Untitled - Remotely Controlled Laboratories - RCLs

Transcription

Experimentieren aus der Ferne
(RCL-Projekt an der Technischen Universität Kaiserslautern)
Entwicklung, Evaluation, Beispiele und Einsatz von RCLs in der Lehre
Dissertation
Sebastian Gröber
Vom Fachbereich Physik der Technischen Universität Kaiserslautern zur Verleihung
des akademischen Grades "Doktor der Naturwissenschaften" genehmigte Dissertation
Betreuer: Prof. Dr. H.-J. Jodl
Zweitgutachter: Apl. Prof. Dr. H.-J. Korsch
Datum der wissenschaftlichen Aussprache: 17. August 2011
D 386
Kurzfassung
Seit ca. 1970 halten Computer und seit ca. 1990 Multimedia Einzug in die Physiklehre. Ein wachsender Umfang rein softwarebasierter digitaler Medien wie z. B. Simulationen oder interaktive Bildschirmexperimente unterstützen seither die Theoriebildung oder erlauben die Durchführung von als Video
konservierten Experimenten. Die Entwicklung des Internet und von Internet-Technologien ermöglichte
seit ca. 1994 mit hardwarebasierten Remotely Controlled Laboratories (RCLs) sowohl die Fernsteuerung von als auch Fernmessungen an Realexperimenten in Echtzeit. Der Nutzer kann über einen
Browser orts- und weitgehend zeitunabhängig auf Realexperimente zugreifen.
Didaktisch relevant ist diese technische Entwicklung aus drei Gründen: Das Realexperiment ist ein
essentieller Bestandteil der Schul- und Hochschulausbildung in den Natur- und Ingenieurwissenschaften. Die Bedeutung der Fernlehre besonders im Hochschul-, aber auch im Schulbereich, nimmt zu. In
der Präsenzlehre an der Schule besteht zu selten Gelegenheit zum eigenständigen Experimentieren.
Daher wurde zwischen 2002 und 2010 an der TU Kaiserslautern in drei Phasen "Akquise von Sponsoren und Entwicklung der RCL-Technik", "Produktion von RCLs" und "Verbreitung und Didaktik von
RCLs" ein RCL-Projekt als Entwicklungs- und Ausbildungsprojekt durchgeführt. Beteiligt waren ca. 10
Sponsoren oder Kooperationspartner, ca. 20 Mitarbeiter und 11 Staatsexamenskandidaten. Sichtbarstes Ergebnis des Projekts ist ein medienspezifisches, viersprachiges Portal mit 17 frei zugänglichen
RCLs. Jedes RCL ist in eine gleichartig strukturierte und an die Webnutzung angepasste Lernumgebung integriert. Die Inhalte der RCLs richten sich mehrheitlich an Schüler der Sekundarstufe II und
Studenten im Physik-Grundstudium.
Eine erste inhaltliche Linie der Arbeit ist die Einschätzung der Qualität von RCLs, der Lernumgebung von RCLs und des RCL-Portals anhand von Qualitätsmerkmalen und Nutzerzahlen. Dazu wurden folgende Instrumente verwendet: 2010 wurden 335 RCLs in einer weltweiten Recherche mit
Merkmalen zum Bestand und Zugang identifiziert. Aktionen von Nutzern beim Experimentieren mit
RCLs wurden seit 2005 mitgeloggt und die Nutzung der Lernumgebung in 2010 über 4 Monate mit einem Webanalysetool verfolgt. Lehrkräfte wurden auf Fortbildungen zur Unterrichtstauglichkeit der
RCLs befragt und ein direkter Qualitätsvergleich zwischen themengleichen RCLs dreier Anbieter
durchgeführt. Weiterhin wurde in monatlichen Tests zwischen 2006 und 2010 die Funktionstüchtigkeit
der RCLs überprüft. Die wichtigsten Ergebnisse sind:
 Die Anzahl der Besuche/Tag aller RCLs des RCL-Portals ist zwischen September 2005 und Januar
2010 von ca. 2 Besuche/Tag auf ca. 70 Besuche/Tag gestiegen. In 2010 waren ca. 25000 Besuche
des RCL-Portals zu erwarten, registriert wurden ca. 28000 Besuche, davon ca. 23000 aus
Deutschland.
 Die zeitliche Verfügbarkeit der RCLs des RCL-Portals für den Nutzer liegt im Mittel bei 77 %. Wird
nur die Stabilität der RCLs ohne ein Ausfall der Internetverbindung berücksichtigt, liegt diese bei 89
%.
 Eine Zusammenstellung der experimentellen Tätigkeiten beim Experimentieren mit RCLs entspricht weitestgehend denen beim Realexperiment. Weiterhin zeigt das Experimentierverhalten der
Nutzer bei drei ausgewählten RCLs eine Spannbreite wie sie auch beim traditionellen Realexperiment erwartet wird. Experimentieren mit RCLs unterscheidet sich nicht grundsätzlich vom Experimentieren mit klassischen Realexperimenten und unterstreicht damit die Authentizität von RCLs.
 Die RCLs des RCL-Portals weisen weltweit die wenigsten Zugangsbarrieren wie z. B. keine Registrierung/Anmeldung, persönliche Angaben oder Installation von Zusatzsoftware auf.
 Die Lernumgebungen der einzelnen RCLs verzeichnen im Mittel 10 Besuche/Tag, sind weltweit die
umfangreichsten und stellen über 40 % der viersprachig verfügbaren Lernumgebungen.
Als Best-Practice-Beispiele werden das RCL Weltpendel zur Messung der Breitengradabhängigkeit
der Erdbeschleunigung und das RCL Optische Fourier-Transformation zur Visualisierung und zum
Verständnis von Eigenschaften der Fourier-Transformation beschrieben. Überlegungen zur Entwicklung, Beschreibungen von Versuchsaufbau und Laborseite, Mess- und Versuchsergebnisse und der
Mehrwert dokumentieren die Qualität der RCLs. Konkrete Verbesserungsvorschläge zeigen die Komplexität der Entwicklung von RCLs und die Relativität des Qualitätsbegriffs.
Eine zweite inhaltliche Linie der Arbeit kann unter den Begriffen Überlegungen, Materialien und
Ideen zusammengefasst werden:
 Es wird ein Buchungssystem vorgestellt, das die Verfügbarkeit eines RCLs innerhalb eines bestimmten Zeitfensters sicherstellt, Lehrende unterstützt ohne andere Nutzergruppen auszuschließen. Zwischen Lehrenden, Lernenden und informellen Nutzern kann unterschieden und damit ein
nutzerspezifisches Tracking durchgeführt werden.
 Eine überarbeitete und erweiterte Version eines ersten Technik-Tutorials aus 2005 bietet allen, die
RCLs nach der Technik des RCL-Projekts realisieren wollen, eine Übersicht und einen Einstieg in
den Selbstbau von RCLs.
 Zu 13 RCLs, davon 5 des RCL-Portals, werden detaillierte Vorschläge zur Weiterentwicklung gemacht. Vorschläge zu 4 neuen RCLs werden in Stichpunkten skizziert.
 Eine Tabelle mit 335 im Internet verfügbarer oder nicht mehr verfügbarer RCLs mit einem geschätzten Erfassungsgrad von 90 % enthält Daten zur Planung und Entwicklung verbesserter oder
neuer RCLs.
Eine dritte inhaltliche Linie der Arbeit ist auf die Verbesserung der Entwicklung von RCLs oder auf
eine Ausweitung des Einsatzes von RCLs in der Lehre gerichtet:
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Erfahrungen aus der Entwicklung von RCLs werden in ein Phasenmodell zur Entwicklung von
RCLs mit Checklistenpunkten und Meilensteinen umgesetzt. Ziel ist eine Qualitätssteigerung und
eine Entwicklungszeitminimierung von RCLs im Hinblick auf verkürzte Zeiten zur Anfertigung einer
Staatsexamensarbeit im Bachelor-Master-Studium.
Die Entwicklung von RCLs kann durch adaptieren, optimieren oder komponieren vorhandener
Realexperimente oder durch thematisieren physikalischer Sachverhalte aus Physik, Umwelt, Natur und Technik erfolgen. Letzteres führt zu größtenteils neuen Versuchen oder Versuchsvarianten.
Die gewählte RCL-Technik ermöglicht prinzipiell den Selbstbau von RCLs. Erfahrungen und
Feedbacks eines in 2005 durchgeführten Summercamps mit Schülern werden in ein neu konzipiertes Summercamp umgesetzt. Das Auswahlverfahren der Bewerber, Materialmanagement,
Wechsel von Informationseinheiten und praktisches Arbeiten sollen zur Realisation von RCLs in
Schülergruppen innerhalb von ca. 10 Tagen führen.
Nur ca. 5 % der Lehrkräfte verfügen über die wichtigsten Fähigkeiten zum Selbstbau eines RCLs
und die Motivation in einer Arbeitsgemeinschaft mit Schülern RCLs zu bauen. Ein gemeinsamer
Blended-Learning-Kurs für Schüler und Lehrkraft von Arbeitsgruppen führt im Wechsel von Arbeit
an der Schule und eintägigen Kursen in den Selbstbau von RCLs ein.
Erfahrungen aus der Durchführung von Fortbildungen zum Experimentieren mit RCLs und Einsatz
von RCLs im Unterricht haben zu einer tragfähigen Konzeption einer eintägigen RCL-Fortbildung
für Lehrkräfte geführt und zur Verbreitung von RCLs beigetragen.
Neun beim größten deutschen Schulportal "Lehrer-Online" des Vereins Schulen ans Netz veröffentlichte Beiträge mit Unterrichtseinheiten zu RCLs zeigen, wie RCLs im Unterricht eingesetzt
werden können und sind gleichzeitig ein Mittel zur Verbreitung von RCLs.
Für die Sekundarstufe II werden 10 Lehr-Lernformen mit RCLs wie z. B. excperimentelle Hausaufgaben, Experimentalvorträge oder Lernzirkel präsentiert.
Einsatzszenarien von RCLs in der Präsenz- und Fernlehre an Schulen und Hochschulen werden
beschrieben.
Die Arbeit bietet eine zusammenfassende Darstellung eines komplexen Physik- und Medienprojektes
und eine Bewertung der erzielten Ergebnissen. Diese Ergebnisse sowie Ideen, Verbesserungen und
Konzeptionen können in einer nationalen Weiterführung des RCL-Projekts oder in einem geplanten internationalen EU-Projekt umg setzt werden.
Abbreviated version
Since the 1970s computers, and since about 1990 multimedia have found their way into the teaching
of physics. A growing amount of exclusively software based media like simulations or interactive
screen experiments support theoretical considerations or the execution of experiments conserved on
video. Since about 1994 the development of the internet and internet-technologies allow to control real
experiments and to make measurements at a distance by hardware based Remotely Controlled Laboratories (RCLs). Users can access an RCL by a browser (independent of his location and nearly independent on time) at any time from every location.
There are three reasons why this technical development is of relevance for teaching physics: The real
experiment is an essential part of teaching and learning in science and engineering at school and university. The relevance of distance learning at university level, but also at school level, is growing. The
teaching of physics at school seldom offers students the possibility to perform experiments independently.
Therefore between 2002 and 2010 the RCL-Project was performed in three phases "Sponsoring and
RCL-Technology", "Production of RCLs" and "Dissemination and didactics of RCLs" at the University
of Technology Kaiserlautern. About 10 sponsors or partners of cooperation, about 20 employees and
11 students were participating. The most visible result of the RCL-Project is a media specific, multilingual portal with 17 RCLs of free access. Every RCL is integrated into a web-adapted learning environment. The content of the RCLs focuses on students at secondary schools and students in the first
2 years at university.
A first line of content in the thesis is an estimation of the quality of RCLs, learning environment and
RCL-Portal. The following methods where used: Evaluation of 335 RCLs in content and access found
in a worldwide inventory in 2010. The actions of users during their experimentation with RCLs and the
usage of the learning environment was tracked for over 4 months in 2010. Teachers in training courses were asked to estimate the value of RCLs for teaching physics. A comparison in quality of 3 RCLs
about the same topic was performed. Between 2006 and 2010 the functionality of all RCLs was registered. Most important results are:
 The number of users per day of all RCLs on the RCL-Portal together increased between September 2005 and January 2010 from approximately 2 users/day to approximately 70 users/day. In
2010 we expected 25000 users. We had about 28000 users of which about 23000 (83 %) were
German users.
 Users are able to access functioning RCLs on the RCL-Portal 77 % of the time since the RCLs
were launched. Without taking into account the functioning of internet-connections, the technical
stability of RCLs is much higher, amounting to almost 90%.
 Experimental activities for handling the experimental setup and performing measurements in RCLs
are nearly the same like those in real experiments. In addition the behavior of RCL-users performing the experiment shows nearly the same range as can be expected in real experiments. In principle, experimenting with RCLs does not differ much from experimenting with real experiments. This
underlines how authentic RCLs are.
 RCLs of the RCL-Portal have the fewest barriers of access worldwide like e.g. registration/login,
personal data or installation of additional software.
 The learning environments of all RCLs have about 10 users/day on average, they are the learning
environments with the most extensive content worldwide, and cover 40 % of the learning environments available in four languages.
As best-practice examples an RCL World Pendulum about the dependency of g on latitude and an
RCL Optical Fourier-Transformation about visualisation and comprehension of properties of FourierTransformation are described. Considerations about development, descriptions of experimental setup
and laboratory website, results of qualitative and quantitative measurements and the additional value
show the quality of these RCLs. Specific suggestions for optimization show the complexity of developing RCLs and the relativity of quality.
A second line of content in the thesis contains considerations, materials and ideas:
 A booking system which ensures that users can book an RCL for a specific time slot is presented.
The system supports especially teachers and academics without neglecting the needs of students
and informal users. The booking system discriminates between these three user groups to perform
a user specific tracking.
 A revised and extended version of a first technical tutorial from 2005 gives an introduction and
overview about the RCL technology used in the RCL project.
 Detailed suggestions for further development are made for 13 RCLs, of which 5 RCLs are from the
RCL-Portal. Suggestions for 4 new RCL are presented.
 A table with 335 RCLS available on the internet worldwide (which represent about 90 % of RCLs
worldwide) contains data for planning and development of improved or new RCLs.
A third line of content in the thesis is aimed at improving the development of RCLs or extending the
usage of RCLs in physics teaching.
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Experiences in the development of RCLs are transformed in a phase model of RCL-development
with check list points and milestones. Aim is to improve the quality and to minimize the development time of RCLs. The last aspect is relevant to realize RCLs.
RCLs can developed by adaption, optimization and composition of existing traditional real experiments or by addressing contents related to physics, environment, natur and technology.
The chosen RCL-technology allows building an RCL in self-assembly. Experiences and feedbacks
during a summer camp with students from school in 2005 are transformed in a new conception for
a summer camp. The method of selection for applicants, management of materials, changes between units of information and practical work should lead to a realization of RCLs in teams of students in about 10 days.
Only about 5 % of teachers possess the most important abilities for building an RCL and are motivated to build RCLs together with teams of students at school. A common Blended-LearningCourse for students and teachers provides an introduction to the self-assembly of RCLs by changing phases of work at school and one-day-courses.
Reflections and experiences from teacher training courses about experimenting with RCLs and usage of RCLs in class have lead to a workable conception of a one-day-training course.
Nine units, which show how to integrate RCLs into teaching of physics, are published on the greatest German teacher portal "Lehrer-Online". In addition this is a means for dissemination of RCLs.
For secondary school 10 methods of learning with RCLs like experimental homework, experimental
talk or learning circle are presented.
Scenarios of usage of RCLs in presence and distance teaching at school and university are described.
The thesis offers a comprehensive presentation of a complex physics- and media project and an evaluation of results. These results, together with ideas, optimizations and conceptions could be useful for
a national continuation of the RCL-Project or in a planned international EU-Project.
INHALTSVERZEICHNIS
I
EINLEITUNG ..................................................................................................... 1
II
RCL-PROJEKT ................................................................................................. 5
II.1
II.1.1
II.1.2
Projektbeschreibung ........................................................................................ 5
Verlauf ............................................................................................................... 5
Merkmale........................................................................................................... 8
II.2
II.2.1
II.2.2
RCL-Portal ........................................................................................................ 9
Portaltyp ............................................................................................................ 9
Pflege und Optimierung .................................................................................... 11
II.3
II.3.1
II.3.2
RCLs............................................................................................................... 12
Inhalte und Zugang .......................................................................................... 12
Laborseite und Standard-Lernumgebung .......................................................... 15
II.4
II.4.1
II.4.2
RCL-Recherchen ............................................................................................ 17
Methode .......................................................................................................... 17
Ergebnisse zum RCL-Bestand .......................................................................... 20
II.5
II.5.1
II.5.2
II.5.3
Evaluation des RCL-Portals ........................................................................... 25
Methoden ........................................................................................................ 25
Besucherzahlen von RCLs ............................................................................... 27
Ergebnisse zur Standard-Lernumgebung .......................................................... 32
II.6
Zusammenfassung......................................................................................... 38
III
QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs ............................ 40
III.1
III.1.1
III.1.2
III.1.3
III.1.4
III.1.5
III.1.6
III.1.7
Qualität ........................................................................................................... 40
Verfügbarkeit ................................................................................................... 41
Barrierefreiheit ................................................................................................. 50
Nutzerfreundlichkeit.......................................................................................... 53
Funktionalität ................................................................................................... 55
Konzeption....................................................................................................... 55
Interaktivität ..................................................................................................... 57
Authentizität ..................................................................................................... 63
III.2
III.2.1
III.2.2
III.2.3
Evaluation ...................................................................................................... 66
Vergleich themengleicher RCLs ........................................................................ 66
Besucher-Tracking des Experimentierens mit RCLs .......................................... 74
Beurteilung der RCLs durch Lehrkräfte ............................................................. 78
III.3
III.3.1
III.3.2
III.3.3
III.3.4
III.3.5
III.3.6
Entwicklung.................................................................................................... 79
Mehrwertstrategie ............................................................................................ 80
Entwicklungsstrategien ..................................................................................... 82
Entwicklungsplan ............................................................................................. 84
Kosten für Entwicklung und Wartung................................................................. 89
Weiterentwicklung von RCLs ............................................................................ 92
Neuentwicklung von RCLs ................................................................................ 97
III.4
Zusammenfassung......................................................................................... 99
IV
BEISPIELE für RCLs..................................................................................... 101
IV.1
IV.1.1
IV.1.2
IV.1.3
IV.1.4
IV.1.5
IV.1.6
RCL Weltpendel............................................................................................ 101
Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung ............................................. 101
Wahl des Messverfahrens .............................................................................. 102
Versuchsaufbau und Laborseite...................................................................... 105
Messergebnisse und Auswertungen................................................................ 107
Konzeption des RCLs ..................................................................................... 112
Optimierung des RCLs ................................................................................... 113
IV.2
IV.2.1
IV.2.2
IV.2.3
IV.2.4
IV.2.5
IV.2.6
IV.2.7
IV.2.8
RCL Optische Fourier-Transformation ........................................................ 114
Optische Fourier-Transformation..................................................................... 114
Fourier-Transformation und Fraunhofer´sche Beugung .................................... 114
Beugungsobjekte ........................................................................................... 116
Versuchsaufbau und Laborseite...................................................................... 120
Eigenschaften der Fourier-Transformation....................................................... 122
Vergleich von Intensitätsverteilungen .............................................................. 131
Konzeption des RCLs ..................................................................................... 135
Optimierung des RCLs ................................................................................... 136
IV.3
Zusammenfassung....................................................................................... 139
V
TECHNIK von RCLs...................................................................................... 141
V.1
V.1.1
V.1.2
Technische Konzeption ............................................................................... 142
Einführung ..................................................................................................... 142
Wahl der RCL-Technik ................................................................................... 144
V.2
V.2.1
V.2.2
V.2.3
Lokal gesteuertes RCL ................................................................................. 150
Interface ........................................................................................................ 150
Hyperterminal ................................................................................................ 157
Positionieren von Objekten ............................................................................. 158
V.3
V.3.1
V.3.2
V.3.3
Ferngesteuertes RCL ................................................................................... 163
RCL-Server .................................................................................................... 163
Laborseite...................................................................................................... 165
Standard-Lernumgebung ................................................................................ 168
V.4
VI
DIDAKTIK mit RCLs ..................................................................................... 171
VI.1
VI.1.1
VI.1.2
VI.1.3
RCLs als Physikmedium und Realexperiment............................................. 171
Einordnung unter Physikmedien ..................................................................... 171
Einordnung unter Realexperimenten ............................................................... 174
Vor- und Nachteile von RCLs.......................................................................... 175
VI.2
VI.2.1
VI.2.2
VI.2.3
VI.2.4
VI.2.5
Lernumgebungen von RCLs ........................................................................ 178
Kognitive Werkzeuge ..................................................................................... 178
Simulationen .................................................................................................. 180
Standard-Lernumgebung ................................................................................ 181
Aufgabensammlungen.................................................................................... 183
Tutorials......................................................................................................... 185
VI.3
VI.3.1
VI.3.2
VI.3.3
Lehren und Lernen mit RCLs in der Sekundarstufe II ................................. 186
Voraussetzungen ........................................................................................... 186
Lehr-Lernformen ............................................................................................ 188
Unterrichtseinheit zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung ............ 190
VI.4
VI.4.1
VI.4.2
Selbstbau von RCLs..................................................................................... 194
Erfahrungen mit Schülern ............................................................................... 194
Befragung von Lehrkräften ............................................................................. 196
VI.5
VII
VERBREITUNG von RCLs ............................................................................ 199
VII.1
Zeitschriftenartikel, Konferenzbeiträge, Vorträge und Poster ..................... 199
VII.2
VII.2.1
VII.2.2
VII.2.3
Beiträge im Bildungsportal Lehrer-Online ................................................... 201
Auswahl des Bildungsportals .......................................................................... 201
Übersicht und Struktur der Beiträge ................................................................ 202
Besucherzahlen ............................................................................................. 204
VII.3
VII.3.1
VII.3.2
Fortbildungen und Workshops .................................................................... 205
Konzeption, Verlauf und Organisation ............................................................. 206
Evaluation der Fortbildung .............................................................................. 209
VII.4
VIII
AUSBLICK .................................................................................................... 214
VIII.1
VIII.1.1
VIII.1.2
Weiterführung des RCL-Projekts ................................................................. 214
Nationale Lösung ........................................................................................... 214
Internationales EU-Projekt .............................................................................. 215
VIII.2
VIII.2.1
VIII.2.2
Buchungssystem ......................................................................................... 216
Ziele und Konzeption ...................................................................................... 216
Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit ............................................................ 219
VIII.3
VIII.3.1
VIII.3.2
VIII.3.3
VIII.3.4
Entwicklung und Einsatzszenarien von RCLs ............................................. 221
Fernlehre Sekundarstufe II ............................................................................. 221
Präsenzlehre Sekundarstufe II ........................................................................ 224
Präsenzlehre Sekundarstufe I ......................................................................... 227
Präsenz- und Fernlehre an Universitäten ........................................................ 228
VIII.4
VIII.4.1
VIII.4.2
Empirische Untersuchung des Lehren und Lernen mit RCLs ..................... 230
Fragestellungen ............................................................................................. 230
Untersuchungsinstrument Besucher-Tracking ................................................. 231
VIII.5
VIII.5.1
VIII.5.2
Selbstbau von RCLs..................................................................................... 232
Blended-Learning-Kurs ................................................................................... 232
Summercamp ................................................................................................ 234
IX
ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................. 236
IX.1
Dokumentation des RCL-Projekts................................................................ 236
IX.2
Evaluation des RCL-Projekts ....................................................................... 237
IX.3
Beiträge zur Weiterführung des RCL-Projekts............................................. 238
X
ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI ................................................................. 241
X.1
Werbebroschüre zum RCL-Portal ................................................................ 241
X.2
Standorte, RCL-Betreuer und Zugangsdaten von RCLs des RCL-Portals .. 242
X.3
Checkliste zur Auslieferung von RCLs ........................................................ 244
X.4
Kostenvoranschlag für Buchungssystem ................................................... 246
X.5
Tabelle mit Daten der RCL-Recherche......................................................... 247
X.6
Besucherzahlen des RCL-Portals ................................................................ 265
X.7
Veröffentlichungen zum RCL-Projekt .......................................................... 266
X.8
Länder von Besuchen der Standard-Lernumgebungen .............................. 272
X.9
Seitenaufrufe und Besuchsdauer der Standard-Lernumgebungen............. 273
X.10
Testbericht der RCLs des RCL-Portals vom Oktober 2010.......................... 274
X.11
Verfügbarkeit und Stabilität der RCLs des RCL-Portals .............................. 275
X.12
Bestimmung der Erdbeschleunigung mit RCL Weltpendel ......................... 276
X.13
Messergebnisse zum RCL Weltpendel Kaisersesch ................................... 277
X.14
Fragebogen zur Fortbildung für Lehrkräfte ................................................. 278
X.15
Fragebogen zur Verfügbarkeit traditioneller Realexperimente .................... 280
XI
ANHANG zu KAPITEL IV .............................................................................. 285
XI.1
XI.1.1
XI.1.2
Interface in Basisschaltung ......................................................................... 285
Schaltplan und Bauteilliste.............................................................................. 285
Bestückung der Platine................................................................................... 287
XI.2
XI.2.1
XI.2.2
XI.2.3
XI.2.4
Erweiterungsschaltungen ............................................................................ 291
Übersicht ....................................................................................................... 291
TMC222-Modul zur Schrittmotorsteuerung ...................................................... 293
Geschaltete Spannungsquellen und Verbraucher ............................................ 295
Steuerung von Gleichstrommotoren ................................................................ 296
XI.3
XI.3.1
XI.3.2
XI.3.3
XI.3.4
Quellcodes zum RCL Elektronenbeugung ................................................... 297
Mikrocontroller-Programmierung ..................................................................... 297
PHP-Programmierung .................................................................................... 301
Bedienfeld der Laborseite ............................................................................... 303
Webcamfeld der Laborseite ............................................................................ 304
XI.4
XI.4.1
XI.4.2
Entwicklungsumgebungen zur Mikrocontroller-Programmierung .............. 305
AVR-Studio 4.18 ............................................................................................ 305
BASCOM 1.11.9.8 Demoversion ..................................................................... 307
XI.5
XI.5.1
XI.5.2
XI.5.3
XI.5.4
XI.5.5
Installation und Konfiguration von Programmen auf dem RCL-Server ....... 309
Einrichten des Internet-Zugangs ..................................................................... 310
Paket XAMPP 1.7.4........................................................................................ 310
Videoserver webcamXP 5 Private ................................................................... 312
Terminalprogramm Hyperterminal ................................................................... 314
Fernwartungssoftware TeamViewer 6 Host ..................................................... 317
XI.6
XI.6.1
XI.6.2
XI.6.3
XI.6.4
Selbstbau eines elementaren RCLs ............................................................. 319
Hard- und Software ........................................................................................ 319
Bestückung der Platine................................................................................... 319
Lokal gesteuertes RCL ................................................................................... 320
Ferngesteuertes RCL ..................................................................................... 322
XII
LITERATURVERZEICHNIS............................................................................ 325
I EINLEITUNG
I
1
EINLEITUNG
Seit ungefähr 1970 halten Computer und seit ungefähr 1990 Multimedia Einzug in die Physiklehre. Ein wachsender Umfang rein softwarebasierter digitaler Medien wie z. B. Simulationen oder interaktive Bildschirmexperimente unterstützen seither die Theoriebildung oder erlauben die Durchführung von als Video konservierten Experimenten. Die Entwicklung des Internet und von Internet-Technologien ermöglichte seit ungefähr 1994 mit hardwarebasierten
Remotely Controlled Laboratories (RCLs) sowohl die Fernsteuerung von Realexperimenten
als auch Fernmessungen an Realexperimenten in Echtzeit. Abb. 1 veranschaulicht das Prinzip von RCLs:
Abb. 1: Prinzip von RCLs.
