY im Physikunterricht“ 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 1 Doppelstunde oder 60 min häusliche Arbeitszeit Lehrgang und Skript

  

Der 2. Schritt – Erarbeitung und Anwendung



Material:

Arbeitsblätter „Einführung in den Gebrauch des Pocket-CASSY im Physikunterricht“  

Auftrag: Zeit:

Praktikum: „Kennlinien von Geräten“: Wiederholung mit interessanten Erweiterungen Messwerterfassung und –auswertung mit zunehmender Selbstständigkeit und steigendem Schwierigkeitsgrad 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

  

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

  Von einfachen zu schwierigeren Auswertungen        Ursprungsgerade Ausgleichsgerade Kurven Steigungen Definieren von Formeln Integrale berechnen Nutzung mehrerer Sensoren

Selbst ständigkeit

Wiederholung und weiterführende interessante physikalische Aspekte      Glühfadentemperatur Einschalten eines Lämpchens Erhöhung und Erniedrigung der Spannung beim Lämpchen Fließende Ladung Beleuchtungsstärke Lehrgang und Skript

  

Der 3. Schritt – Anwendung, Festigung



Material:

Arbeitsblätter im Ordner „Experimente“ sowie Messdateien im Ordner „Messdaten“ 

Auftrag:



Zeit:

Unterrichtsbegleitend oder Praktika Durchführung von Schülerversuchen   Festigung der Kenntnisse und Fähigkeiten im Umgang mit einem Messwerterfassungssystem Fachliche Erkenntnisgewinnung Auswahl der Versuche durch den Lehrer Pro Versuch: ½ - 2 Doppelstunden + häusliche Arbeitszeit Lehrgang und Skript



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  Einschaltvorgang einer Spule  Entladevorgang eines Kondensators  Schwingung eines Federpendels  EXCEL  Modellbildung Spule und Kondensator  GTR  Einschaltvorgang einer Spule 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: http://lehrerfortbildung-bw.de/faecher/physik/gym/fb2/  [email protected]

 Seminarbroschüre des Tübinger Seminars erscheint im Frühjahr 2011 Bezugsquellen

Anmeldung:

Referendare

Workshop

Station 1:

Einführung Pocket-CASSY

Station 5

Induktion und freier Fall

Station 9

Schwingung Federpendel Modellbildung

Station 2

Kennlinien von Geräten

Station 3

Entladung Kodensator Modellbildung

Station 4

Einschaltvor gang Spule Modellbildung

Station 6

Induktion bei rotierendem Magneten

Station 7

Energiespar lampe

Station 8

Betrieb einer LED

Station 10

Planarbeit Unbekannte Formeln Workshop

Station 11

Skript und USB-Stick

Station 12

Modellbildung GTR

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/