Ein Besucher an einem quasi beliebigen Ort A kann über das Internet mit einem Experiment
an einem quasi beliebigen Ort B experimentieren. Dazu stellt ein RCL-Server auf dem Computer des Besuchers eine Webseite bereit, von der aus der Besucher das Experiment über
Aktoren fernsteuern und über Sensoren Fernmessungen durchführen kann. Den Datenaustausch zwischen RCL-Server und Experiment und die Steuerung des Experiments übernimmt ein Interface. Per Webcam erhält der Besucher auf der Webseite visuelle Rückmeldungen zu durchgeführten Aktionen und Veränderungen im Experiment.
Didaktisch relevant ist diese technische Entwicklung weil 1. das Realexperiment ein essentieller Bestandteil der Schul- und Hochschulausbildung in den Natur- und Ingenieurwissenschaften ist, 2. die Bedeutung der Fernlehre im Hochschul- und auch im Schulbereich zunimmt und 3. Schüler zu selten Gelegenheit zum eigenständigen Experimentieren in der
Schule haben. Nach dem Abschluss der Entwicklung und Dokumentation des FiPSProjekts 1,2 durch die Arbeitsgruppe Didaktik der Physik an der Technischen Universität Kaiserslautern wurde erkannt, dass videobasierte Medien und Simulationen nur ein unzureichender Ersatz für Demonstrationsexperimente in den Vorlesungen zur Experimentalphysik sind. Folgerichtig wurde in 2001 das RCL-Projekt begonnen, dessen Hauptprodukt 17
RCLs sind. Abb. 2 zeigt exemplarisch die Laborseite des RCLs Fotoeffekt als Bestandteil der
Standard-Lernumgebung (blaue Menüpunkte):
1
Vgl. Roth 2001.
2
Vgl. Schweickert 2002.
I EINLEITUNG
2
Abb. 2: Laborseite des RCLs Fotoeffekt.
Zu Beginn des RCL-Projekts existierten schon abgeschlossene oder noch laufende Projekte
zu RCLs für Ingenieure3 oder ausschließlich Studierenden als Zielgruppe 4. Zielgruppe des
RCL-Projekts sind Schüler in Physikkursen der Sekundarstufe II und Studierende der Physik
im Grundstudium.
Die Arbeit verfolgt zwei Ziele: Zum einen die Dokumentation und Evaluation des RCLProjekts, zum anderen die Entwicklung von Materialien, Konzeptionen und Ideen für potentielle Weiterführungen des RCL-Projekts. Damit beziehen sich die Inhalte der Arbeit zum einen auf die Vergangenheit und zum anderen auf die Zukunft. Die Arbeit umfasst sieben Kapitel:
 Das Kapitel "RCL-Projekt" beschreibt das RCL-Projekt anhand des Verlaufs und anhand
der Produkte auf dem RCL-Portal. Eine in 2010 durchgeführte Recherche zum weltweiten
Bestand an RCLs bildet die Grundlage vieler Ergebnisse der Arbeit. Das RCL-Projekt und
die Standard-Lernumgebungen werden mit einem Besucher-Tracking evaluiert. Mit dem
Kapitel soll in das RCL-Projekt eingeführt werden. Weitere Kapitel können im Prinzip in
beliebiger Reihenfolge gelesen werden. Über Querverweise kann gegebenenfalls auf Ergebnisse anderer Kapitel zugegriffen werden.
 Im Kapitel "Qualität, Evaluation und Entwicklung von RCLs" werden Qualitätskriterien und
-merkmale zur Evaluation von RCLs entwickelt und drei themengleiche RCLs evaluiert.
Strategien und ein Entwicklungsplan zur Qualitätssicherung in der Entwicklung von RCLs
werden vorgestellt. Mit dem Kapitel soll die Komplexität der Entwicklung und Realisation
von qualitativ guten RCLs vermittelt werden.
 Im Kapitel "Beispiele für RCLs" werden die RCLs Weltpendel und Optische FourierTransformation des RCL-Portals in der Entwicklung, im Versuchsaufbau und den experimentellen Ergebnissen beschrieben und anhand der Qualitätskriterien evaluiert. Mit dem
3
Vgl. z. B. Remote LAboratorx eXperimentation Trial (RELAX).
4
Vgl. z. B. Practical Experimentation by Accessible Remote Learning (PEARL).
I EINLEITUNG
3
Kapitel soll an zwei konkreten Beispielen die Qualität der RCLs des RCL-Portals gezeigt
werden.
 Das Kapitel "Technik von RCLs" ist die überarbeitete Fassung eines bereits 2006 erstellten Tutorials zur Technik der RCLs des RCL-Portals und zum Selbstbau von RCLs. Mit
dem Kapitel soll Studierenden ein schneller Einstieg in die Technik von RCLs ermöglicht
werden.
 Im Kapitel "Didaktik für RCLs" werden durch Vergleich von RCLs mit Physikmedien und
Formen des Realexperiments Vor- und Nachteile von RCLs diskutiert. Eine Übersicht von
Lernumgebungen von RCLs und ein Spektrum von Lehr-Lernformen zur Integration von
RCLs in den Unterricht der Sekundarstufe II werden präsentiert. Am Beispiel einer Unterrichtseinheit zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung mit dem RCL Weltpendel wird der Einsatz von RCLs konkret beschrieben und die Verwendung von LehrLernformen demonstriert. Mit dem Kapitel soll das didaktische Potential von RCLs für das
Lernen von Physik gezeigt werden.
 Im Kapitel "Verbreitung von RCLs" werden im RCL-Projekt verwendete Kommunikationswege wie z. B. Zeitschriftenartikel oder Fortbildungen für Lehrkräfte zur Verbreitung von
RCLs beschrieben. Mit dem Kapitel sollen die Bemühungen einem breiten Adressatenkreis das RCL-Projekt und RCLs nahezubringen sowie der Umfang produzierter Veröffentlichungen, Schriften und durchgeführter Maßnahmen dokumentiert werden.
 Das letzte Kapitel "Ausblick" beschreibt zwei potentielle Weiterführungen des RCLProjekts und stellt für eine der Weiterführungen ein Buchungssystem zur Reservierung
von RCLs vor. Es werden Einsatzszenarien von RCLs in der Präsenz- und Fernlehre an
Schulen und Hochschulen beschrieben an denen die Entwicklung und Produktion von
RCLs orientiert werden sollte. Die Konzeptionen zweier Weiterführungen eines in 2005
durchgeführten Summercamps mit Schülern zum Selbstbau von RCLs werden vorgestellt.
Mit dem Kapitel soll ein Beitrag zur verstärkten Implementation von RCLs in der Lehre geleistet werden.
Alle Kapitel außer dem Kapitel "Ausblick" schließen mit einer Zusammenfassung der wesentlichen Ergebnisse und Aussagen. In der Arbeit werden folgende Konventionen verwendet:
 Der Begriff "RCL" wird sowohl für die Gesamtheit der RCLs als auch für die RCLs im
RCL-Projekt verwendet. In zweideutigen Fällen wird von RCLs des RCL-Portals gesprochen.
 Je nach Kontext werden Personen die RCLs verwenden als Nutzer, Besucher, Experimentatoren, Lehrende oder Lernende bezeichnet.
 Verlinkte Querverweise werden in den Formen (→ I.3.2), (→ I.2.2, Abb. 6), (← III.1.3, Tab.
3) oder (← III.1.3, ▪ Konzeption) angegeben. Die Pfeilrichtung gibt an, ob das Ziel des
Verweises vor oder hinter der Verweisstelle liegt. Hinter der Abschnittsnummer grenzt die
I EINLEITUNG
4
Abbildungsnummer, die Tabellennummer oder die Überschrift eines Textblocks wie z. B.
„▪ Konzeption“ die Stelle ein.
 Zur Unterscheidung von RCLs als Realexperimente von Demonstrationsexperimenten
werden letztere auch als traditionelle Realexperimente bezeichnet. Mit Realexperimenten
sind immer didaktische Experimente und keine Forschungsexperimente gemeint.
 Mit Studenten und Schülern sind auch Studentinnen und Schülerinnen gemeint.
 Alle Links wurden vor Abgabe der Arbeit auf Funktionstüchtigkeit geprüft. Auf der beigelegten CD befindet sich die Arbeit als pdf-Dokument, in der Links beim Lesen aufgerufen
werden können.
 Die Bezeichnung ID x mit x = 1, …, 335 verweist immer auf ein RCL in der Tabelle zur
RCL-Recherche im Anhang X.5.
 Mit Arbeitsgruppe ist die Arbeitsgruppe Didaktik der Physik an der Technischen Universität Kaiserslautern gemeint.
II RCL-PROJEKT
II
5
RCL-PROJEKT
Struktur, Inhalte und Merkmale des RCL-Projekts (→ II.1) sowie das RCL-Portal werden vorgestellt (→ II.2). Die RCLs des RCL-Portals werden inhaltlich eingeordnet sowie der Zugang
zu RCLs, die Laborseite von RCLs und die Standard-Lernumgebung der RCLs beschrieben
(→ II.3).
In 2010 wurde eine Recherche zum weltweiten Bestand von RCLs durchgeführt. Die Methode der Recherche wird vorgestellt (→ II.4.1). Anhand der Ergebnisse zum Bestand an RCLs
erfolgt eine Einordnung des RCL-Projekts und eine Einschätzung der Qualität der StandardLernumgebung (→ II.4.2).
Als Methoden zur Evaluation des RCL-Portals werden das Besucher-Tracking mit Logdateien und mit dem Webanalysetool Google Analytics vorgestellt (→ II.5.1). Mit der ersten Methode wird die Entwicklung von Besucherzahlen des RCL-Portals untersucht (→ II.5.2), mit
der zweiten Methode die Nutzung der Standard-Lernumgebung von RCLs (→ II.5.3).
II.1
Projektbeschreibung
II.1.1
Verlauf
In Abb. 3 ist der zeitliche Verlauf des RCL-Projekts zwischen 2002 und 2010 in drei kontinuierlich ineinander übergehende Phasen "Sponsorenakquise und Technik von RCLs", "Produktion von RCLs" und "Didaktik und Verbreitung von RCLs" und differenziert nach den Bereichen Sponsoren/Kooperationspartner, Technik, Didaktik und RCLs dargestellt:
 Sponsoren und Kooperationspartner
Beteiligt am RCL-Projekt waren in abnehmender Reihenfolge finanzieller Zuwendungen
10 Sponsoren bzw. Kooperationspartner: Intel im Rahmen von Intel® Education 5, der Arbeitgeberverband Gesamtmetall mit der Initiative THINK. ING 6, die Eberhard von Kuenheim Stiftung7, European Schoolnet 8, der Verein Schulen ans Netz 9 im Rahmen des Projekts "Naturwissenschaften Entdecken!" 10, die Hochschule Heilbronn 11, das Technologieund Gründerzentrum der Verbandsgemeinde Kaisersesch 12, die Firmen Hameg 13 und LDDidactic14, der Verein MINT-EC 15 sowie das Deutsche Museum 16 und das Verkehrsmuse5
6
Vgl. Intel®Education.
Vgl. THINK ING..
7
Vgl. Eberhard von Kuenheim Stiftung - Stiftung der BMW AG.
8
Vgl. European Schoolnet - Transforming education in Europe.
9
Vgl. Schulen ans Netz e. V..
10
Vgl. Naturwissenschaften entdecken! - Ein Projekt von Schulen ans Netz e. V..
11
Vgl. Hochschule Heilbronn.
12
Vgl. Technologie und Gründerzentrum Region Kaisersesch GmbH.
13
Vgl. Hameg.
14
Vgl. LD Didactic GmbH.
Vgl. Verein mathematisch-naturwissenschaftlicher Excellenz-Center an Schulen e. V. (MINT EC®).
15
II RCL-PROJEKT
6
um 17 als Zweigmuseum des Deutschen Museums in München. Das Finanzvolumen des
Projekts lag bei fast 400.000 €.
Motive und Gründe der Sponsoren und Kooperationspartner für eine Zusammenarbeit im
RCL-Projekt sind vielfältig: Förderung naturwissenschaftlich-technisch begabter Schüler,
Gewinnung von Nachwuchskräften für ingenieurwissenschaftliche Studiengänge, Verwendung von Geräten in RCLs als Firmenwerbung, Unterstützung der Lehrkräfte an
Schulen mit mathematisch-naturwissenschaftlichem Profil oder Anbieten von Fortbildungen für Lehrkräfte zum Einsatz von RCLs im Unterricht.
Abb. 3: Verlauf des RCL-Projekts in den Bereichen Sponsoren/Kooperationspartner, Technik, Didaktik
und RCLs (* RCL existiert nicht mehr).
 Technik
Essentielle Hardwarekomponente eines RCLs ist das Interface zwischen RCL-Server und
Experiment (← I, Abb. 1). In 2001 wurde als käuflich erwerbbarer Prototyp das Interface
Cassy von Leybold beim RCL Elektronenbeugung in Verbindung mit einem CGI-Skript
eingesetzt. 18 Die ersten RCLs wurden unter Beteiligung einer Firma19 entwickelt und die
Software zum Interface programmiert. Ein ebenfalls käuflich erwerbbares Interface von
Fischertechnik wurde 2004 bei den nicht mehr existierenden RCLs Beugung und Interfe16
Vgl. Deutsches Museum.
17
Vgl. Deutschen Museum Verkehrzentrum.
18
Vgl. Roth 2001, S. 89.
19
Vgl. Netzmedien GbR.
II RCL-PROJEKT
7
renz* und Optische Computertomographie* verwendet. 20 Aus technischen und didaktischen Gründen sind heute die RCLs mit einem programmierbaren Eigenbau-Interface (→
V.2.1) und PHP-Software (→ V.3.2) ausgestattet. Die Programmierung komplexerer Laborseiten der RCLs Beugung und Interferenz II und Optische Fourier-Transformation wurde von einer Firma21 durchgeführt.
In 2001 wurde ein erster Webauftritt RLAB des RCLs Elektronenbeugung erstellt. 22 Ein
weiterer Webauftritt remote_lab 23 mit Portalcharakter wurde 2002 in Kooperation mit der
Eberhard von Kuenheim Stiftung für die Sonderausstellung "Klima. Das Experiment mit
dem Planeten Erde" vom 07.11.2002 - 07.09.2003 am Zentrum Neue Technologien (ZNT)
des Deutschen Museums entwickelt. Nach dem Einstieg des Hauptsponsors Intel zum
Jahresende 2004 wurde das RCL-Portal (→ II.2) im Corporate Design von Intel in der
heutigen Form entwickelt und veröffentlicht. 24
In 2005 wurde begonnen ein Buchungssystem zur Reservierung von Zeiten zum Experimentieren mit RCLs zu programmiert.25,26 Das Buchungssystem wird in 2011 implementiert. In 2006 wurde ein Tutorial zum Selbstbau von RCLs erstellt 27, das in einer überarbeiteten Fassung vorliegt (→ V).
 Didaktik
Auf der Klima-Ausstellung am Zentrum Neue Technologien (ZNT) und am Verkehrsmuseum konnten Ausstellungsbesucher unter dem Motto "Spielen - Lernen - Forschen" mit den
RCLs Roboter im Labyrinth (Spielen), Wärmebildkamera und H 2 -Brennstoffzelle (Lernen)
und Optische Pinzette (Forschen) experimentieren. Nach der Entwicklung des EigenbauInterface wurde in 2005 ein einwöchiges Summercamp für Schüler durchgeführt, um erste
Erfahrungen zum Selbstbau von RCLs zu sammeln (→ VI.4.1). Ein Teilnehmer des Summercamps hat in 2007 ein bis 2010 auf dem RCL-Portal verfügbares RCL zu Halbleiterkennlinien realisiert (← 1.1, Abb. 3).
Zwischen 2005 und 2010 wurde vielfältiges Lehr-Lernmaterial erstellt: Alle RCLs sind in
eine Standard-Lernumgebung integriert (→ II.3.2, → VI.2.3), zu 6 RCLs existieren umfangreiche Aufgabensammlungen (→ VI.2.4) und zu 9 RCLs wurden auf dem größten
deutschen Portal Lehrer-Online Beiträge zum Einsatz von RCLs in der Sekundarstufe II
veröffentlicht (→ VII.2). Seit 2007 wurden für Lehrkräfte Fortbildungen und Workshops
zum Einsatz von RCLs im Physikunterricht durchgeführt (→ VII.3). Die Teilnehmer experimentieren mit RCLs und lernen Lehr-Lernformen zum Einsatz von RCLs im Physikunterricht (→ VI.3.2) kennen.
20
21
Vgl. König 2005, S. 41.
Vgl. 200grad GmbH & Co. KG.
22
Vgl. Roth 2001, S. 90-93.
23
Vgl. Remote_lab - ein ferngesteuertes Labor im Internet, nicht mehr in der damaligen Form.
24
Kooperation von M. Vetter, B. Eckert und H.-J. Jodl.
25
Entwurf und Programmierung durch M. Vetter und U. Schläpfer.
26
Vgl. Glas 2006, S. 9-25.
27
Vgl. Vetter 2006.
II RCL-PROJEKT
8
 RCLs
Derzeit werden 17 RCLs mit einer großen inhaltlichen Breite angeboten (→ II.3.1). Zu
Demonstrationszwecken auf Didaktik-Messen und Fortbildungen wurde ein transportables
Demonstrations-RCL zur Beugung realisiert. Die nach 2005 entwickelten und noch heute
auf dem RCL-Portal verfügbaren RCLs zeigen die Verbesserung der RCL-Technik im
Laufe des RCL-Projekts. Zur weiteren Verbesserung der Qualität von RCLs wurden Qualitätskriterien (→ III.1) zur Evaluation von RCLs (→ III.2) und Maßnahmen zur Qualitätssicherung während der Entwicklung von RCLs (→ III.3) entwickelt. Exemplarisch zeigen die
RCLs Weltpendel (→ IV.1) und Optische Fourier-Transformation (→ IV.2) die Qualität der
RCLs.
II.1.2
Merkmale
In Ergänzung zur Verlaufsbeschreibung ist das RCL-Projekt durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
 Kombiniertes Entwicklungs- und Ausbildungsprojekt
Zwischen 2005 und 2009 haben 11 Studierende des Lehramts für Physik im Rahmen von
Staatsexamensarbeiten 13 RCLs entwickelt (→ VI.1, Tab. 46), wovon 10 RCLs auf dem
RCL-Portal angeboten werden. Die Staatsexamenskandidaten lernen Studieninhalte in
ein RCL umzusetzen und schulen experimentelle Fähigkeiten für die spätere Lehrtätigkeit.
Unter den 24 Mitarbeitern des RCL-Projekts waren außer den Studierenden ein Projektleiter, 7 Mitarbeiter mit Schwerpunkt Technik und 4 mit Schwerpunkt Didaktik.
 Außendarstellung des RCL-Projekts und Verbreitung von RCLs
Die Außendarstellung des RCL-Projekts und Verbreitung von RCLs erfolgte über das
RCL-Portal (→ II.2), durch deutsch- und englischsprachige Zeitschriftenartikel, Konferenzbeiträge, -vorträge und -poster (→ VII.1), durch Beiträge zum Unterrichteinsatz in einem Lehrer-Portal (→ VII.2), durch Fortbildungen für Lehrkräfte (→ VII.3) sowie mit Werbeplakaten und einer Werbebroschüre (→ Anhang X.1). Weiterhin wurde ein breiteres
Publikum auf Veranstaltungen zur Übergabe von RCLs an den Standorten Isernhagen,
Heilbronn, Kaisersesch und Berlin über RCLs informiert.
 Kommunikation mit Besuchern von RCLs
Ungefähr 10 E-Mails pro Monat werden von Lehrkräften, Schülern oder Dozenten zu
RCLs oder zum RCL-Projekt geschickt. Inhalte sind positive Rückmeldungen zum RCLProjekt, Fragen zum Nachbau oder zur Nutzung von RCLs in Facharbeiten, Anfragen zur
Durchführung von Fortbildungen für Lehrkräfte und Meldungen von Funktionsstörungen
der RCLs (→ III.1.1).
II RCL-PROJEKT
9
 Dezentrales und zentrales Standortkonzept von RCLs
Bis 2009 wurde im RCL-Projekt ein dezentrales Standortkonzept von RCLs verfolgt. Die
RCLs stehen mit den RCL-Servern an verteilten Standorten und Besucher können über
den RCL-Portalserver bzw. das RCL-Portal auf die RCLs zugreifen. Hintergrund ist der
Kooperationsvertrag mit Intel, in dem Kontaktgymnasien von Intel als Standorte von RCLs
vorgesehen waren und fehlende Räumlichkeiten an der Technischen Universität Kaiserslautern für eine größere Anzahl RCLs. Die Auslieferung von RCLs an Standorte muss
längerfristig z. B. über eine Checkliste (→ Anhang X.3) vorbereitet werden.
In 2009 scheiterte ein Versuch die RCLs an einem zentralen Standort bei der FWU28 als
Medieninstitut der Länder zusammenzuziehen an der zukünftigen Ausrichtung des Instituts. Derzeit stehen von den 16 RCLs und den 5 RCLs des Weltpendels 10 an Hochschulen, 6 an Schulen, 3 an einem Gründerzentrum für Unternehmen, eines an einem Museum und eines an einer Landesbehörde (→ Anhang X.2). In 2011 werden etwa 10 der
RCLs in München im Rahmen der Weiterführung des RCL-Projekts (→ VIII.1.1) zusammengezogen.
II.2
RCL-Portal
II.2.1
Portaltyp
Portale bieten einen vereinfachten, inhaltsschärferen Zugang zu ausgewählten Ressourcen
und Dienstleistungen inmitten eines nicht mehr überschaubaren Informationsangebots im Internet. Technologische Bezeichnungsanteile von Portalen wie in Web-Portal, Internet-Portal
oder Lern-Plattform wurden als Ausdruck einer zunehmenden Orientierung am Besucher
durch Bezeichnungsanteile, die den Verwendungszweck des Portals beschreiben, ersetzt.
Bildungsportale, technologisch manchmal noch als Bildungsserver bezeichnet, sind z. B. auf
die Bereitstellung von Ressourcen und Dienstleistungen zum Lehren und Lernen spezialisiert.
28
Vgl. FWU - Das Medieninstitut der Länder.
II RCL-PROJEKT
10
Abb. 4 zeigt die Startseite des RCL-Portals 29:
Abb. 4: Startseite des RCL-Portals.
Unter dem Menüpunkt RCL-Projekt sind Informationen zu Zielen und Verlauf des RCLProjekts, zum Schülercamp, zu Fortbildungen für Lehrerkräfte und zu Sponsoren/Kooperationspartner verfügbar. Weiterhin stehen Artikel zu RCLs und zum RCL-Projekt
zum Download bereit. Der Menüpunkt RCLs führt zu den 17 RCLs. Unter dem Menüpunkt
Technische Hinweise sind getestete Browserversionen und freizuschaltende Ports für eine
funktionierende Internetverbindung zu finden. Der Menüpunkt Kontakt erklärt sich selbst. Das
RCL-Portal ist
 ein internationales Angebot, weil Besucher unter vier Sprachen wählen und weltweit auf
das Angebot zugreifen können.
 ein hochspezialisiertes Portal, weil medienspezifisch nur RCLs und themenspezifisch fast
ausschließlich RCLs zur Physik angeboten werden.
 ein Medienportal und kein Medienserver wie z. B. der zum Früheinstieg ins Physikstudium
(FIPS)30, weil die RCLs über eine Standard-Lernumgebung verfügen.
 ein Portal zur Systemintegration 31, weil die technische Hauptfunktion ein einheitlicher Zugang zu RCLs an mehreren Standorten ist.
 kein Bildungsportal, weil Kommunikationstools wie z. B. Chat und Forum sowie Dienstleistungen wie z. B. die Betreuung durch Tutoren fehlen.
29
Vgl. RCL-Portal.
30
Vgl. FIPS-Medienserver.
31
Vgl. Wilbers 2007, S. 4.
II RCL-PROJEKT
II.2.2
11
Pflege und Optimierung
Die Qualität des RCL-Portals wurde in Inhalt, Form und Funktion ständig verbessert:
 Fernzugriff auf RCL-Server und RCL-Portalserver
Übersetzungen von Standard-Lernumgebungen oder überarbeitete, korrigierte Webseiten
wurden zunächst per Mail an den RCL-Betreuer zur Aktualisierung zugeschickt. Fehler in
den zugesendeten Webseiten oder unerwartet auftretende Softwareprobleme konnten nur
zeitaufwendig und verzögert behoben werden. Seit 2007 kann mit einer für die nichtkommerzielle Nutzung kostenlosen Remote-Desktop-Software32 auf die einzelnen RCLServer zugegriffen, ein Dateiaustausch und ein Neustart des RCL-Servers durchgeführt
werden.
Die Webseiten des RCL-Portals auf dem RCL-Portalserver befinden sich seit 2008 auf einem Server des Rechenzentrums der Technischen Universität Kaiserslautern. Außer dem
höheren Schutz vor Viren- und Hackerangriffen, können seitdem Aktualisierungen der
Webseiten über ein FTP-Programm 33 mit gesichertem Zugriff durchgeführt werden.
 Form und Inhalte der Standard-Lernumgebungen
Die Standard-Lernumgebungen der RCLs wurden seit 2007 in folgenden Punkten verbessert: Die Bezeichnung der Menüpunkte, das Webseiten-Layout und Dateinamen wurden
vereinheitlicht. Es wurden Abbildungs- und Tabellenunterschriften mit Verweisen und
standardisierte Zwischenüberschriften in den Text eingefügt (→ V.3.3, Tab. 37). Inhalte
wurden überarbeitet oder ergänzt und Rechtschreibfehler korrigiert.
 Übersetzungen der Standard-Lernumgebung in mehrere Sprachen
Die Webseiten der Menüpunkte RCL-Projekt, Technische Hinweise und Kontakt auf der
Startseite des RCL-Portals sind in allen vier Portalsprachen Deutsch, Englisch, Italienisch
und Französisch verfügbar. Deutsche Webseiten der Standard-Lernumgebungen unter
dem Menüpunkt RCLs wurden zeitnah durch Mitarbeiter der Arbeitsgruppe34 ins Englische übersetzt. Übersetzungen ins Französische und Italienische wurden als Aufträge
vergeben oder kostenlos von Kooperationspartnern durchgeführt (→ II.3.2, Tab. 2). Das
Angebot an Besucher des RCL-Portals Standard-Lernumgebungen in die eigene Landessprache zu übersetzen wurde nicht genutzt.
 Wiedergabegeschwindigkeit von Webcambildern
Zur Wiedergabe von Webcambildern wurde bei den meisten RCLs Java, bei anderen
RCLs Javaskript eingesetzt. Nachteile von Java sind die clientseitige Installation des Java
Runtime Environment (JRE), die von der Taktfrequenz des Computers und der JREVersion abhängige, zeitverzögerte Darstellung des Webcambilds und die langsame Bild-
32
Vgl. TeamViewer GmbH, Teamviewer.
33
Vgl. FTP-Programm WinSCP.
34
Fast ausschließlich durch H.-J. Jodl und B. Eckert.
II RCL-PROJEKT
12
übertragung. Seit 2007 sind diese Nachteile durch Umstellung der Webcambildwiedergabe aller RCLs auf Javaskript beseitigt (→ V.3.2.2).
 Austausch von RCL-Servern
Aus Kostengründen wurden in den ersten Jahren des RCL-Projekts gespendete, ältere
Computer der Firma Intel verwendet. Zu kleine Taktfrequenzen der Computer, Ausfälle
der teilweise fast 10 Jahre alten Computer, unzureichende Festplattenkapazität und die
gesunkenen Preise für Desktop-Computer führten zum Austausch von ungefähr der Hälfte
der RCL-Server.
 RCL-Reset
Die Kommunikation zwischen dem Interface und dem RCL-Server über die serielle
Schnittstelle (→ V.2.2) war langfristig instabil. Deshalb konnten Besucher über einen Button RCL-Reset auf der Login-Seite und im Bedienfeld der Laborseite den RCL-Server neu
starten. Ein Besucher-Tracking (→ II.5.1) beim RCL Elektronenbeugung zeigte, dass fast
20 % der Besucher fälschlicherweise den RCL-Reset durchführten, weil vor dem Anlegen
der Beschleunigungsspannung die Elektronenbeugungsröhre nicht eingeschaltet wurde.
Probeweises Entfernen des RCL-Reset in 2010 ergab, dass das Problem vermutlich
durch Updates des Betriebssystems nicht mehr auftritt. Nach dem Entfernen des RCLReset und des erläuternden Begleittextes ist die Laborseite übersichtlicher geworden.
RCL-Server können weiterhin über die Remote-Desktop-Software neu gestartet werden.
II.3
RCLs
II.3.1
Inhalte und Zugang
Innerphysikalisch
x
x
x
x
03/2009
x
x
x
x
3
Elektronenbeugung
Quantenphysik
2002
x
x
x
x
35
Vgl. Lehrplan Biologie, Chemie, Physik für Rheinland-Pfalz – Sekundarstufe I, S. 185-203.
36
Vgl. Lehrplan Gymnasium Physik für Rheinland-Pfalz – Sekundarstufe II, S. 35-49.
Alltagsorientiert
Eignung Hochschule
2006
Wellenoptik
Anwendungsorientiert
Lehrplan Sek. II
Wellenoptik
Beugung und Interferenz II
Fachgebiet
Lehrplan Sek. I
Beugung und Interferenz I
2
RCL
Eignung Sek. I
1
Nr.
Online seit
Monat/Jahr
Eignung Sek. II
In Tab. 1 sind die 17 RCLs des RCL-Portals einem Fachgebiet zugeordnet. Eignung und
Lehrplanbezug für Sekundarstufe I 35 oder II 36 oder die Eignung für die Hochschule sind angegeben. Weiterhin ist angegeben, ob das RCL ein innerphysikalisches, ein anwendungsoder alltagsorientiertes Thema behandelt:
II RCL-PROJEKT
13
4
Fotoeffekt
Quantenphysik
5
Halbleiterkennlinien
Elektronik
6
Heißer Draht
Robotik
2005
7
Lichtgeschwindigkeit
Elektromagnetische Wellen
2006
8
Maut
Nachrichtentechnik
2005
9
Millikan-Versuch
Atomphysik
11/2006
x
10
Optische Computertomographie
Informatik, Mathematik
01/2007
x
11
Optische Fourier-Transformation Fourieroptik, Mathematik
06/2009
12
Oszilloskop
Messtechnik
10/2006
x
13
Radioaktivität
Kernphysik
11/2006
x
14
Roboter im Labyrinth
Robotik
15
Rutherfordscher Streuversuch
Kernphysik
01/2007
x
x
x
x
16
Weltpendel
Mechanik
07/2008
x
x
x
x
17
Windkanal
Mechanik
06/2006
x
x
RCLs in %
Tab. 1:
2005
06/2006
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
2003
x
x
x
x
x
x
29 12 76 71 86 65 41 18
Inhaltliche Einordnung der RCLs des RCL-Portals.
76 % der RCLs sind für die Sekundarstufe I oder II geeignet, wovon fast alle Themen der
RCLs lehrplanrelevant sind. Der Anteil für die Hochschule geeigneter RCLs liegt mit 86 %
etwas höher. Die Vielzahl der Fachgebiete zeigt die inhaltliche Breite der RCLs. Der größte
Anteil von 65 % der RCLs behandelt innerphysikalische Themen.
Abb. 5 zeigt einen Screenshot der Webseite des RCL-Portals nach Wahl des Menüpunkts
RCLs. Die senkrechte Menüleiste enthält eine Übersicht der angebotenen RCLs. Informationen zum Zugang, zur Zugriffsdauer, zur Verfügbarkeit und zu Sprachversionen von RCLs
werden gegeben:
Abb. 5:
RCLs des RCL-Portals und Informationen zum Zugang zu den RCLs.
II RCL-PROJEKT
14
Beim Zeigen mit der Maus auf ein RCL in der Menüleiste werden ein Vorschaubild des
RCLs, eine motivierende Aufforderung zum Lernen, der Standort und der Veröffentlichungszeitpunkt des RCLs präsentiert. Abb. 6 zeigt am Beispiel des RCLs Lichtgeschwindigkeit die
Darstellungsvarianten nach der Wahl des Menüpunkts Labor aus der StandardLernumgebung:
Abb. 6: Zugang zu RCLs am Beispiel des RCLs Lichtgeschwindigkeit.
Experimentiert kein anderer Besucher mit dem RCL (unbesetztes RCL) wird die Login-Seite
dargestellt, mit dem Button "Experiment starten" wird die Login-Seite durch das Bedienfeld
des RCLs (→ II.3.2, Abb. 7) ersetzt und der Besucher kann mit dem RCL experimentieren.
Bei besetztem RCL wird die Wait-Seite dargestellt und die vom RCL abhängige maximale
Zeit (zwischen 60 s beim RCL Elektronenbeugung und 240 s beim RCL Radioaktivität) bis
zum automatischen Ausloggen des aktuellen Besuchers heruntergezählt. Betätigt der aktuelle Besucher währenddessen im Bedienfeld des RCLs Buttons, wird auf der Wait-Seite nach
dem Ablauf der Zeit wieder die maximale Zeit bis zum automatischen Ausloggen angezeigt
und der wartende Besucher muss weiterhin warten. Im anderen Fall wird die Login-Seite angezeigt und der wartende Besucher kann das Bedienfeld des RCLs zum Experimentieren
aufrufen. Es ist also immer gewährleistet, dass der aktuelle Besucher über die Besuchsdauer
bestimmen kann und bei Beendigung des Experimentierens das RCL automatisch für andere
Besucher frei gegeben wird. Wartende Besucher können in den Webcambildern die Aktivitäten des aktuellen Besuchers mitverfolgen.
II RCL-PROJEKT
II.3.2
15
Laborseite und Standard-Lernumgebung
In Abb. 7 ist am Beispiel des RCLs Lichtgeschwindigkeit die aus Webcam- und Bedienfeld
bestehende Laborseite dargestellt. Webcam- und Bedienfeld haben folgende Struktur:
Abb. 7:
Menüleiste der Standard-Lernumgebung und Laborseite aus Webcam- und Bedienfeld beim RCL Lichtgeschwindigkeit.
 Webcamfeld
Im Webcamfeld können ein oder zwei Webcambilder dargestellt sein. Hinweise zum verzögerten Einschalten von Geräten unterhalb der Webcambilder wie in Abb. 7 verhindern,
dass Besucher das Experiment fälschlicherweise vorzeitig abbrechen oder als defekt ansehen. Mit einem Button für Screenshots von Webcambildern können visuelle Versuchsergebnissen wie z. B. das Oszillogramm in Abb. 7 festgehalten und mit entsprechenden
Grafikprogrammen ausgewertet werden. Die Angabe von Daten zur Versuchsgeometrie
und zu weiteren Versuchsparametern wie in Abb. 7 erlauben die Auswertung von Messergebnissen während des Experimentierens (→ III.1.7, ▪ Webcambilder).
 Bedienfeld
Im oberen Teil wird die verbleibende Zeit bis zum automatischen Ausloggen angezeigt.
Bei Betätigung eines Buttons im Bedienfeld wird diese Zeit auf die maximale Zeit bis zum
automatischen Ausloggen zurückgesetzt. Im mittleren Teil befinden sich die Bedienelemente wie z. B. Links, Dropdown-Menüs, Buttons und Eingabefelder zur Durchführung
des Experiments. In Abb. 7 sind das Buttons zum Vergrößern, Verkleinern und Messen
der Reflektordistanz.
Im unteren Teil ist bei den RCLs Fotoeffekt, Radioaktivität, Rutherfordscher Streuversuch,
Optische Fourier-Transformation, Beugung und Interferenz I und II eine automatisierte
mechanische Neujustierung des Versuchs durchführbar. Bei den RCLs Oszilloskop und
Halbleiterkennlinien kann der Versuch elektrisch zurückgesetzt, beim RCL Beugung und
II RCL-PROJEKT
16
Interferenz II können Messdaten heruntergeladen und graphisch dargestellt werden. In
Abb. 7 können für eine optimale Genauigkeit der Zeitmessung mit den Buttons zum Öffnen und Schließen von Blenden die Signale auf gleiche Höhe gebracht werden.
Alle Laborseiten von RCLs sind Teil einer einheitlich strukturierten Standard-Lernumgebung.
Die Standard-Lernumgebung ist ein an die Nutzung im Internet angepasster Ablauf von
Hochschulpraktika und besteht wie in Abb. 7 dargestellt aus den Menüpunkten Einstieg, Aufbau, Theorie, Aufgaben, Labor, Auswertung, Diskussion, Material und Betreuung. Einheitlichkeit und Bekanntheitsgrad der Struktur sollen den Einsatz in der Lehre erleichtern und die
Akzeptanz erhöhen. Inhalte und Materialien orientieren sich an Lehrbüchern, Praktikumsliteratur, Staatsexamensarbeiten und am Wissen von Mitgliedern der Arbeitsgruppe.
Die Standard-Lernumgebungen wurden von Schülern des Summercamps, Staatsexamenskandidaten oder von Mitgliedern der Arbeitsgruppe erstellt. Texte wurden für den Einsatz im
Internet möglichst komprimiert und dennoch verständlich formuliert. Auswahl, Umfang und
Richtigkeit von Inhalten wurden vor der Veröffentlichung durch Mitglieder der Arbeitsgruppe
kontrolliert und gegebenenfalls Texte überarbeitet.
Tab. 2 informiert über den in DIN-A4-Seiten gemessenen Umfang der deutschen StandardLernumgebungen von RCLs des RCL-Portals ohne die Webseite Betreuung und über verfügbare Portalsprachen:
Auswertung
Diskussion
Material
Gesamt
Deutsch
Englisch
0,5
1
37,5
2
1
-
1
0,5
43,5
x
x
0,5
3,5
11
2
1
2,5
1
1
22,5
x
x
3
0,5
1
13
1
1
4
1
0,5
22
x
x
4
Radioaktivität
1
2
8
1
1
6
1
1
21
x
x
5
Optische Fourier-Transformation
0,5
3
10
1,5
1
2,5
1
1
20,5
x
x
6
0,5
1,5
9
1
1
4
1
1
19
x
x
7
Weltpendel
0,5
2,5
8,5
0,5
1
1,5
1
1
16,5
x
x
8
Millikan-Versuch
0,5
1
4
0,5
1
3
1
1
12
x
x
x
Französisch
Labor
2
RCL
Italienisch
Aufgaben
1
Nr.
Einstieg
Theorie
Portalsprache
Aufbau
Webseite
x
x
x
x
x
9
0,5
1,5
3
1
1
3
1
1
12
x
x
x
10
0,5
1,5
4
0,5
1
2,5
1
0,5
11,5
x
x
x
11
Windkanal
0,5
4
2,5
0,5
1
1,5
1
0,5
11,5
x
x
12
Oszilloskop
0,5
1
4,5
0,5
1
2
1
0,5
11
x
x
x
13
Elektronenbeugung
0,5
1
3
0,5
1
1,5
1
0,5
9
x
x
x
14
Fotoeffekt
0,5
1,5
1,5
0,5
1
2
1
0,5
8,5
x
x
x
15
Maut
0,5
0,5
1
-
1
-
0,5
1
4,5
x
x
x
x
16
Heißer Draht
0,5
0,5
1
-
1
-
0,5
0,5
4
x
x
17
0,5
1
0,5
-
1
-
-
-
3
x
x
17 17 10
4
Summe der Seiten
9
28
122
13
17
36
15
12
252
Mittlere Anzahl von Seiten
0,5
1,6
7,2
0,8
1,0
2,1
0,9
0,7
14,8
Anteil der Webseite in %
3,6
11,1 48,4
5,2
6,7
14,3
5,9
4,8
100,0
Tab. 2:
Umfang der deutschen Standard-Lernumgebung von RCLs des RCL-Portals in
DIN-A4-Seiten und verfügbare Portalsprachen.
x
II RCL-PROJEKT
17
Insgesamt werden mehr als 250 Seiten an Standard-Lernumgebung mit durchschnittlich 15
Seiten/RCL angeboten. Die Schwankung der Seitenzahl von Standard-Lernumgebungen ist
auf die Theorieseite zurückzuführen. Deren Umfang hängt von der Komplexität des RCLs
und der Ausführlichkeit mit der physikalisches Grundlagenwissen dargestellt wird ab. Die mit
Abstand höchste Seitenzahl der Standard-Lernumgebung des RCLs Optische Computertomographie resultiert aus fast 30 zusätzlichen Seiten zur Physik, Mathematik, Informatik und
Medizintechnik in der Computertomographie. Ursprünglich war dieses Informationsmaterial
als begleitendes Tutorial (→ VI.2.5) geplant.
Theoretische und experimentelle Inhalte werden ausgewogen angeboten: Durchschnittlich
entfallen auf die Theoriewebseite und die halbe Diskussionswebseite mit theoretischen Fragestellungen ungefähr 51 % der Seiten, auf die experimentellen Webseiten Aufbau, Aufgaben, Labor, Auswertung und die andere halbe Diskussionswebseite entfallen ungefähr 40 %
der Seiten. Von den Standard-Lernumgebungen sind 3 viersprachig, 7 dreisprachig und 7
zweisprachig verfügbar.
II.4
RCL-Recherchen
Internet-Recherchen zum weltweiten Bestand von RCLs und zum Zugang zu RCLs werden
im Folgenden als RCL-Recherchen bezeichnet. RCL-Recherchen im Rahmen von Staatsexamensarbeiten 37,38 ergaben in 2005 ungefähr 70 RCLs, in 2006 ungefähr 120 RCLs sowie
Ergebnisse zum Zugang zu RCLs. 39 In der hier vorgestellten, umfassendsten RCLRecherche vom April 2010 wurden eine Vielzahl an Bestands- und Zugangsmerkmalen von
335 RCLs erfasst.
II.4.1
Methode
Zuerst wurden Linklisten von RCLs in beiden Staatsexamensarbeiten überprüft. Danach
wurde auf zwei Weisen nach RCLs recherchiert:
 Direkte Suche von RCLs mit der Suchmaschine Google 40. Eine Kombination aus einem
technischen (remote, web, internet) und einem didaktischen (laboratory, laboratories, experiment) Anteil im Suchbegriff lieferte die besten Suchergebnisse.
 Indirekte Suche von RCLs über Konferenzbeiträge und Zeitschriftenartikel. In Google
Scholar 41 wurden überwiegend Konferenzbeiträge gefunden. Zeitschriftenartikel wurden
37
Vgl. König 2005, S. 96-105.
38
Vgl. Zorn 2006, S. 11-23, 75-78.
39
Vgl. Gröber 2007a, S. 129-130.
40
Vgl. Google.
II RCL-PROJEKT
18
mit einer auf den Zeitraum 1994 - 2010 eingegrenzten Titelsuche auf den Rechercheseiten der Zeitschriften recherchiert. Bei Zeitschriften mit wenigen Artikeln, wurden die Titel
der Artikel für eine treffsicherere Suche manuell durchsucht. Anschließend wurden Angaben in den Konferenzbeiträgen und Zeitschriftenartikeln zum RCL wie Internetadresse,
Anbieter und Bezeichnung für die Suche nach RCLs mit Google verwendet.
Tab. 3 zeigt eine Übersicht zur Ergiebigkeit von Zeitschriften bei der Suche nach RCLs:
Zeitschriften
mit vielen Artikeln zu RCLs
 European Journal of Physics 
(EJP)

 International Journal of Online 
Engineering (iJOE)
 IEEE Transactions on Educa- 
tion (TE)

 IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

(TIM)

 IEEE Transactions on Learning
Technologies (TLT)
Tab. 3:
Zeitschriften
mit wenigen Artikeln zu RCLs
Zeitschriften
mit keinen Artikeln zu RCLs
The Physics Teacher (TPT)
 Science Education (SE)
Physics Education (PE)
 Science & Education (S & E)
Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der  European Journal of Open, DisSchule (PdN-PhiS)
tance and E-Learning (EJPODE)
Computers and Education (CE)
 Journal of Research in Science
Teaching (JRS)
American Journal of Distance Education (AJDE)
 Journal of Science Education and
Technology (JSET)
American Journal of Physics (AJP)
Tagungs-CDs der DPG Frühjahrstagungen,
Fachverband Didaktik der Physik
Durchsuchte Zeitschriften mit vielen, wenigen und keinen Artikeln zu RCLs.
Durchsucht wurden schul- und hochschulorientierte Physik-Zeitschriften für die Lehre, Zeitschriften für die Fernlehre und ingenieurwissenschaftliche Lehre sowie Wissenschaftszeitschriften. Ein Teil der Zeitschriften wurde anhand einer Sammlung von Artikeln bis 2006
ausgewählt 42, weitere Zeitschriften wurden anhand des Zeitschriftentitels ausgewählt. Ein
Anteil von ungefähr 90 % der weltweit im Internet verfügbaren oder publizierten RCLs wurde
aus folgenden Gründen erfasst:
 Hohe Anzahl und Vielfalt der durchsuchten Zeitschriften
 Die indirekte Suche liefert auch verstecktere und nicht mehr im Internet verfügbare RCLs
 Google Scholar liefert eine Vielzahl von nur in Konferenzbeiträgen publizierten RCLs
 Links zu weiteren RCLs im Literaturverzeichnis von Konferenzbeiträgen und Zeitschriftenartikeln zu RCLs wurden geprüft
 Bei nicht zielführendem Link zum RCL wurden die Oberverzeichnisse der Website durchsucht.
Die direkte Suche ergab keine RCLs zur Biologie und nur zwei RCLs zur technischen Chemie an einer kanadischen Hochschule. RCLs zur Administration von Netzwerken und zum
Erlernen von Hardware-Programmierung wurden nicht erfasst. Tab. 5 zeigt exemplarisch an
41
Vgl. Google Scholar.
42
Artikelsammlung von B. Eckert.
II RCL-PROJEKT
19
einem RCL die in einer Tabelle (→ Anhang X.5) erhobenen Datensätze mit Bestands- und
Zugangsmerkmalen:
Blekinge Institute
Sweden
of Technology
Tab. 4:
El Ae 1999
0 0
x
x
Statusangabe
Softwareinstallation
Linksuche
Buchung
Link defekt
RCL
Persönliche Angaben
Gastzugang
x En x
Registrierung/Anmeldung
Nutzerkreis eingeschränkt
iJOE
Pro
Pro
Pro
Pro
Pro
Webseite existiert
Electronic
Laboratory
Sprachen Laborseite
I
Department
of Signal
Processing
Standard-Lernumgebung
Thema
Jahr
Arbeitsgruppe
Schuleignung
Hochschule
Gebiet
5
OpenLab
s Electronics Laboratory
Land
Allgemein
Teilgebiet
Nationales/
Internatio- Lokales
nales
Projekt
Projekt
RCL
Artikel
ID
Anbieter
Hochschulform
Projekt
Zugangsmerkmale
Testfragen
Ladezeit lang
Bestandsmerkmale
LV x
Datensatz zur Erhebung von Bestands- und Zugangsmerkmalen von RCLs.
Projekt
Über die ID in Tab. 5 ist jedes RCL identifizierbar. Links zu Projektwebseiten, zur anbietenden Hochschule, zur Arbeitsgruppe, zum RCL (Thema) und zu Artikeln zum RCL erlauben
nachträgliche Überprüfungen und Korrekturen der Angaben. In Einzelfällen wurden mehrere
kleine RCLs zur Elektronik eines Anbieters als ein RCL gezählt, um die Vergleichbarkeit mit
z. B. einem RCL zur Elektronenmikroskopie zu gewährleisten. Eine mehrfache Erfassung
von RCLs ist durch die Vielzahl der Merkmale mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen.
Tab. 5 erläutert die Bestandsmerkmale und Abkürzungen in der Tabelle, Zugangsmerkmale
werden beim Qualitätskriterium Barrierefreiheit (→ III.1.2, Tab. 11) erläutert:
Bestandsmerkmal
Erläuterung
Nationales/Internationales Projekt
 RCLs werden fast ausschließlich im Rahmen nationaler (Kooperation mehrerer Hochschulen eines Landes) oder internationaler (Kooperation zwischen Hochschulen mehrerer Länder) Projekte finanziert und entwickelt
Lokales Projekt
 Ein lokales Projekt ist ein Projekt an einer Hochschule. Dieses kann ein eigenständiges
Projekt oder ein Teilprojekt eines nationalen oder internationalen Projekts sein
 Angegeben sind Name und Abkürzung des Projekts
 Angegeben sind Name und Abkürzung des Projekts
Land
Anbieter
Hochschule
Hochschulform
Arbeitsgruppe
Thema
RCL
Artikel
Gebiet und Teilgebiete
43
 Angegeben ist das Land der anbietenden Hochschule
 Angegeben sind Name und Abkürzung mit Link zur anbietenden Hochschule
 Angegeben sind die Hochschulformen Institut (I), Universität (U), Technische Universität
(TU) und Fachhochschule (UAS)
 Kleinste institutionelle Einheit an der Hochschule, die das RCL entwickelt hat
 Angegeben ist der Name mit Link zur Arbeitsgruppe
 Angegeben ist Bezeichnung des RCLs mit Link zum RCL
 Angegeben sind Abkürzungen der Zeitschriftentitel mit Links zu RCL-Artikeln 43
 In Word zeigt der Link beim Mausover den ersten Autor und den Titel des Artikels an
 Einordnung des Themas in ein Gebiet und Teilgebiet anhand der Bezeichnung des RCLs,
Informationen auf der RCL-Website und Artikeln
 Gebiet Steuern und Regeln (Ce) mit Teilgebieten Robotik (Ro), Position/Geschwindigkeit
(Po), Pegel/Fluss (Fs), Anlage (Pl), Elektromotoren (Mo), Wärmemenge/Temperatur (T),
Artikel in elektronischer Form bei S. Gröber.
II RCL-PROJEKT
20
Mechanische Schwingungen (Ms), Pneumatik/Hydraulik (Pr), Elektrische Größen (El)
 Gebiet Elektronik (El) mit Teilgebieten Analoge Elektronik (Ae), Digitale Elektronik (De),
Kennlinien (Ch), Messtechnik (M)
 Gebiet Mechanik (Me) mit Teilgebieten Akustik (Ac), Strömungen (St), Schwingungen
(Ms), Verformungen (Em), Kinematik (Ki), Messungen (M)
 Elektrodynamik (Ed) mit Teilgebieten Elektromagnetische Wellen (Ew), Geometrische Optik Op), Magnetostatik (Ms), Elektrostatik (Es)
 Gebiet Instrumente mit Teilgebieten Spektroskopie (Sp), Teleskopie (Te), Mikroskopie (Mi)
 Gebiete ohne Teilgebiete sind Atomphysik (Ap), Teilchenphysik (Pp), Thermodynamik (T),
Nuklearphysik (Np), Festkörperphysik (Sp), Quantenphysik (Qp), Chaos (Ch)
 Bei verfügbarem Artikel zum RCL ist das Erscheinungsjahr des Artikels angegeben, ansonsten wurden falls verfügbar Jahresangaben auf der Website des RCLs angegeben
Jahr
 Die Unsicherheit der Jahresangabe beträgt aufgrund von Unterschieden zwischen Fertigstellung,Veröffentlichung im Internet und Publikation eines RCLs ungefähr 1 Jahr
 Angaben zur Dauer der Veröffentlichung von RCLs im Internet konnten wegen fehlender
Informationen nicht gemacht werden
Schuleignung
 Einschätzung der Eignung des RCLs für Sekundarstufe I oder II anhand von Lehrplänen,
44
einem Standard-Schulbuch der Sekundarstufe II und Erfahrungen aus der Schulpraxis
 Angegeben ist ungeeignet für Schule bzw. geeignet für Einsatz in der Hochschule (0), geeignet für Standardunterricht in der Schule (1) und geeignet für vertiefenden Unterricht oder Projekt in der Schule (2)
StandardLernumgebung
 Angegeben ist, ob Standard-Lernumgebung fehlt (0) oder aus Versuchsaufbau (1), Versuchsaufbau und Theorie (2) oder Versuchsaufbau, Theorie und Aufgaben (3) besteht
Tab. 5:
II.4.2
Erläuterung der Bestandsmerkmale in Tab. 5.
Ergebnisse zum RCL-Bestand
Es werden Ergebnisse zu Hochschulen als Anbieter von RCLs, zur Anzahl der RCLs/Land,
zur jährlichen Anzahl neuer RCLs, zur Häufigkeit themengleicher RCLs, zu Gebieten und
Teilgebieten der Themen von RCLs und zur Anzahl schulgeeigneter RCLs präsentiert:
 Anbietende Hochschulen
Abb. 9 zeigt, dass Universitäten die meisten und Fernuniversitäten die wenigsten RCLs
anbieten. Abb. 10 ist aussagekräftiger, da es weltweit z. B. wesentlich weniger Universitäten wie Fernuniversitäten gibt:
Abb. 8: Verteilung der RCLs nach Hochschulform (N = 335).
44
Vgl. Grehn 2007.
Abb. 9: Verteilung der RCLs pro Hochschule nach Hochschulform (N = 144).
II RCL-PROJEKT
21
Technischen Universitäten bieten mit Abstand gegenüber den anderen Hochschulformen
die meisten RCLs/Hochschule an, weil dort mehr technisches Know-how in den Ingenieurdisziplinen für die Entwicklung von RCLs vorhanden ist. Drei Fernuniversitäten bieten
in etwa gleich viele RCLs/Hochschule unter den weiteren Hochschulformen an, weil RCLs
für die Fernlehre von besonderer Bedeutung sind (→ VIII.3.4.3). Die auf Deutschland beschränkten Fachhochschulen bzw. Hochschulen haben im weltweiten Vergleich mit 2,5
RCLs/Hochschule einen großen Beitrag zum Bestand an RCLs geleistet. Das RCLProjekt ist ein typisches, von einer Technischen Universität getragenes Projekt.
 Anzahl der entwickelten RCLs/Hochschule
Abb. 11 zeigt wie sich 328 RCLs von 144 Hochschulen mit durchschnittlich 2,3
RCLs/Hochschule auf die Anzahl entwickelter RCLs verteilen:
Abb. 10: Verteilung der Hochschulen nach der Anzahl entwickelter RCLs (N = 144).
59 % (85) der Hochschulen haben ein, 13 % (19) zwei und 9 % (13) drei RCLs entwickelt.
Mehr als 10 RCLs haben die Technische Universität Berlin (12), die Universität Porto (13)
und die Technische Universität Kaiserslautern (17) entwickelt. Die Verteilung zeigt den
hohen Entwicklungsaufwand von RCLs, weil nur ein geringer Anteil von Hochschulen
RCLs in "Serienproduktion" entwickelt hat. Die Abbruchquote von fast 60 % nach der
Entwicklung eines RCLs resultiert wahrscheinlich aus dem Bedürfnis an der Entwicklung
eines attraktiven Mediums mitzuwirken, aber den Entwicklungsaufwand unterschätzt zu
haben. Im gesamten RCL-Projekt wurden 25 RCLs entwickelt (→ I.1.1, Abb. 3) und es
stehen weltweit die meisten RCLs im Internet bereit.
II RCL-PROJEKT
22
 Anzahl der RCLs pro Land
Abb. 12 zeigt die Verteilung entwickelter RCLs nach dem Land der Hochschule:
Abb. 11: Verteilung der RCLs nach dem Land der Hochschule (N = 335).
An deutschen und amerikanischen Hochschulen wurde fast die Hälfte des weltweiten Bestands an RCLs entwickelt. Mit Anteilen unter 7 % folgen mit Abstand die restlichen Länder.
Da sich unter den 10 vordersten Anbieterländern 7 europäische Länder befinden, ist nach
Abb. 12 Europa der mit Abstand führende Anbieter von RCLs vor Nordamerika. Eine Ursache dafür könnte die Vielzahl von Förderprogrammen und Projekte der Europäischen
Union sein. Ärmere Kontinente wie Südamerika und Afrika, die am meisten von RCLs wegen fehlender experimenteller Infrastruktur profitieren könnten, nahmen bisher nicht an
der Entwicklung von RCLs teil (→ VIII.3.4.1, ▪ RCL-Fernpraktika für die Dritte Welt).
Abb. 12: Verteilung der RCLs nach dem Kontinent der
Hochschule (N = 335).
II RCL-PROJEKT
23
 Jährliche Anzahl neuer RCLs
In Abb. 14 ist die jährliche Anzahl neuer RCLs für alle Länder, Deutschland, USA und Europa ohne Deutschland in der Zeit zwischen 1994 und April 2010 dargestellt:
Abb. 13: Verteilung neuer RCLs zwischen 1994 und April 2010 (N = 335).
Die jährliche Anzahl neuer RCLs aller Länder nimmt nach einem wellenförmigen Aufwärtstrend mit drei Maxima in den Jahren 1995, 2002 und 2005 nach 2005 mit ungefähr 9
RCLs/Jahr ab. Das erste Maximum wird fast vollständig, die weiteren Maxima nur noch zu
einem wesentlich kleineren Anteil durch die USA getragen. Nach 2005 werden fast keine
RCLs mehr in den USA entwickelt.
Der Anteil Deutschlands am zweiten Maximum ist größer als am dritten Maximum. Zum
deutschen Maximum in 2007 tragen mehrheitlich 8 RCLs der Technischen Universität
Berlin und 5 RCLs der Technischen Universität Kaiserslautern bei. Das dritte Maximum
wird im Wesentlichen von europäischen Ländern - Deutschland ausgenommen - getragen. Die Entwicklung von RCLs wurde von den USA über Deutschland in weitere europäische Länder getragen. Gründe der Abnahme von RCLs nach 2005 sind vermutlich, dass
Hochschulen die Entwicklung von RCLs als abgeschlossen ansehen oder dass die Europäische Union zeitweise ihre Förderungsrichtlinien verändert hat.
Eine Sortierung der RCLs in der Tabelle zur RCL-Recherche (→ Anhang X.5) nach den
Bestandsmerkmalen Hochschule und Jahr zeigt, dass das RCL-Projekt weltweit die längste Laufzeit hat.
II RCL-PROJEKT
24
 Themen von RCLs
Abb. 15 zeigt die Verteilung der Themen von RCLs nach Wissenschaften, Gebieten und
Teilgebieten:
Abb. 14: Verteilung der Themen von RCLs nach Gebieten und Teilgebieten (N = 332).
Fast zwei Drittel der RCLs entfallen auf die Technik als Ingenieurwissenschaft, ungefähr
ein Drittel auf die Physik als Naturwissenschaft. Im Vergleich zur RCL-Recherche in
200645 hat sich der Anteil an RCLs zur Physik nicht verändert. Die Technik wird hauptsächlich getragen von RCLs zur Regelungstechnik und Mechatronik und einem Anteil von
26 % zur Robotik. Werden nur die letzten 4 Jahre in die Auswertung einbezogen, dann ist
der Anteil Physik-RCLs aufgrund des Rückgangs von RCLs zur Robotik höher.
Ein Anteil von über 50 % an Physik-RCLs zur Mechanik und Elektrodynamik entspricht
der Bedeutung dieser Grundlagengebiete in der Schule und im Grundstudium der Physik.
Ein hoher Anteil von fast 20 % der Physik-RCLs entfällt auf Instrumente zur Spektroskopie, Teleskopie und Mikroskopie. Weitere und weiterführende Gebiete wie z. B. Festkörperphysik, Teilchenphysik und Quantenphysik tragen insgesamt mit 30 %, im Durchschnitt
jedes Gebiet aber nur mit 4 % zu den Physik-RCLs bei. Es besteht ein Entwicklungsbedarf von RCLs in moderner Physik. Mit 2 RCLs (15 %) zur Mechanik und 6 RCLs (47 %)
zur modernen Physik von 13 RCLs zur Physik (→ I.3.1, Tab. 1) kommt das RCL-Projekt
diesem Entwicklungsbedarf nach.
 Themengleiche RCLs
Zu mehreren Themen wurden mehrere gleiche oder ähnliche RCLs entwickelt: 17-mal
Regelung des Pegels und Flusses zwischen Wasserbehältern, 16-mal Kennlinien elektronischer Bauteile, 5-mal Inverses Pendel, 4-mal Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit, 4-
45
Vgl. Gröber 2007a, S. 129.
II RCL-PROJEKT
25
mal Magnetische Hysterese, 4-mal Beugung von Licht an Gittern, 4-mal Oszilloskop, 3mal Michelson-Interferometer und 3-mal Wetterstation. Vermutlich haben nicht alle Anbieter eine Recherche nach bereits entwickelten RCLs durchgeführt oder wollten ein verbessertes RCL mit eigener technischer Lösung anbieten.
 Schulgeeignete RCLs
Tab. 6 zeigt differenziert nach den Gebieten aus Abb. 14 den Anteil für den Standardunterricht und zur Vertiefung oder für Projekte geeigneter RCLs:
Steuern und
Regeln
Elektronik
Mechanik
Elektrodynamik
Weitere
Gebiete
Instrumente
Gesamt
RCLs für Standardunterricht in %
0
14
42
70
31
9
40
RCLs zur Vertiefung
oder Projekte in %
0
29
16
10
46
32
26
Tab. 6:
Anteile der Gebiete von in Sekundarstufe I oder II einsetzbaren RCLs.
Steuern und Regeln auf dem Niveau der angebotenen RCLs sind keine Inhalte der Realschule und generell keine Inhalte der Sekundarstufe II. Speziell RCLs zur Robotik sind im
Standardunterricht und zur Vertiefung in der Sekundarstufe II und auch in der Realschule
ungeeignet. In der Realschule werden sinnvollerweise Wahlkurse zur Robotik mit Bausätzen von FischerTechnik angeboten. 46 Für den Standardunterricht entfallen die größten
Anteile auf die Elektrodynamik und Mechanik. Entwicklungsbedarf von RCLs für den
Standardunterricht besteht auf dem Gebiet Elektronik. Über alle Gebiete gemittelt sind 40
% der RCLs im Standardunterricht und 26 % der RCLs als Vertiefung im Unterricht oder
zum Einsatz in Projekten geeignet. Alle genannten Anteile sind eine Abschätzung nach
oben, weil die Schuleignung aus Gründen des Aufwands nur anhand des Themas und
ohne Prüfung der Qualität der RCLs erfolgte. Ein überdurchschnittlicher Anteil von 76 %
der RCLs des RCL-Projekts sind für die Schule geeignet (→ I.3.1, Tab. 1).
II.5
Evaluation des RCL-Portals
II.5.1
Methoden
Mit Besucher-Tracking wird im Folgenden die Datenerfassung der Aktivitäten von Besuchern
auf Webseiten von RCLs verstanden. 47 Eingesetzt wurden Logdateien zum Erfassen der Aktionen von Besuchern auf der Laborseite und das Webanalysetool Google Analytics 48 zum
Besucher-Tracking der Standard-Lernumgebung:
46
Vgl. z. B. Wahlunterricht Robotik an der Wittelsbacher Realschule.
47
Vgl. Reese 2009, S. 12.
48
Vgl. Google Analytics, Zugriff nach Anmeldung.
II RCL-PROJEKT
26
 Besucher-Tracking der Laborseite von RCLs mit Logdateien
Standardmäßig werden Zugriffe auf Server in einer Server-Logdatei festgehalten. Damit
werden zwar viele, aber wenig relevante Besucherdaten zum Experimentieren mit RCLs
festgehalten. Deshalb wurden die Laborseiten von RCLs so programmiert, dass Aktionen
von Besuchern im Bedienfeld in einer Logdatei gespeichert werden. Die Logdatei kann
entweder in einem Browser geöffnet 49 und gespeichert oder per Fernzugriff (← II.2.2,
▪ Fernzugriff auf RCL-Server und RCL-Portalserver) vom RCL-Server heruntergeladen
werden. Abb. 16 zeigt am Beispiel des RCLs Elektronenbeugung den Zusammenhang
zwischen Aktionen im Bedienfeld der Laborseite und der Logdatei des RCLs:
Abb. 15: Zusammenhang zwischen Aktionen auf der Laborseite des
RCLs Elektronenbeugung und Speicherung in einer Logdatei.
Zeilenweise werden Datum, Uhrzeit, IP-Adresse und Aktion (ACTION) des Besuchers erfasst. Aus Datum, Uhrzeit und IP-Adresse kann die Anzahl der Besuche in einem bestimmten Zeitraum gezählt werden. Besuche unter den IP-Adressen der Arbeitsgruppe
und der Lokalhost-Adresse 127.0.0.1 auf dem RCL-Server dürfen nicht mitgezählt werden. Die Entwicklung von Besucherzahlen von RCLs kann so untersucht werden (→
II.5.2).
Beim Aufrufen der Laborseite mit "Experiment starten" (← II.3.1, Abb. 6) wird die Aktion
"Init", beim Verlassen die Aktion "timeout" gespeichert. Die Aktionen "RöhreAn" und
"Spannung 4.3" halten das Einschalten der Elektronenbeugungsröhre und das Einstellen
einer Beschleunigungsspannung von 4,3 kV fest. Anhand der Folge von Aktionen können
49
http://xxx.xxx.xxx.xxx/Labor/privat/log.txt mit xxx.xxx.xxx.xxx als IP-Adresse des RCLs.
II RCL-PROJEKT
27
Aussagen über das Experimentieren von Besuchern mit RCLs und die Qualität der RCLs
getroffen werden (→ III.2.2).
 Besucher-Tracking der Standard-Lernumgebung von RCLs mit Google Analytics
Google Analytics ist ein kostenloses Webanalysetool im Internet. Eine große Anzahl von
Kenngrößen der Besucherströme wie z. B. Besucher/Tag, Seitenaufrufe/Tag können auf
maximal 50 Servern gleichzeitig erfasst werden. 50 Dazu wird auf der Webseite von Google
Analytics in einem sogenannten Konto jedem RCL ein Profil zugewiesen und auf den
RCL-Servern ein Tracking-Code in alle Webseiten der Standard-Lernumgebung eingefügt. 51 Besucherdaten sind dann mit maximal einem Tag Verzögerung auf der Webseite
von Google Analytics verfügbar. Zugriffe auf RCLs über IP-Adressen der Arbeitsgruppe
werden mit Hilfe von Filtern nicht erfasst.
Google Analytics bietet die Möglichkeit eines Benchmarking: Kenngrößen des eigenen
Kontos mit den Standard-Lernumgebungen der 13 RCLs können für wählbare Zeiträume
mit gleichen Kenngrößen der Konten anderer Nutzer von Google Analytics verglichen
werden. Dazu müssen die Daten des eigenen Kontos durch Zuordnung in die Kategorie
Physik für andere Nutzer des Benchmarking freigegeben werden. In jeder Kategorie befinden sich mindestens 100 Konten vergleichbaren Datenumfangs, die den Branchendurchschnitt repräsentieren. Die Qualität der Standard-Lernumgebungen von RCLs kann
so mit einem Benchmarking beurteilt werden (→ II.5.3).
II.5.2
Besucherzahlen von RCLs
Für die Zeiträume 01.07.2002 - 28.06.2006 (4 Jahre mit großen zeitlichen Lücken, 4
RCLs) 52, 01.08.2006 - 30.11.2006 (4 Monate, 10 RCLs) 53 und 01.12.2006 - 02.06.2007 (6
Monate, 10 RCLs) 54 liegen Besucherzahlen nur für unzusammenhängende Zeiträume und
nicht alle RCLs vor. Um die Entwicklung der Besucherzahlen über einen größeren, zusammenhängenden Zeitraum zu untersuchen, wurden Logdateien von RCLs zwischen September 2005 und Januar 2011 ausgewertet. Die monatlichen Besuche wurden gezählt, auf Besuche/Tag umgerechnet und dem Monat zugeordnet (→ Anhang X.6).
50
Vgl. Aden 2009, S. 101.
51
Vgl. Aden 2009, S. 65-66.
52
Vgl. Gröber 2007a, Tab. 2, S. 138.
53
Vgl. Knecht 2007, S. 21-25.
54
Vgl. Bender 2008, S. 7-17.
II RCL-PROJEKT
28
Abb. 17 zeigt den summierten zeitlichen Verlauf der Besuche/Tag der 20 RCLs (16 RCLs
und 4 RCLs des Weltpendels) des RCL-Portals (schwarzer Graph mit Quadraten) und
exemplarisch den Verlauf der Besuche/Tag des RCLs Elektronenbeugung (schwarzer Graph
mit Dreiecken):
Abb. 16: Besuche/Tag der RCLs des RCL-Portals und des RCLs Elektronenbeugung.
Die langfristige, mehrjährige Entwicklung der Besuche/Tag aller oder einzelner RCLs kann
mit Regressionsgeraden (gestrichelte schwarze Geraden in Abb. 17) beschrieben werden:
 Entwicklung der Besuche/Tag des RCL-Portals
Die Besuche/Tag haben durch Zunahme der Anzahl von RCLs und durch Zunahme der
Besuche einzelner RCLs um ungefähr 14 Besuche/Tag im Jahr zugenommen. In den etwas mehr als 5 Jahren wurden ungefähr 85000 Besuche von RCLs registriert, davon ungefähr 25000 Besuche in 2010.
 Entwicklung der Besuche/Tag einzelner RCLs
Die Besuche/Tag des exemplarisch in Abb. 16 eingetragenen RCLs Elektronenbeugung
haben durchschnittlich um 1,4 Besuche/Tag im Jahr zugenommen. In Abb. 17 ist von den
17 RCLs (RCL Weltpendel als ein RCL) für den Zeitraum seit der Veröffentlichung des
RCLs die Änderung der Besuche/Tag in einem Jahr über dem Mittelwert der Besuche/Tag
aufgetragen:
II RCL-PROJEKT
29
Abb. 17: Charakterisierung der Besuche einzelner RCLs durch Mittelwert der
Besuche/Tag und Änderung der Besuche/Tag in einem Jahr im Veröffentlichungszeitraum.
Die RCLs Heißer Draht und Maut haben die niedrigsten Mittelwerte der Besuche/Tag wegen längerem Fehlen einer Internetverbindung am Standort. Der höchste Mittelwert des
RCLs Millikan-Versuchs von 6,2 Besuche/Tag zeigt die gute Wahl des Versuchs als RCL:
Trotz Informationen zur Funktionsuntüchtigkeit des RCLs seit ungefähr 2 Jahren rufen
Besucher die Laborseite des RCLs auf. Ein Zuwachs an Besuchen/Tag wird wegen der
Funktionsuntüchtigkeit nicht erzielt.
Die sehr gut konzipierten RCLs Optische Fourier-Transformation (→ IV.2.7) und Beugung
und Interferenz II (→ III.2.1) erzielen nur kleine Mittelwerte an Besuchen/Tag, weil die Positionierung der Beugungsobjekte instabil ist. Beim RCL Optische Fourier-Transformation
kommen weitere Gründe dazu (→ IV.3, ▪ RCL Optische Fourier-Transformation).
Sieben RCLs mit bis zu -0,7 Besuche/Tag im Jahr (RCL Oszilloskop) haben nur durch die
Integration ins RCL-Portal zur Steigerung der Besuche/Tag des RCL-Portals beigetragen.
Die restlichen 10 RCLs haben zusätzlich mit Steigerungen bis zu 2,8 Besuchen/Tag im
Jahr (RCL Weltpendel) zur Steigerung der Besuche/Tag des RCL-Portals beigetragen.
Kurzfristige, monatliche Änderungen der Besuche/Tag des RCL-Portals haben folgende Ursachen:
 Deutsche Ferienzeiten im Juli, Dezember und März/April erzeugen unterschiedlich stark
ausgeprägte Minima (grüne Messpunkte in Abb. 16). Dies zeigt, dass RCLs in deutschen
Schulen in der Lehre eingesetzt werden. Vom Lehrplan und von der Fachsystematik abhängige Zeiten von Unterrichtsthemen beeinflussen ebenso die Anzahl der Besuche/Tag.
 RCL-Fortbildungen (→ VII.3) mit Zugriffen einer Gruppe von Lehrkräften auf alle RCLs an
einem Tag erklären die Maxima bestimmter Monate (gelbe Messpunkte in Abb. 16).
Kurzfristige, monatliche Änderungen der Besuche/Tag einzelner RCLs haben folgende Ursachen:
II RCL-PROJEKT
30
 Deutsche Zeitschriftenartikel (→ VII.1) und Beiträge auf dem Schulportal Lehrer-Online
(→ VII.2) haben unmittelbar nach der Veröffentlichung nicht zu einer Erhöhung der Besuche/Tag geführt. Bei einigen RCLs lag der Veröffentlichungszeitpunkt in den Schulferien,
das RCL war noch nicht online oder voll funktionsfähig verfügbar. Auch die Veröffentlichung neuer RCLs auf dem RCL-Portal führt nicht aufgrund eines Neuigkeitseffekts zu einem sprunghaften Anstieg der Besuche/Tag.
 Über längere Ausfälle der Internetverbindung wie z. B. bei den RCLs Maut und Heißer
Draht wurden Besucher informiert (→ II.3.1, Abb. 5). Obwohl die Zahl der Besuche dann
sofort auf null geht, sinkt die monatlich gemittelte Zahl der Besuche/Tag einzelner RCLs
wie in Abb. 17 nicht auf null, weil die meisten Ausfälle der Internetverbindung in weniger
als einer Woche beseitigt werden konnten.
 Besucher des RCL-Portals wurden über eine eingeschränkte Funktionalität von RCLs informiert (→ II.3.1, Abb. 5), die Laborseite des RCLs konnte jedoch noch aufgerufen werden. Weil nicht alle Besucher solche Hinweise lesen, sinkt z. B. in Abb. 17 zwischen Februar und Juni 2009 trotz Funktionsuntüchtigkeit der Elektronenbeugungsröhre die Anzahl
der Besuche/Tag nur wenig ab. Nach der Reparatur und einem besser als im traditionellen Realexperiment vermessbaren Beugungsmuster, nimmt die Anzahl der Besuche/Tag
stetig bis zum Maximum im November 2009 zu.
Die mittelfristige, jährliche Entwicklung der Besuche/Tag des RCL-Portals ist abhängig von
der Zahl ins RCL-Portal integrierter RCLs (blaue Balken in Abb. 17) und dem Anteil defekter
RCLs (roter Graph in Abb. 17). Es lassen sich vier Zeitabschnitte unterscheiden:
 Startphase und RCL-Produktion (September 2005 - Juli 2007)
Das RCL-Portal startete mit 7, teilweise vor September 2005 existierenden RCLs, ohne
bis Juli 2006 einen nennenswerten Zuwachs an Besuchen/Tag zu verzeichnen. Danach
wurden 7 weitere RCLs in einem sehr kurzen Zeitraum zwischen Oktober 2006 und Januar 2007 ins RCL-Portal integriert. Dies führte bereits im Veröffentlichungszeitraum zu einem deutlichen Anstieg der Besuche/Tag, der am Schuljahresende in 2007 bei ungefähr
35 Besuchen/Tag stagnierte. Ab Juni 2006 wurde die Verfügbarkeit der RCLs des RCLPortals durch monatliche Tests überprüft, wodurch Fehler schneller erkannt und beseitigt
werden konnten (→ III.1.1.1). Trotzdem nahm der Anteil funktionsuntüchtiger RCLs im
Laufe des Jahres 2007 zu, weil zu viele RCLs in einer relativ kurzen Zeit ohne ausreichende Qualitätskontrolle produziert worden waren.
 Bewährung (Juli 2007 - Juli 2008)
Der zu Beginn des Schuljahres 2007/2008 einsetzende, von fast allen RCLs getragene
Zuwachs an Besuchen/Tag (→ Anhang X.6), führt im November 2007 zu einem Maximum
von 75 Besuchen/Tag. Vermutlich haben die drei in kurzer Abfolge zwischen Februar und
Juli 2007 erschienenen deutschen Zeitschriftenartikel zu den RCLs Fotoeffekt, Optische
Kristallographie und Weltpendel (→ Anhang X.7) das RCL-Portal einer größeren Anzahl
von Lehrkräften bekannt gemacht. Ein weiterer Grund können positive Mitnahme- bzw.
II RCL-PROJEKT
31
Vermehrungseffekte sein: Findet eine Lehrkraft ein gutes und geeignetes RCL auf dem
RCL-Portal, dann mit großer Wahrscheinlichkeit auch weitere. Durch Mund-zu-MundPropaganda unter den Physiklehrkräften, werden weitere Lehrkräfte auf die RCLs des
RCL-Portals aufmerksam.
Zwischen November 2007 und Juli 2008 sinkt die Anzahl der Besuche/Tag des RCLPortals getragen von fast allen RCLs (→ Anhang X.6) um mehr als die Hälfte auf fast wieder das Niveau vom Juli 2007. Gründe sind durch die intensive Nutzung auftretende
Funktionsuntüchtigkeiten von RCLs und dass es nicht nur positive, sondern auch negative
Mitnahmeeffekte gibt. Diese erste Bewährungsprobe zwischen Juli 2007 und Juli 2008
haben die RCLs des RCL-Portals nicht bestanden.
 Konsolidierung (Juli 2008 - Juli 2009)
In der Zeit zwischen Juli 2008 und Juli 2009 bleibt die Anzahl der Besuche/Tag mit ungefähr 40 Besuchen/Tag konstant. Der Anstieg an Besuchen/Tag nach Juli 2008 wird von
zunehmender Anzahl an Besuchen bereits integrierter RCLs getragen (→ Anhang X.6)
und ist nicht auf das im Juli 2008 erste veröffentlichte RCL Weltpendel in Kaisersesch und
zwei weitere in diesem Zeitraum veröffentlichte RCLs zurückzuführen.
Zwischen April 2008 und Mai 2009 wurden 9 Beiträge zu RCLs auf dem Schulportal Lehrer-Online veröffentlicht (→ VII.2.2, Tab. 47), in der ersten Hälfte von 2009 wurden die
Webseiten aller Standard-Lernumgebungen überarbeitet (← II.2.2, ▪ Form und Inhalte der
Standard-Lernumgebungen) und zwei weitere deutsche Zeitschriftenartikel zu den RCLs
Beugung und Interferenz II und Rutherfordscher Streuversuch veröffentlicht (→ Anhang
X.7). Im gesamten Zeitraum wurden auftretende Fehler von RCLs nachhaltig beseitigt.
Die Zeit zwischen Juli 2008 und Juli 2009 wurde mit dieser Vielzahl von Maßnahmen zur
Konsolidierung des RCL-Portals genutzt.
 Selbsttragendes RCL-Angebot (Juli 2009 - Januar 2011)
Seit Juli 2009 wächst die Anzahl der Besuche/Tag ohne die weitere Integration von RCLs
ins RCL-Portal. Dies zeigt den Erfolg der zuvor durchgeführten Maßnahmen zur Konsolidierung.
Insgesamt kann von einer nachhaltigen Entwicklung der Besuche/Tag des RCL-Portals gesprochen werden. Die großen monatlichen Änderungen der Besuche/Tag zeigen, dass Aussagen zu Anzahl der Besuche nur sinnvoll sind für Erhebungszeiträume von mindestens einem Jahr. Unbekannt ist vor allem die Empfindlichkeit der Lehrkräfte gegenüber Funktionsstörungen von RCLs, die vermutlich größer ist als die Empfindlichkeit der Lehrkräfte gegenüber der Verbesserung von RCLs.
Die Anzahl der Besuche des RCL-Portals kann anhand von Versuchen mit bekannter Nutzungshäufigkeit an deutschen Gymnasien eingeordnet werden: In 2010 wurden ungefähr
4000 Besuche des RCLs Elektronenbeugung registriert (→ Anhang X.6), davon kommen
84,3 % (→ II.5.3, ▪ Besuche nach Ländern) oder 3400 Besuche aus Deutschland. Der maxi-
II RCL-PROJEKT
32
male Bedarf für das RCL Elektronenbeugung liegt für 3070 Gymnasien in Deutschland 55,
durchschnittlich 2 Physikkursen in der Jahrgangsstufe 12 und zweimaligem Einsatz des Experiments bei 12280 Besuchen. Unter Vernachlässigung der vermutlich geringen Nutzung in
Hochschulen und der Nutzung durch informelle Besucher beträgt der Marktanteil des RCLs
Elektronenbeugung 25 %.
II.5.3
Ergebnisse zur Standard-Lernumgebung
Google Analytics wurde im Zeitraum 01.03.2010 - 01.07.2010 für ein Besucher-Tracking der
deutsch- und englischsprachigen Standard-Lernumgebungen von 13 RCLs eingesetzt. Die
RCLs Maut, Heißer Draht und Rutherfordscher Streuversuch bleiben wegen fehlender Internetverbindung im Erhebungszeitraum, das RCL Beugung und Interferenz I wegen fehlendem
Tracking-Code unberücksichtigt.
Im Folgenden werden Fragen zur Standard-Lernumgebung der RCLs des RCL-Portals beantwortet: Woher kommen die Besucher von RCLs? Welchen Umfang und welche Mehrsprachigkeit haben Standard-Lernumgebungen der RCLs im weltweiten Vergleich? Wie oft
und wie lange werden die Standard-Lernumgebung und einzelne Seiten davon besucht?
Sind umfangreichere oder weniger umfangreiche Standard-Lernumgebungen besser?
 Besuche nach Ländern
Bisher konnten Länder der Besuche nur aus freiwilligen, unsicheren Angaben auf der Login-Seite des RCLs Elektronenbeugung (→ I.3.1, Abb. 6) von 12 % der Besuche im Zeitraum 01.08.06 - 29.11.0656 und für variierende Zeiträume mehrerer RCLs 57 ermittelt werden. Google Analytics ermittelt automatisch aus der IP-Adresse das Land des BesucherStandorts mit geringen Unsicherheiten. 58 Abb. 19 zeigt die Anzahl der Besuche der
deutsch- und englischsprachigen Standard-Lernumgebungen getrennt nach Ländern:
55
Vgl. Statistisches Bundesamt, Schulen und Klassen nach Schularten.
56
Vgl. Knecht 2007, S. 25.
57
Vgl. Gröber 2007a, Tab. 2, S. 138.
58
Vgl. Aden 2009, S. 178-179.
II RCL-PROJEKT
33
Abb. 18: Herkunft der Besuche der deutschen und englischen StandardLernumgebung von 13 RCLs des RCL-Portals (N = 15711 Besuche).
84,3 % (13245) der Besuche kommen aus Deutschland, 3,9 % (608) aus Österreich, 2,5
% (395) aus USA und 1,5 % (233) aus der Schweiz. Die Besuche der restlichen 85 Länder liegen unter 1 %. Obwohl das RCL-Portal als viersprachiges, internationales Portal
angelegt ist, ist es faktisch ein deutsches Portal. Da aus Spanien mehr Besuche wie aus
Frankreich kommen und Spanisch nach Englisch weltweit am häufigsten gesprochen
wird59, sollte das RCL-Portal um die Portalsprache Spanisch erweitert werden. Die Rangreihenfolge der ersten sieben am stärksten vertretenen Länder ist fast unabhängig vom
RCL (→ Anhang X.8).
 Umfang der Standard-Lernumgebungen
In Abb. 19 wird der Umfang der 17 Standard-Lernumgebungen des RCL-Portals (←
I.1.3.2, Tab. 2) mit 152 Standard-Lernumgebungen aus der RCL-Recherche (← II.4.1,
Tab. 5) verglichen:
Abb. 19: Vergleich des Umfangs der Standard-Lernumgebung von RCLs der
RCL-Recherche (N = 152) und von RCLs des RCL-Portals (N = 17).
59
Vgl. Wikipedia, Spanische Sprache, unter Verbreitung.
II RCL-PROJEKT
34
Von den 152 Standard-Lernumgebungen der RCL-Recherche umfassen nur ungefähr 7 %
außer einer notwendigen Beschreibung des Versuchsaufbaus und der Theorie auch
lerneraktivierende Aufgaben zum RCL. Über 80 % der Standard-Lernumgebungen des
RCL-Portals bieten darüber hinaus Diskussionsfragen und exemplarische Auswertungen.
 Mehrsprachigkeit der Standard-Lernumgebungen
Abb. 21 zeigt die Verteilung der Sprachenanzahl der 17 Standard-Lernumgebungen von
RCLs des RCL-Portals und 100 Standard-Lernumgebungen der RCLs aus der RCLRecherche:
Abb. 20: Vergleich
der
Mehrsprachigkeit
der
StandardLernumgebung von RCLs der RCL-Recherche (N = 100)
und der RCLs des RCL-Portals (N = 17).
RCLs des RCL-Portals bieten im weltweiten Vergleich die größte Anzahl von Sprachen.
 Besuche, Besucher und mittlere Besuchsdauer
Sobald ein Besucher die Standard-Lernumgebung eines RCLs aufruft wird in Google Analytics der Beginn eines Besuchs registriert. Der gleiche Besucher kann an einem Tag
mehrere Besuche generieren. Über das Setzen von Cookies im Browser des Besuchers
kann der Besucher als wiederkehrend identifiziert werden 60, so dass die Anzahl der Besucher stets kleiner als die Anzahl der Besuche ist. In Tab. 7 sind Besuche, Besucher und
weitere Kenngrößen der Standard-Lernumgebungen des RCL-Portals zusammengestellt:
60
Vgl. Aden 2009, S. 43, 185-186.
II RCL-PROJEKT
35
Absprungrate in %
Direkte Besuche in %
Suchmaschinen in %
Verweisende Websites in %
9319 6362
4,1
40
69
25
6
Radioaktivität
1862 1545 15,3
148
5276 3786
2,8
56
46
40 14
Oszilloskop
1731 1534 14,2
87
4171 3096
2,4
63
30
31 39
1689 1434 13,8
99
3846 2762
2,3
58
23
29 48
Elektronenbeugung
1560 1161 12,8
263
7621 5015
4,9
32
75
12 13
1416 1059 11,6
182
5239 3528
3,6
45
72
23
5
Fotoeffekt
1195
883
9,8
289
6371 4176
5,3
26
91
2
7
Weltpendel
1081
820
8,9
146
5540 3567
5,1
34
73
16 11
Windkanal
986
819
8,1
145
3018 2195
3,1
48
55
27 18
860
786
7,0
70
1825 1322
2,1
66
24
27 49
595
472
4,9
173
1657 1265
2,8
44
56
28 16
352
297
2,9
134
1311
942
3,7
10
99
321
258
2,6
105
968
751
3,0
47
65
19 16
Durchschnitt
1225
980
10,0
166
4320 2982
3,5
46
57
24 19
Benchmark
242
-
2,0
35
494
2,0
50
-
Tab. 7:
Eindeutige Seitenaufrufe
214
Seitenaufrufe
2272 1673 18,6
Besucher
Millikan-Versuch
RCL
Besuche
Seitenaufrufe/Besuch
Zugriffsquellen
Mittlere Besuchsdauer in s
Seitenaufrufe und
Absprungrate
Besuche/Tag
Besuche, Besucher und
mittlere Besuchsdauer
-
1
-
0
-
Kenngrößen von Standard-Lernumgebungen des RCL-Portals sortiert nach absteigender Reihenfolge der Anzahl Besuche.
Besuche bzw. Besuche/Tag und die über alle RCLs gemittelte Besuchsdauer von fast 3
Minuten liegen um den Faktor 5 über dem Benchmark (← II.5.1, ▪ Besucher-Tracking der
Standard-Lernumgebung von RCLs mit Google Analytics). Aufgabe in einer Weiterführung
des RCL-Projekts (→ VIII.1.1) könnte sein, das derzeitige Verhältnis 1,25 von Besuchen/Besuchern und damit die Zahl der Intensivnutzer des RCL-Portals zu vergrößern.
Die um maximal den Faktor 7 schwankende Zahl der Besuche zwischen den RCLs hat für
eine verlässliche Erklärung zu vielfältige Ursachen. Die mittlere Besuchsdauer schwankt
um den Faktor 4 wesentlich weniger.
Abb. 22 zeigt exemplarisch an den RCLs Fotoeffekt und Halbleiterkennlinien Verteilungen
der Besuchsdauer mit kleinerer und größerer mittlerer Besuchsdauer bei in etwa gleicher
Anzahl von Besuchen. Beim RCL Fotoeffekt liegen fast 30 % der Besuche über der mittleren Besuchsdauer und fast 5 % der Besuche dauern länger als eine halbe Stunde.
II RCL-PROJEKT
36
Abb. 21: Verteilung der Besuchsdauer der RCLs Fotoeffekt (N =
1195 Besuche) und Halbleiterkennlinien (N = 860 Besuche).
 Seitenaufrufe und Absprungrate
Bei eindeutigen Seitenaufrufen in Tab. 7 werden mehrfache Seitenaufrufe der gleichen
Seite während eines Besuchs nur einmal gezählt. Der Anteil eindeutiger Seitenaufrufe an
den Seitenaufrufen beträgt ungefähr 70 %. Dies ist auf eine fehlende interne Verlinkung
zwischen den Webseiten und eine gut gewählte, dem Besucher Seitenwechsel ersparende Struktur der Standard-Lernumgebung zurückzuführen (→ VI.2.3).
Durchschnittlich wird bei Besuchen fast die Hälfte der Seiten der Standard-Lernumgebung
aufgerufen. Die Anzahl der Seitenaufrufe liegt um den Faktor 9, die Anzahl durchschnittlicher Seitenaufrufe/Besuch um den Faktor 2 über dem Benchmark. Die Absprungrate, als
Anteil Besuche mit nur einem Seitenaufruf, ist mit 46 % hoch und liegt nur etwas besser
als der Benchmark. Aufgabe in einer Weiterführung des RCL-Projekts (→ VIII.1.1) könnte
sein Ursachen zu finden und die Absprungrate zu senken.
 Zugriffsquellen
In Tab. 7 deutet der Anteil von fast 60 % direkter Besuche durch Eingabe der URL in das
Adressfeld des Browsers oder das Aufrufen der Seite über Lesezeichen auf einen guten
Bekanntheitsgrad des RCL-Portals hin. Zugriffe über Suchmaschinen und über verweisende Webseiten auf einzelne RCLs sind mit jeweils ungefähr 20 % vergleichsweise gering.
 Zusammenhang zwischen Umfang und mittlerer Besuchsdauer
In Abb. 23 sind für die 13 Standard-Lernumgebungen die mittlere Besuchsdauer aus Tab.
7 über dem Umfang in DIN-A4-Seiten aus Tab. 2 aufgetragen:
II RCL-PROJEKT
37
Abb. 22: Durchschnittliche Besuchsdauer in Abhängigkeit vom Umfang der Standard-Lernumgebung.
Würden alle Besucher den Text einer Standard-Lernumgebung vollständig lesen, dann
ergäbe sich ein gleichmäßiger Anstieg der mittleren Besuchsdauer mit dem Umfang der
Standard-Lernumgebung. Tendenziell nimmt die mittlere Besuchsdauer mit zunehmendem Umfang der Standard-Lernumgebung aber ab. Besucher schätzen zum Beginn des
Lesens ab, ob sie die Zeit investieren wollen auch umfangreichere Informationen aufzunehmen. Der Befund bestätigt die Leitlinie Texte der Standard-Lernumgebung so kurz wie
möglich zu halten (← II.3.2). Das Maximum der Besuchsdauer liegt unter 10 DIN-A4Seiten. Für umfangreichere RCLs wie die Optische Computertomographie sollte die Standard-Lernumgebung knapper gehalten und ergänzend ein Tutorial (→ VI.2.5) angeboten
werden.
 Seitenaufrufe und Besuchsdauer einzelner Seiten der Standard-Lernumgebung
In Tab. 8 sind für die einzelnen Seiten der Standard-Lernumgebungen aller RCLs die Seitenaufrufe/Tag und die Besuchsdauer angegeben:
Rang
Seite
-
Einstieg
98,7
1
Theorie
88,3
2
Labor
79,4
3
Aufbau
45,9
4
Auswertung
36,5
5
Aufgaben
34,0
6
Material
17,3
7
Diskussion
16,3
8
Betreuung
11,0
Tab. 8:
Seitenaufrufe/Tag
≈ 100
≈ 80
≈ 40
≈ 15
≈ 10
Rang
Seite
Besuchsdauer in s
1
Theorie
129
2
Labor
109
3
Auswertung
81
4
Aufbau
54
5
Einstieg
49
6
Material
40
7
Betreuung
28
8
Aufgaben
22
9
Diskussion
20
Anzahl der Seitenaufrufe/Tag und Besuchsdauer von Seiten der
deutschen und englischen Standard-Lernumgebungen des RCLPortals.
II RCL-PROJEKT
38
Der Einstiegsseite mit ungefähr 100 Seitenaufrufen/Tag konnte kein Rang zugeordnet
werden, weil diese automatisch bei der Wahl eines RCLs aufgerufen wird. Theorie- und
Laborseite sind mit ungefähr 80 Seitenaufrufen/Tag die mit Abstand am häufigsten und
längsten besuchten Seiten. Anzahl der Seitenaufrufe und die Besuchsdauer der Auswertungsseite zeigen die Richtigkeit als Lernhilfe eine Seite mit exemplarischen Auswertungen von Messungen anzubieten. Die Rangreihenfolge deutscher und englischer Webseiten ist gleich und nur unwesentlich vom RCL abhängig (→ Anhang X.9).
II.6
Zusammenfassung
Das RCL-Projekt ist weltweit betrachtet ein typisches Projekt zu RCLs, weil es von einer
technischen Universität bzw. einer deutschen Universität getragen wird. Folgende Merkmale
zeichnen das RCL-Projekt aus:
 Mit einem Finanzbudget aus Drittmitteln von fast 400.000 € wurden 25 RCLs entwickelt
und 17 RCLs auf dem RCL-Portal bereitgestellt. Weltweit wurden damit die meisten RCLs
innerhalb eines Projekts zu RCLs mit wesentlich geringerer finanzieller Ausstattung als
mit EU-Mitteln geförderte Projekte entwickelt.
 Die Laufzeit des RCL-Projekts von ungefähr 10 Jahren ist die höchste unter Projekten zu
RCLs. Die hohe Laufzeit resultiert einerseits aus der Ausbildung von Studierenden für das
Lehramt an Gymnasien durch die Anfertigung von Staatsexamensarbeiten zu RCLs. Andererseits wurde das Projekt so nachhaltig angelegt, dass es über die offizielle Laufzeit
hinaus weitergeführt werden konnte.
 Die Entwicklung von RCLs im RCL-Projekt hat sich nicht nach weltweiten Trends gerichtet: Während weltweit die Anzahl neuer RCLs in einem Jahr seit dem Maximum von 45
neuen RCLs in 2005 mit ungefähr 9 RCLs/Jahr bis ins Jahr 2009 abnimmt, wurden im
RCL-Projekt in 2005 vier, in 2006 drei und in 2007 fünf RCLs entwickelt.
 Ungefähr ein Drittel der weltweit recherchierten RCLs behandeln physikalische Themen,
die restlichen zwei Drittel behandeln technische bzw. ingenieurwissenschaftliche Themen.
Unter den RCLs des RCL-Portals sind ungefähr drei Viertel physikalische und ein Viertel
technische RCLs.
 Unter den physikalischen RCLs entfallen weltweit etwa ein Viertel auf die Mechanik und
ein Viertel auf die Elektrodynamik, weiterführende Gebiete sind im Durchschnitt mit nur
ungefähr 4 % vertreten. Unter den RCLs des RCL-Portal entfallen ungefähr die Hälfte auf
weiterführende Gebiete.
 Weltweit liegt der thematisch für den Standardunterricht der Sekundarstufe II geeignete
Anteil RCLs bei maximal 40 %, bei den RCLs des RCL-Portals liegt dieser zwischen 80
und 90 %.
II RCL-PROJEKT
39
 Die Besuche des RCL-Portals kommen zu fast 85 % aus Deutschland.
 Die Standard-Lernumgebungen der RCLs sind ein webangepasster Verlauf von Hochschulpraktika mit den Seiten Einleitung, Aufbau, Theorie, Aufgaben, Labor (RCL), Auswertung, Diskussion, Material und Betreuung. Im weltweiten Vergleich ist der Umfang mit
durchschnittlich 15 DIN-A4-Seiten und die Anzahl der verfügbaren Sprachen am größten.
Theoretische und experimentelle Inhalte werden in etwa gleichen Teilen angeboten. Die
Besuchsdauer der Standard-Lernumgebung nimmt mit zunehmendem Umfang ab. Durchschnittlich verzeichnet jede Standard-Lernumgebung 10 Besuche/Tag, fast 3 Minuten Besuchsdauer und 3,5 Seitenaufrufe/Besuch. Diese Zahlen liegen um den Faktor 2 bis 5
über vergleichbaren Physikseiten anderer Anbieter.
 Die Anzahl der Besuche/Tag aller RCLs stieg zwischen September 2005 und Januar 2011
um 14 Besuche/Tag im Jahr und lag im Januar 2011 bei ungefähr 80 Besuchen/Tag. In
2010 sind fast 25000 Besuche von RCLs registriert worden. Der Zuwachs an Besuchen/Tag wird durch die sukzessive Integration der 17 RCLs in das RCL-Portal getragen.
Zehn der RCLs tragen zusätzlich durch eine Zunahme der Besuche/Tag in einem Jahr
zwischen 0,2 und 2,8 Besuche/Tag zum Wachstum des RCL-Portals bei.
III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs
III
40
QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs
Zur Beurteilung der Qualität von RCLs werden die Qualitätskriterien Verfügbarkeit, Barrierefreiheit, Nutzerfreundlichkeit, Funktionalität, Konzeption, Interaktivität und Authentizität definiert. Zu jedem Qualitätskriterium werden Qualitätsmerkmale definiert, die eine konkrete
Überprüfung der Qualität von RCLs erlauben (→ III.1). Von allen RCLs des RCL-Portals wird
die Verfügbarkeit (→ III.1.1), die Barrierefreiheit (→ III.1.2) und die Interaktivität (→ III.1.6)
beurteilt.
Die Anwendbarkeit aller Qualitätskriterien wird durch eine vergleichende Evaluation dreier
RCLs zur Beugung und Interferenz demonstriert, darunter das RCL Beugung und Interferenz
II des RCL-Portals (→ III.2.1). Ein Besucher-Tracking mehrerer RCLs (← I.5.1, BesucherTracking der Laborseite von RCLs mit Logdateien) erfasst das Besucherverhalten und erlaubt Rückschlüsse auf die Qualität von RCLs (→ III.2.2). Ergebnisse aus einer Befragung
von Lehrkräften zur Unterrichtstauglichkeit von RCLs des RCL-Portals werden präsentiert (→
III.2.3).
Im Hinblick auf eine Weiterführung des RCL-Projekts (→ VIII.1) werden zur Qualitätssicherung von RCLs während der Entwicklung zwei Entwicklungsstrategien (→ III.3.1, → III.3.2)
und ein Entwicklungsplan (→ III.3.3) vorgestellt. Material- und Arbeitskosten für die Entwicklung und Wartung werden für 4 RCLs des RCL-Portals miteinander verglichen (→ III.3.4).
Abschließend werden Weiterentwicklungen von RCLs des RCL-Portals und anderer Anbieter
(→ III.3.5) sowie Neuentwicklungen von RCLs und innovative Entwicklungsrichtungen für
RCLs präsentiert (→ III.3.6).
III.1
Qualität
Eine hohe Qualität von RCLs ist aus mehreren Gründen essentiell für die Nutzung von RCLs
und das Lehren und Lernen mit RCLs:
 RCLs stehen im öffentlichen Non-Profit-Bildungssektor Nutzern kostenlos zur Verfügung.
Eine vermehrte Nutzung von RCLs kann daher nicht über niedrigere Preise, sondern
muss neben Fortbildungen für Lehrkräfte (→ VII.3) und weiterer Werbemaßnahmen (→
VII.1, → VII.2, → VII.4) über die Qualität von RCLs erzielt werden.
 Die fortschreitende Entwicklung von Internet-Technologien hat den Qualitätsanspruch von
Nutzern internetbasierter Medien steigen lassen. Wenn Anbieter nicht die Qualität von
Medien definieren, ständig verbessern und langfristig sichern gehen Nutzer verloren. 61
61
Vgl. Hartwig 2007, S. 2.
41
 Die Qualität von RCLs für die Lehre muss so hoch sein, dass ungünstig verlaufende
Lernprozesse nicht auf RCLs selbst, sondern nur auf einen schlechten Einsatz von RCLs
zurückgeführt werden kann.
In Abb. 23 sind Qualitätskriterien zur Erfassung der Qualität von RCLs dem Prinzip von
RCLs (← I, Abb. 1) zugeordnet:
Abb. 23: Qualitätskriterien und Prinzip von RCLs.
Will ein Besucher mit einem RCL experimentieren, muss der Zugriff auf das RCL einfach
(Barrierefreiheit) und das RCL im Internet funktionsfähig bereitgestellt sein (Verfügbarkeit).
Der Besucher muss schnell die Übersicht auf der Laborseite gewinnen können (Nutzerfreundlichkeit), alle angebotenen experimentellen Möglichkeiten müssen durchführbar (Funktionalität) und das Experimentieren mit dem RCL muss ähnlich zu dem mit einem traditionellen Realexperiment sein (Authentizität). Das RCL muss nach didaktischen Gesichtspunkten
entwickelt worden sein (Konzeption) und dem Besucher in Umfang und Qualität gut gewählte
experimentelle Möglichkeiten bieten (Interaktivität).
III.1.1
Verfügbarkeit
Es wird zwischen konzeptioneller und technischer Verfügbarkeit von RCLs unterschieden. 62
Ein RCL hat eine schlechte konzeptionelle Verfügbarkeit, wenn es isoliert ohne in eine Lernumgebung (→ VI.2) eingebettet zu sein, angeboten wird. Beim Qualitätskriterium technische Verfügbarkeit ist es sinnvoll zwischen zwei Qualitätsmerkmalen zu unterscheiden: Der
Verfügbarkeit des RCLs als Zeitanteil in dem ein RCL funktionsfähig im Internet bereitgestellt
wird und der Stabilität des RCLs als Zeitanteil in dem das RCL ungeachtet einer funktionierenden Internetverbindung funktionsfähig ist. Die Funktionsfähigkeit der Internetverbindung
liegt im dezentralen Standortkonzept (← II.1.2, ▪ Dezentrales und zentrales Standortkonzept)
zum größeren Teil in der Verantwortung des Administrators und RCL-Betreuers am Standort,
62
Vgl. Hartwig 2007, S. 156.
42
die Stabilität des RCLs zum größeren Teil in der Verantwortung des RCL-Entwicklers. Während eine schlechte konzeptionelle Verfügbarkeit lediglich die Nutzung des RCLs beeinträchtigt, verhindert eine ausgefallene Internetverbindung oder Laborseite die Nutzung des RCLs.
Die Verfügbarkeit von RCLs wird aus mehreren Gründen als gering eingeschätzt:
 Von softwarebasierten Physikmedien wie Simulationen, interaktiven Bildschirmexperimenten und Messvideos (→ VI.1.1) wird eine höhere Verfügbarkeit als von RCLs angenommen. Unberücksichtigt bleibt, dass diese Physikmedien durch Weiterentwicklung der Programmier- und Videotechnik einem "Alterungsprozeß" unterliegen und unbrauchbar werden können.
 Die RCL-Recherche (← II.4) hat gezeigt, dass im Internet ein hoher Anteil funktionsunfähige oder ungepflegter RCLs aus abgeschlossenen RCL-Projekten angeboten wird. Ein
vermutlich großer Anteil neuer Besucher ruft daher funktionsunfähige RCLs auf.
 Bei der Sichtung von Artikeln zu RCLs und RCL-Projekten konnten keine Angaben zur
Verfügbarkeit von RCLs anderer Projekte gefunden werden.
Im Folgenden werden Ergebnisse von Erhebungen zur Verfügbarkeit und Stabilität der RCLs
des RCL-Portals vorgestellt. Weil eine Überwachung der Funktionsfähigkeit der RCLs durch
RCL-Betreuer an den Standorten nicht sichergestellt werden konnte, wurden Tests durch
Mitglieder der Arbeitsgruppe durchgeführt. Die Tests tragen einerseits zur Erhöhung der Verfügbarkeit von RCLs bei, indem Funktionsstörungen der Internetverbindungen oder der
RCLs erkannt und behoben werden können. Andererseits liefern die Tests Angaben zur Verfügbarkeit und Stabilität der RCLs.
III.1.1.1
Ergebnisse
Tab. 9 enthält Angaben zum Umfang einer bereits früher durchgeführten ersten 63 und einer
zweiten Erhebung 64 zur Verfügbarkeit der RCLs des RCL-Portals:
Erste Erhebung
Zweite Erhebung
Dritte Erhebung
15 (27.04.07 - 08.08.07)
33 (20.11.07 - 10.07.08)
234 (15.06.06 - 31.01.11)
11
15
20
6
48
46 - 234
36
47
17 - 80
fast täglich
einmal oder mehrmals wöchentlich
wöchentlich oder monatlich
Erhebungszeitraum in Wo6 (18.01.07 - 02.03.07)
chen
Anzahl getester RCLs
Testzeiträume der RCLs in
Wochen
Anzahl der Tests
Frequenz der Tests
Tab. 9:
Vergleich des Umfangs von Erhebungen zur Verfügbarkeit von RCLs.
63
Vgl. Knecht 2007, S. 25-26.
64
Vgl. Bender 2008, S. 15-17.
43
Die erste Erhebung ergab wegen des kurzen Erhebungszeitraums und unberücksichtigter
Auslieferungszeiträume von RCLs eine zu hohe über die RCLs gemittelte Verfügbarkeit von
97 % anstatt von 92 %. Die zweite Erhebung ergab eine geringere Verfügbarkeit von 79 %,
weil realistischer Weise über einen wesentlich größeren Zeitraum gemittelt wurde. Die nachfolgend vorgestellte, dritte und längste Erhebung in Tab. 9 umfasst die beiden ersten Erhebungen:
 Testaufwand
Alle zu den Testzeitpunkten im RCL-Portal bereitgestellten RCLs wurden überprüft. Für
20 RCLs dauerte ein Test ungefähr zwei Stunden. Als Kompromiss zwischen einem mit
steigender Zahl von RCLs zunehmenden Testaufwand und Sicherung der Verfügbarkeit
von RCLs wurde im Erhebungszeitraum die Testfrequenz von wöchentlich auf monatlich
verringert. Eine Prüfung der Stabilität vom Messergebnissen konnte wegen des Zeitaufwands nur bei einfacheren RCLs wie z. B. dem RCL Fotoeffekt durchgeführt werden. Eine
Mindestkontrolle der RCLs war durch Messergebnisse von Lehrkräften auf Fortbildungen
(→ VII.3) gegeben.
 Testdurchführung und - auswertung
Die RCLs wurden auf Funktionsstörungen der Internetverbindung, der Webcambilder und
des Bedienfelds getestet. Testergebnisse und Maßnahmen zur Behebung von Funktionsstörungen wurden in einem Testbericht (→ Anhang X.10) festgehalten. Die Testergebnisse aller Testberichte wurden in eine vierstufige Skala von Funktionsstörungen umgesetzt
(0 = Internet ok und Laborseite ok, 1 = Internet ok und Störung eine Laborfunktion, 2 = Internet ok und Ausfall der Laborseite, 3 = Ausfall Internet und Laborseite ok) und chronologisch in einer Tabelle zusammengefasst (→ Anhang X.11). Ausfallzeiten werden nach
oben abgeschätzt, indem das RCL als nicht verfügbar erfasst wurde, wenn die Funktionsstörung 1, 2 oder 3 vorlag und bei wöchentlichen Tests eine Woche, bei monatlichen
Tests vier Wochen Ausfallzeit verbucht wurden. Die Stabilität der RCLs wurde ermittelt,
indem die Funktionsstörung 3 nicht als Ausfallzeit verbucht wurde. Ein gleichzeitiger Ausfall des RCLs konnte durch Prüfung der Funktionstüchtigkeit des RCLs nach dem Herstellen der Internetverbindung ausgeschlossen werden.
44
In Abb. 25 sind Verfügbarkeit und Stabilität von RCLs des RCL-Portals in der Reihenfolge
abnehmender Verfügbarkeit dargestellt:
Abb. 24: Verfügbarkeit und Stabilität von RCLs des RCL-Portals.
Die Verfügbarkeit der RCLs schwankt zwischen 31 % beim Millikan-Versuch und 98 % beim
Oszilloskop, elf der 20 RCLs (16 RCLs und 4 RCLs Weltpendel) haben eine höhere Verfügbarkeit als 80 % und die mittlere Verfügbarkeit aller RCLs des RCL-Portals liegt bei 78 %.
Die geringe Verfügbarkeit der RCLs Maut und Heißer Draht ist auf das Fehlen einer Internetverbindung am Standort Berlin und die des RCLs Millikan-Versuch auf eine Reihe technischer Probleme und die große Entfernung zum Standort in Finnland zurückzuführen. Die
Stabilität der RCLs des RCL-Portals liegt um bis zu 55 % beim RCL Heißer Draht über der
Verfügbarkeit der RCLs. Die mittlere Stabilität aller RCLs liegt mit 90 % um 12 % über der
mittleren Verfügbarkeit. Ein qualitativer Zusammenhang zwischen der Komplexität und der
Stabilität von RCLs kann nicht hergestellt werden. Die Verfügbarkeit der RCLs des RCLPortals kann durch Vergleiche eingeschätzt werden:
 Vergleich mit RCLs der RCL-Recherche
Von den 335 in der RCL-Recherche (← II.4) erfassten RCLs existiert nur von 27 % eine
Webseite mit funktionierendem Link zur Laborseite des RCLs (→ III.1.2, Tab. 12). Erfahrungen zur Verfügbarkeit und Funktionstüchtigkeit während der RCL-Recherche zeigen
auch ohne dass quantitative Daten mit nicht vertretbarem Aufwand erfasst werden konnten, die hohe mittlere Verfügbarkeit von fast 80 % der RCLs des RCL-Portals. Darüber
hinaus ist die Mehrzahl der RCLs des RCL-Portals länger im Internet bereitgestellt als die
RCLs anderer Projekte.
 Vergleich mit Schulexperimenten
Angaben zur Verfügbarkeit von Schulexperimenten liegen nicht vor. Deren Verfügbarkeit
liegt vermutlich aus mehreren Gründen nicht über 90 %: Im Vergleich zu RCLs sind
45
Schulexperimente höheren mechanischen Beanspruchungen und der Gefahr unsachgemäßen Gebrauchs ausgesetzt. Geringe Schuletats der Physik von ungefähr 1000 €/Jahr
und die Möglichkeit fehlende Schulexperimente durch theoretische Inhalte zu ersetzen
führen dazu, dass defekte Schulexperimente gar nicht oder nur zögerlich ersetzt werden.
Die Verfügbarkeit von Schulexperimenten und die der RCLs des RCL-Portals unterscheiden sich deshalb nicht wesentlich.
III.1.1.2
Fehleranalyse
In
K
Me
Internetverbin-  Apache-Server wird durch  Apache-Server
per
am Standort installiertes
Teamviewer im VirusAnti-Virus-Programm bloProgramm freigegeben
ckiert
M
So
x
4
 Kein Beugungsmuster  Kurzschluss
im
An-  Anschlusssockel
der
erzeugbar
schlusssockel der ElektElektronenbeugungsröhre
ronenbeugungsröhre
sowie DA-Wandler und
vorsorglich Mikrocontroller
 Als Folge wird im Interim Interface ersetzt
face durch Überspannung
der DA-Wandler zum Ansteuern der Hochspannungsquelle zerstört
V
El
x
x
5
 Verschobenes
Webcambild
 Unbefestigter Halter der  Festschrauben des HalElektronenbeugungsröhre
ters auf Grundbrett
K
Me
x
x
6
 30 % Messfehler bei  Vermutung, dass Fotozel-  Prüfung der Fotozelle
der Bestimmung des
le defekt ist
durch Phywe ergab, dass
V
El
x
Ursache
Behebung
1
Beugung und
Interferenz I
1
2
Beugung und
Interferenz II
2
 Beugungsobjekte
 Hysterese der Scanner-  Geplant Scanner durch
werden nicht immer
andere Positionierungsmechanik
mechanik zu ersetzen
sauber positioniert
3
4
Elektronenbeugung
Fotoeffekt
Standortbesuch
M
Beschreibung
 Montags keine Inter-  Nutzung der Internetver-  RCL erhält vom Standortnetverbindung
bindung für Mails eines
netz unabhängige Internetverbindung
Mitarbeiters
3
Behebung Arbeitsgruppe
Typ
RCL
Bereich
Nr.
Fehlernr.
Der Tab. 10 können Funktionsstörungen der RCLs des RCL-Portals im Erhebungszeitraum
von mehr als 4 Jahren sowie deren Ursache und Behebung entnommen werden. Zur Durchführung einer Fehleranalyse wurde jede Funktionsstörung einem der Bereiche Manipulation
(M), Konstruktion (K) oder Versuchskomponenten (V) zugeordnet. Funktionsstörungen im
Bereich Manipulation sind auf Personal am Standort (RCL-Betreuer, Hausmeister, Lehrende,
Lernende), im Bereich Konstruktion auf die Entwicklung des RCLs und im Bereich Versuchskomponenten auf den Ausfall von Versuchskomponenten im laufenden Betrieb des RCLs zurückzuführen. Die Ursachen von Funktionsstörungen werden eingeteilt in die Typen Internet
(I), Mechanik (Me), Elektronik (El) und Software (So):
 Keine
dung
Planck´schen
kungsquantums
7
M
So
8
 Multimeter zeigt keine  Schieber zum Schutz der  Öffnen des Schiebers
sinnvollen FotospanPhotozelle vor Lichteinnungen an
wirkung war geschlossen
M
Me
9
 Multimeter zeigt keine 
Fotospannung mehr
an

 Hyperterminal stürzt
ab
M
So
6
Heißer Draht
7
K
El
11
 Keine Internetverbin-  Server wurde vom Stand-  Herstellen der
dung während Ferienortpersonal zu Beginn der
verbindung
zeiten
Ferien abgeschaltet
M
In
M
In
 Für Nutzung der RCLs im
Schulnetz wurde Internetverbindung nach außen
abgeschaltet
x
K
14
 Multimeter zeigt keine  Defekt des Multimeters
Fotospannung mehr
an
V
El
15
 Oszilloskop lässt sich  Nicht
identifizierbares  Neustart
nicht mehr steuern
Softwareproblem
Servers
V
So
16
 Instabile
bindung
M
In
x
17
 Gabel lässt sich nicht  Instabile Mechanik
mehr positionieren
K
Me
x
M
In
x
K
Me
V
El
M
In
V
So
x
x
 Keine
dung
 Ersetzen des Multimeters
durch
netzbetriebenes
Multimeter
des
RCL-
Internetver-  Schlechte Anbindung des  Neuer Standort für RCL
RCLs ans Internet
 Mechanische Teile
Versuch befestigt
am
Internetverbin-  Betreuer an der Schule  Neuer Standort für RCL
stellt keinen vom Schulnetz unabhängigen Internetzugang bereit
 Lokomotive lässt sich  Gummi zum Spannen der  Ersetzen des Gummis
nicht mehr bewegen
durch Stahlfeder
Schnur für Streckenmessung ist durch Alterung
19
gerissen
x
x
 Lokomotive hat sich in
Schnur verfangen
Maut
MillikanVersuch
Internetverbin-  Zuständigkeitsproblematik  Kommunikation zwischen
für Administration des
allen Beteiligten zum HerSchulnetzes
zwischen
stellen der Internetverbindung
Gemeinde und Schule
 Lichtintensität
kann  Variation der Lichtintensi-  Variation der Lichtintensinicht variiert werden
tät über Blendengröße
tät über Graufilter
falsch
21
9
Internet-
x
13
20
8
Standby-Zeiten des Inter-  Teamviewer per Fernzuface verstellt. Teamviewer
griff neu installiert
blockiert Hyperterminal.
 Multimeter zeigt keine  Batterie des Multimeters  Ersetzen der Batterie
Fotospannung mehr
verbraucht
an
18
x
Server wurde ohne Her-  Standby-Zeiten per Fernunterfahren ausgeschaltet
zugriff neu eingestellt
10
12
Fotozelle nicht ausgetauscht werden muss
 Keine Steuerung des  Eingriffe am RCL durch  Setzen und Speichern der
Versuchs mehr mögStandortpersonal
Betriebsparameter
per
lich
Fernzugriff
 Verlust der im Interface
gespeicherten Betriebsparameter
 Keine
dung
5
Wir-
46
 Nachts nur dunkle  Ausfall der automatisch  Ersetzen des LeuchtmitWebcambilder
einschaltbaren Raumbetels
leuchtung
 Keine
dung
Internetverbin-  Betreuer an der Schule  Neuer Standort des RCLs
stellt keinen vom Schulnetz unabhängigen Internetzugang bereit
des
RCL-
x
22
 Zug lässt sich nicht  Nicht
identifizierbares  Neustart
mehr steuern
Softwareproblem
Servers
23
 Mikroskop lässt sich  Zahnrad des Getriebes  Getriebe repariert
nicht mehr steuern
zum Scharfstellen des
Mikroskops hat sich gelöst
K
Me
x
x
24
 Im Webcambild kön-  Objektiv des Mikroskops  Objektiv des Mikroskops
nen keine Öltröpfchen
nicht mehr vorhanden
ersetzt
M
Me
x
x
47
beobachtet werden
 Kein
25
mehr
El
x
x
V
El
x
x
Internetverbin-  Umbaumaßnahmen
im  Herstellen der InternetTechnikmuseum in Berlin
verbindung nach Beendigung der Umbaumaßnahmen
M
In
 Aufnahme
eines  Lösen einer Laserdiode  Bessere Befestigung der
Computertomograaus der Halterung
Laserdiode
28
phiebildes nicht mehr
möglich
K
Me
x
 Horizontale Positionie-  Sprengring hat sich von  Sprengring ersetzt
rung der BeugungsobAchse für den Riemenan29
jekte nicht mehr mögtrieb des Scanners gelöst
lich
K
Me
x
x
K
Me
x
x
V
So
x
V
In
V
In
V
El
x
x
K
So
x
x
M
In
27
10
11
12
 Im Webcambild kön-  Der Kompressor bläst  Ersetzen des Kompresnen keine Öltröpfchen
keine Öltröpfchen in den
sors
beobachtet werden
Kondensator ein
 Keine
dung
Optische
 Beugungsobjekte
 Hysterese der Scanner-  Geplant Scanner durch
Fourier30
werden nicht immer
mechanik
andere PositionierungsTransformation
exakt positioniert
mechanik zu ersetzen
Oszilloskop
31
 Versuch kann nicht  Absturz des Webcam-  Neuinstallation
mehr gesteuert werProgramms durch Fehler
Webcam-Treibers
den
des Webcam-Treibers
32
 Keine
dung
Internetverbin-  Ausfall des Switchs
 Ersetzen des Switchs
33
 Keine
dung
Internetverbin-  Ausfall des Switchs
 Ersetzen des Switchs
34
13
 Ersetzen der Webcam
V
26
Optische
Computertomographie
Webcambild  Ausfall der Webcam
Radioaktivität
 Kein
mehr
des
Webcambild  Ausfall des Netzteils der  Ersetzen des Netzteils
 Einstellen der IP-Kamera
IP-Kamera
 Verlust der IP-KameraEinstellungen
 Keine
Messungen  Fehler in Software führt  Ersetzen des Geigermehr durchführbar
zur Zerstörung des ZählMüller-Zählrohrs
rohrfensters
 Softwareseitige
Einschränkung des Positionierbereichs des Zähl35
rohrs
 Präzisere Positionierung
des Zählrohrs zur Strahlungsquelle
14
15
Roboter im
Labyrinth
Rutherfordscher
Streuversuch
36
 Keine
dung
37
 Keine Internetverbin-  Server wurde vom Stand-  Server einschalten
zeiten
Ferien abgeschaltet
M
In
x
38
 Keine
dung
M
ln
x
39
 Webcambild wird nicht  Webcam beschädigt
mehr angezeigt
V
El
M
In
x
 Instabile und langsa-  Schlechte Netzwerkadmi-  Umstellung der Verbinme Internetverbindung
nistration
dungsgeschwindigkeit von
256 kB/s auf 512 kB/s
M
In
x
Internetverbin-  Ausfall der Stromversor-  Ausfall der Stromversorgung im Jemen
gung hat abgenommen
und ist akzeptabel
M
In
-
 Apparatur liefert Werte  Unsachgemäßer Umgang  Neubefestigung des Pender
Erdbeschleunibeim
Aufhängen
des
M
Me
x
 Keine
dung
40
41
16
Weltpendel
Aden
42
43
Internetverbin-  Ausfall des Schulnetzes
 Behebung des Ausfalls
Internetverbin-  Server wurde ohne Her-  Herstellen der
unterfahren ausgeschaltet
verbindung
Internet-
 Austausch der Webcam
Internetverbin-  Zuständigkeitsproblematik  Kommunikation zwischen
für Administration des
allen Beteiligten
Schulnetzes
zwischen
Gemeinde und Schule
 Für Nutzung der RCLs im
Schulnetz wurde Internetverbindung nach außen
abgeschaltet
 Keine
dung
gung weit außerhalb
der Fehlertoleranzen
17
Weltpendel
Hermannsburg
19
20
Weltpendel
Kaisersesch
Weltpendel
Riga
Windkanal
Pendel führte zur Verändeldrahtes an der Kugel
derung der Drahtlänge
 Neubestimmung der Pendellänge mit Messapparatur
44
 Keine Internetverbin-  Server wurde vom Stand-  Einschalten des Servers
zeiten
Ferien abgeschaltet
M
In
45
 Versuchsapparatur im  Webcam verstellt
Webcambild
nicht
mehr sichtbar
K
Me
46
 Keine
dung
M
In
M
In
x
x
K
El
x
x
K
El
x
x
M
In
K
Me
x
x
K
Me
47
18
48
Internetverbin-  Sanierungsarbeiten
Standort
 Instabile
bindung
 Ausrichtung der Webcam
am  Herstellen der
verbindung
Internet-
Internetver-  Unzureichende Administ-  Telefonate und Besuche
ration des Standortnetzes
am Standort zum Herstellen der Internetverbindung
48
 Messung der Schwin-  Justierung
der
gungsdauer
nicht
schranke instabil
mehr möglich
49
 Schlitten mit Magnet  Schlechte Lötverbindung  Erneuern der Lötverbinnicht mehr steuerbar
des Kabels zum Schrittdung
motor
50
 Keine
dung
Licht-  Nachjustierung der Lichtschranke
Internetverbin-  Studierende hatten Ether-  Herstellen der
net-Kabel vom
verbindung
 RCL-Server abgezogen
Internet-
 Fahrzeuge lassen sich  Bewegliche
Abschnitte  Justierung der Versuchsnicht mehr in das
des Strömungsrohrs mit
apparatur
Strömungsrohr fahren
Fahrzeugen
verkanten
51
beim Positionieren im
Strömungsrohr
52
 Im Webcambild ist das  Webcam verstellt
Display des Multimeters nicht mehr zu sehen
x
 Ausrichtung der Webcam
Tab. 10: Funktionsstörungen von RCLs in den Bereichen Manipulation (M), Konstruktion (K) und Versuchskomponenten (V) sowie den Typen Mechanik (Me), Elektronik (El), Software (So) und Internet (In).
In Abb. 25 ist die Verteilung der Funktionsstörungen in den drei Bereichen und den Typen
dargestellt:
Abb. 25: Anzahl der Funktionsstörungen in den Bereichen Manipulation,
Konstruktion und Versuchskomponenten (N = 52).
49
 Häufigkeit der Bereiche
Der größte Anteil von Funktionsstörungen entfällt auf den Bereich Manipulation. Manipulation und Konstruktion als personenbedingte Funktionsstörungen machen dreiviertel, gerätebedingte Funktionsstörungen von Versuchskomponenten machen nur ein Viertel der
Funktionsstörungen aus.
 Häufigkeit von Typen
In den Bereichen Manipulation, Konstruktion und Versuchskomponenten sind in der genannten Reihenfolge die Typen Internet, Mechanik und Elektronik am häufigsten. Die
Häufigkeiten der jeweils zwei weiteren Typen sind dagegen vernachlässigbar. Die absolut
größte Anzahl von Funktionsstörungen des Typs Internet im Bereich Manipulation ist
mehrheitlich auf technische Probleme an Schulen eine stabile Internetverbindung bereitzustellen, ungenügende Netzwerkadministration oder Eingriffe von Personen am Netzwerk zurückzuführen. Im Bereich Konstruktion ist der Typ Mechanik am häufigsten, weil
die zum Betrieb von RCLs notwendige Qualität mechanischer Versuchskomponenten unterschätzt wurde und Staatsexamenskandidaten häufig über zu geringe handwerkliche
Fähigkeiten verfügen. Der Typ Elektronik im Bereich Ausfall wird von verschiedensten Geräten erzeugt, das Interface als einheitliches elektronisches Gerät aller RCLs ist wie die
Fehlernummern 4, 7 und 9 in Tab. 10 zeigen nur als Folge von Funktionsstörungen ausgefallen.
Schulen als Standort von RCLs haben den Nachteil, dass während Ferienzeiten RCLBetreuer nicht verfügbar sind und Funktionsstörungen kurz vor Ferienzeiten nicht schnell genug behoben werden können. Die Verfügbarkeit der RCLs ist abhängig von der Kompetenz,
dem Engagement und der Zuverlässigkeit der RCL-Betreuer. Nach Tab. 10 sind Funktionsstörungen bei RCLs so komplex und vielfältig, dass ein Teil der Ursachen weder vom RCLBetreuer am Standort noch von Mitgliedern der Arbeitsgruppe aus der Ferne erkannt oder
beseitigt werden konnten. 32 Funktionsstörungen (61 %) konnten nur unter Beteiligung von
Mitgliedern der Arbeitsgruppe behoben werden, 17 Funktionsstörungen (31 %) machten
Fahrten zu den Standorten der RCLs notwendig oder das RCL musste an die Arbeitsgruppe
geschickt und repariert werden.
III.1.1.3
Verbesserung der Verfügbarkeit
Folgende Maßnahmen zur Verbesserung der Verfügbarkeit von RCLs können aus der Fehleranalyse der Funktionsstörungen von RCLs (← III.1.1.2) abgeleitet werden:
 Zentrales Standortkonzept
Stabile Internetverbindungen tragen mit mindestens 10 % zur Steigerung der Verfügbarkeit von RCLs des RCL-Portals bei (← II.1.1.1, Abb. 25). Die Fehleranalyse hat gezeigt,
dass ein Ausfall der Internetverbindung viele Ursachen haben kann. Wird ein dezentrales
50
Standortkonzept (← II.1.2, ▪ Dezentrales und zentrales Standortkonzept) beibehalten,
dann können einige der Ursachen durch eingehendere Prüfung der Geschwindigkeit, Stabilität und Administration des Internets neuer Standorte vor der Auslieferung ausgeschlossen werden. Die nachhaltigste Lösung ist ein zentraler Standort von RCLs an einer
Universität mit professioneller Netzwerkadministration und einem Ersatz der RCL-Server
durch einen einzigen RCL-Portalserver.
 Qualitätssicherung der Entwicklung von RCLs
Fast ein Drittel konstruktiv bedingter Funktionsstörungen sind neben den bereits für die
Mechanik genannten Gründen (← III.1.1.2, ▪ Häufigkeit von Typen), darauf zurückzuführen, dass unter den Rahmenbedingungen eines Ausbildungsprojekts (← II.1.2,
▪ Kombiniertes Entwicklungs- und Ausbildungsprojekt) zu wenig auf die technische Qualität der RCLs Wert gelegt wurde. Erforderlich sind Maßnahmen zur Qualitätssicherung von
RCLs während der gesamten Entwicklung von RCLs (→ III.3).
III.1.2
Barrierefreiheit
Bisher sind die Webseiten des RCL-Portals noch nicht barrierefrei im Sinne von behindertengerecht 65 gestaltet, um auch Menschen mit physischen Einschränkungen die Möglichkeit
zur Durchführung von Experimenten zu geben. Unter Barrierefreiheit von RCLs wird im Folgenden verstanden, dass ein physisch uneingeschränkter Besucher mit möglichst wenigen
technischen Barrieren die Laborseite eines RCLs im Internet aufrufen kann. Tab. 11 erläutert
die im Rahmen der RCL-Recherche (← II.4) erfassten Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Barrierefreiheit:
Qualitätsmerkmal
Beschreibung/Erläuterung
Existiert zum RCL eine Webseite?
Allgemein
Webseite
existiert
Registrierung/
Anmeldung
 Eine Webseite existiert z. B. nicht, weil das RCL nicht mehr existiert, ungenutzt bleibt, nur noch
als traditionelles Realexperiment eingesetzt wird oder nur im Intranet des Anbieters verfügbar
ist
 Eine Suche nach der Webseite erfolgte durch in Publikationen angegebene Links und deren
Oberverzeichnisse, durch Recherche in den lokalen Seiten des Anbieters und durch Suche mit
Google und der Bezeichnung des Experiments als Suchbegriff
Ist das RCL ohne Registrierung und Anmeldung zugänglich?
 Nach der Registrierung muss eventuell eine Bestätigungsmail mit Passwort abgewartet werden
 Ärgerlich für den Nutzer ist, wenn Benutzername oder Passwort vergessen wird
Ist das RCL allen Nutzergruppen zugänglich?
Eingeschränkter
 Ein eingeschränkter Nutzerkreis ist sinnvoll, wenn das RCL durch Lernende an der anbietenden
Nutzerkreis
Institution ausgelastet wird
Persönliche
Daten
65
Ist das RCL ohne Angabe persönlicher Daten (außer E-Mail-Adresse) zugänglich?
 Die Angabe der E-Mail-Adresse ist notwendig für die Zusendung von Login-Daten
 Persönliche Angaben können z. B. Name, Vorname, Berufstätigkeit oder Land sein
Vgl. Wikipedia, Barrierefreiheit.
51
Ist das RCL ohne Buchung von Experimentierzeiten zugänglich?
Buchung
 Die Buchung wird meistens mit einem Buchungssystem und in seltenen Fällen per E-Mail
durchgeführt
 Eine geringe Nutzerfreundlichkeit des Buchungssystems führt mit hoher Wahrscheinlichkeit
zum Abbruch des Buchungsvorgangs
Ist die Laborseite des RCL mindestens in englischer Sprache verfügbar?
Sprachen
 Die Sprache der Laborseite konnte bei RCLs ohne existierende Webseite Publikationen entnommen werden
 Ist die Laborseite weder in Englisch noch in der Sprache des Nutzers vorhanden, können nur
einfache, dem Nutzer bekannte Experimente durchgeführt werden
Funktioniert der Link zur Laborseite des RCLs?
Linkfunktion
 Ein Link funktioniert z. B. nicht, weil der Link oder die Verlinkung des Links fehlt, der Link nicht
reagiert oder die Laborseite nicht gefunden wird, der Link auf eine falsche interne oder externe
Webseite führt oder der Link auf eine Login-Seite ohne Existenz einer Registrierung führt
Ist die Ladezeit der Laborseite kürzer als ca. 3 s?
Ladezeit
 Die Ladezeit eines RCLs ist z. B. zu lang, weil der Internetzugang oder der RCL-Server zu
langsam ist oder weil für Java-Applets das Java Runtime Environment (JRE) geladen werden
muss
RCL
Wird keine Zusatzsoftware benötigt?
 Eine Installation von Zusatzsoftware ist mit Zeitaufwand für Download, Installation und eventuellem Neustart des Rechners verbunden
Zusatzsoftware  Es besteht die Gefahr, dass falsche Zusatzsoftware installiert wird oder die Zusatzsoftware
nicht funktioniert
 Am häufigsten wird als Zusatzsoftware das Java Runtime Environment (JRE) 66 für Applets und
die LabVIEW Run-Time Engine 67 eingesetzt
Müssen zur Nutzung des RCLs keine physikalischen Fragen beantwortet werden?
Testfragen
Kostenpflichtigkeit
Linksuche
 Nur Multiple-Choice-Fragen möglich
 Gefahr, dass der Nutzer den RCL-Anbieter für arrogant hält, der Nutzer sich für inkompetent
hält oder der Nutzer den Zugriff auf das RCL abbricht
Ist das RCL kostenlos verfügbar?
 Kostenpflichtig sind meistens RCLs größerer Firmen zum Erlernen der Administration von
Netzwerken, die in der weltweiten RCL-Recherche nicht erfasst wurden
Ist auf der Webseite der Link zum RCL leicht zu finden?
 Suchen des Links ist z. B. erforderlich, wenn der Link zu klein ist, im Text untergeht, in mitten
vieler anderer Links platziert oder ungenügend bezeichnet ist
Wird auf der Webseite über die Verfügbarkeit des RCLs informiert?
Statusanzeige
 Über die Verfügbarkeit des RCLs kann per Text oder symbolisch z. B. in Form einer Ampel informiert werden
 Bei einigen RCLs war nicht erkennbar, ob sich die Verfügbarkeit auf eine Funktionsstörung des
RCLs oder ob das RCL gerade besetzt ist, bezieht
Tab. 11: Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Barrierefreiheit von RCLs.
Kostenpflichtige RCLs68 konnten keine mehr gefunden werden. Testfragen wurden nur bei
einem RCL gestellt und werden nicht weiter betrachtet.
66
Vgl. Oracle - Java.
67
Vgl. National Instruments: LabVIEW Run-Time Engine.
68
Vgl. Zorn 2006, S. 16.
52
Tab. 12 informiert über die Anteile von 335 RCLs, welche einzelne und alle Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Barrierefreiheit erfüllen:
Statusanzeige vorhanden
x
Keine Registrierung/Anmeldung
x
Keine Zusatzsoftware JRE und lange Ladezeit
x
Keine Zusatzsoftware LabVIEW
x
x
Keine Buchung
x
x
Uneingeschränkter Nutzerkreis
x
x
Link schnell zu finden
x
x
Laborseite mindestens englischsprachig
x
x
Link funktioniert
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Webseite existiert
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
RCLs
178
91
90
86
73
71
59
55
45
33
17
RCLs in %
53
27
27
25
22
21
18
16
13
10
5
Tab. 12: Anteil RCLs der Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Barrierefreiheit erfüllt (N
= 335).
Unter den erfassten RCLs existiert nur von ungefähr der Hälfte (53 %) eine Webseite und
nur von etwa einem Viertel (27 %) ein funktionierender Link zur Laborseite des RCLs. Hinzufügen einzelner weiterer Qualitätsmerkmale zeigt, dass weniger als 20 % der RCLs die Qualitätsmerkmale zur Zusatzsoftware, zu Registrierung/Anmeldung und zur Statusanzeige erfüllen. Alle Qualitätsmerkmale erfüllen nur die 5 % RCLs des RCL-Portals. Dieser Idealfall ist
zu relativieren:
 Einmalig zu überwindende Barrieren wie die Installation von Zusatzsoftware und die Registrierung/Anmeldung sind nicht so hoch zu bewerten wie die anderen, bei jedem Zugriff
auf ein RCL auftretende Barrieren. Darüber hinaus funktionieren die Installation von Zusatzsoftware und Registrierung/Anmeldung heute mit größerer Zuverlässigkeit und einer
höheren Akzeptanz der Besucher.
 Für eine gezielte Nutzung von RCLs in Schule und Hochschule ist ein Buchungssystem
mit Registrierung/Anmeldung zwingend notwendig. Das beschriebene Buchungssystem
(→ VIII.2) stellt durch seine Konzeption und Nutzerfreundlichkeit keine Barriere, sondern
eine Serviceleistung für den Besucher dar.
 Die Höhe vieler Barrieren hängt von einer nutzerfreundlichen Gestaltung der Webseiten
ab: Sinn und Vorteile eines Buchungssystem sind zu kommunizieren, bei der Erhebung
persönlichen Daten ist der Verwendungszweck anzugeben und die Datensicherheit zu garantieren oder ein direkter Link zum Download der Zusatzsoftware garantiert die Installation der richtigen und aktuellsten Zusatzsoftware.
III.1.3
53
Nutzerfreundlichkeit
Besucher machen nach dem erstmaligen Aufrufen der Laborseite eines RCLs zuerst Erfahrungen mit der Nutzerfreundlichkeit der Laborseite und dann erst mit den Experimenten des
RCLs. 69 Insbesondere Besucher mit geringem Vorwissen zum RCL werden eine nutzerfeindliche Laborseite ohne zu experimentieren wieder verlassen. Erfahrungen mit vielen nutzerfeindlichen Laborseiten aus der RCL-Recherche (← II.4) lassen vermuten, dass Anbieter und
Programmierer von RCLs fälschlicherweise den eigenen sicheren Umgang mit der Laborseite auf Besucher übertragen. 70 Eine nutzerfreundliche Laborseite zeigt Besuchern, dass der
Anbieter des RCLs sich an den Besucherbedürfnissen orientiert und ein hohes Interesse an
der Nutzung des RCLs hat. Aus ökonomischer Sicht können nutzerfeindliche Laborseiten
den Material-, Geld- und Arbeitsaufwand der in einem inhaltlich guten RCL steckt, zunichtemachen oder zumindest in Frage stellen. Umgekehrt kann von einer nutzerfreundlichen Laborseite nicht auf die inhaltliche Qualität des RCLs geschlossen werden.
Qualitätsmerkmalen zur Nutzerfreundlichkeit und Funktionalität (→ III.1.4) wurden durch
Analyse und Vergleich der Laborseiten von sechs RCLs (Anhang X.5, IDs 15, 144, 175, 181,
182, 201) gewonnen. Fortschritte in den Internet-Technologien und Erfahrungen in der Entwicklung von RCLs wurden berücksichtigt, indem alle RCLs nach 2005 von Anbietern mit
mindestens vier veröffentlichten RCLs stammen. Am Beispiel der Laborseite des RCLs Beugung und Interferenz II des RCL-Portals in Abb. 27 werden zur Formulierung von Qualitätsmerkmalen relevante Strukturen von Laborseiten erläutert:
Abb. 26: Laborseite des RCLs Diffraction and Interference II mit gekennzeichneten Eingabeelementen
(hellblau), Eingabegruppen (dunkelblau), Ausgabeelementen (orange) und Ausgabegruppen
(rot).
69
Vgl. Schweibenz 2003, S. 14.
70
Vgl. Schweibenz 2003, S. 13.
54
Auf der Laborseite können zur Ein- und Ausgabe Buttons, Auswahlfelder, Ein- und Ausgabefelder (keine in Abb. 27), Webcambilder, Diagramme, Bilder (keine in Abb. 27) und PopupFenster unterschieden werden. Diese Vielfalt kann funktionell auf Ein- (hellblaue Rahmen)
und Ausgabeelemente (orange Rahmen) und deren Zusammenfassung zu Ein- (dunkelblaue
Rahmen) und Ausgabegruppen (rote Rahmen) reduziert werden. Die wichtigsten Ausgabegruppen auf der Laborseite sind Webcambilder. Der Rest der Laborseite sind Textinformationen wie z. B. Beschriftungen von Ein- oder Ausgabeelementen, Informationen zum Versuch
und Hinweise oder eingeblendete Rückmeldungen zur Bedienung. Der Tab. 14 können Qualitätsmerkmale zur Ein- und Ausgabe, zu Webcambildern und zu Textinformationen entnommen werden:
Qualitätsmerkmal
Wird Scrollen der Laborseite vermieden?
Scrollen
 Scrollen der Laborseite ist zu vermeiden, um die Aufmerksamkeit des Nutzers nicht zwischen dem sichtbaren und unsichtbaren Anteil der Laborseite zu verteilen (Split Attention
Effect) 71
 Die Notwendigkeit zu scrollen, hängt von der Bildschirmauflösung ab
Werden keine oder sinnvolle Popup-Fenster eingesetzt?
Popup-Fenster
 Popup-Fenster können für den Nutzer wegen dem Verdecken von Anteilen der Laborseite
beim Experimentieren hinderlich sein und deuten auf ein schlecht geplantes Layout der
Laborseite hin
Ein- und Ausgabe
 Ob Popup-Fenster tolerabel sind, hängt von deren Größe, Position und Funktion ab
Anordnung von
Elementen
Sind Ein- und Ausgabeelemente, Ein- und Ausgabegruppen, Webcambilder, Diagramme und
Bilder übersichtlich und funktionell angeordnet?
Gruppierung von Einund Ausgabeelementen
Sind Ein- und Ausgabeelemente übersichtlich zu wenigen, möglichst einheitlich strukturierten
Ein- und Ausgabegruppen zusammengefasst?
Redundante Ein- und
Ausgabeelemente
Erhält der Nutzer auf jede Aktion eine Rückmeldung?
Rückmeldungen
Ein- und Ausloggen
Ist das Ein- und Ausloggen transparent ausgeführt?
Wird über die verbleibende Experimentierdauer informiert?
Bilder
Sind Bilder gut zu erkennen, hinreichend groß und haben eine Funktion?
Sind Diagramme gut lesbar, hinreichend groß und haben eine Funktion?
Anzeige
Werden die Webcambilder angezeigt?
Ladezeit
Werden Webcambilder in weniger als ca. 3 s dargestellt?
Schärfe
Webcambilder
 Rückmeldungen in Webcambildern sind z. B. Bewegungen von Versuchskomponenten,
Veränderungen von Anzeigen oder sichtbares Einschalten von Lichtquellen
 Rückmeldungen im Bedienfeld sind z. B. Meldungen über unzulässige oder fehlende Eingaben, Meldungen zur Durchführung einer länger dauernden Aktion, Veränderungen in
Ausgabeelementen oder die Ausgabe von Werten
Diagramme
Ruckelfreiheit
Werden Bewegungen ruckelfrei wiedergegeben?
Sind die Webcambilder ausreichend scharf?
Größe/Auflösung
Ist die Größe/Auflösung der Webcambilder mindestens 320 x 240 Pixel?
Versuchsaufbau
in Totale
Existiert ein Webcambild des Versuchsaufbaus in der Totale?
Übersichtlichkeit
Versuchsaufbau
Ist der im Webcambild dargestellte Ausschnitt des Versuchsaufbaus übersichtlich gestaltet?
Erkennbarkeit
Versuchskomponenten
Sind alle für die Versuchsdurchführung relevanten Versuchskomponenten gut erkennbar?
Perspektive
Sind Ausschnitt und Blickrichtung der Webcams auf den Versuchsaufbau sinnvoll gewählt?
Mitbeobachtung
71
Ist die Anzahl der Ein- und Ausgabeelemente auf das Notwendigste reduziert?
Vgl. Niegemann 2008, S. 47.
Können wartende Nutzer Aktionen des aktuellen Nutzers in den Webcambildern beobachten?
Textinformationen
Sprache
55
Sind alle Texte in einheitlicher Sprache verfasst und grammatikalisch fehlerfrei?
Redundante
Sind keine redundanten Informationen vorhanden?
Überflüssige
Sind keine überflüssigen Informationen vorhanden?
Sind alle Informationen zur Versuchsdurchführung und -auswertung vorhanden?
Fehlende
 Z. B. Einheiten von Größen, Achsenbeschriftung von Diagrammen oder Werte gegebener
Größen
Falsche
Sind alle Informationen inhaltlich richtig?
Falsch platzierte
Abkürzungen
Sind Informationen in unmittelbarer Nähe zum Bezugsobjekt platziert?
Wird auf Größensymbole und sonstige Abkürzungen verzichtet?
Tab. 13: Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Nutzerfreundlichkeit.
III.1.4
Funktionalität
Die Funktionalität von RCLs bezieht sich auf die technische Umsetzung experimenteller Aktivitäten auf der Laborseite. In Tab. 15 sind Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Funktionalität zusammengestellt:
Automatisierte
Messung
Allgemein
Qualitätsmerkmal
Überflüssige Funktionen
Sind alle Funktionen sinnvoll?
Redundante Funktionen
Sind keine Funktionen redundant?
Unverständliche Funktionen
Sind alle Funktionen verständlich?
Defekte Funktionen
Sind alle Funktionen ausführbar?
Einzelmessungen
Können bei automatisierter Aufnahme einer Messreihe einzelne Werte gemessen werden?
Speicherung von Messdaten
Können bei automatisierter Messwertaufnahme die Messdaten auf dem Computer des Nutzers gespeichert werden?
Graph löschen
Kann bei automatisierter Messwertaufnahme der Graph von
Messwerten gelöscht werden?
Tab. 14: Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Funktionalität.
III.1.5
Konzeption
In Tab. 16 sind Qualitätsmerkmale zum Qualitätskriterium Konzeption zusammengestellt:
Experimente
Zielgerichtetheit
Qualitätsmerkmal
Erläuterung
Richtziel
Sind die Inhalte geeignet um physikalische Begriffe, Zusammenhänge, Modelle, technische Anwendungen, Naturphänomene, usw. zu verstehen?
Schulstufe/Studienabschnitt
Sind die Inhalte auf eine bestimmte Schulstufe oder Studienabschnitt oder auf mehrere abgestimmt?
Lehrplan
Fachliche
Richtigkeit
Sind die Inhalte Teil des Lehrplans von Schulen und Hochschulen?
Sind die Inhalte außerhalb der Standard-Lehre in Projekten, Arbeitsgruppen oder zum
Selbststudium einsetzbar?
Sind zur Aufnahme von Messreihen die Anzahl und der Bereich der Werte unabhängiger Größen richtig gewählt?
Stimmen experimentelle Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen und Literaturwerten im Rahmen von Annahmen und Messfehlern überein?
Mehrwert
Bieten die Experimente des RCLs einen Mehrwert in den experimentellen Features,
den Inhalten, der Lehr-Lern-Organisation oder Formen des Lernens mit Experimenten
(→ III.3.1)?
Vernetzung
Sind die Inhalte einzelner Experimente vernetzt oder stehen sie nur isoliert nebeneinander?
Vollständigkeit
56
Wird im Rahmen des Themas eine gewisse Vollständigkeit der Inhalte erzielt?
Tab. 15: Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Konzeption.
Am Beispiel eines RCLs zur elektromagnetischen Induktion in Abb. 28 können die Qualitätsmerkmale erläutert werden. Die Rotation einer Leiterschleife im annähernd homogenen
Magnetfeld eines Hufeisenmagneten erzeugt eine sinusförmige Induktionsspannung (Generatorprinzip). Durch Variation der Drehzahl der Leiterschleife können Amplitude und Frequenz der Induktionsspannung verändert und im Diagramm gemessen werden:
Abb. 27: Laborseite eines RCLs (Anhang A.5, ID 13) zur elektromagnetischen
Induktion (Speicherung und Abruf von Spannungsverläufen nicht
dargestellt).
 Zielgerichtetheit: Schulstufe/Studienabschnitt, Lehrplan, Richtziel
Die gegebene Flussdichte zeigt, dass das RCL ab der Sekundarstufe II eingesetzt werden
kann. Der Inhalt des RCLs ist Teil des Lehrplans von Schulen und Hochschulen. Beim
RCL handelt es sich lediglich um die experimentelle Umsetzung einer Standardaufgabe
zur Induktion in der Sekundarstufe II. Die elektromagnetische Induktion wird weder aus
physikalischer (→ III.3.5, Tab. 7, Elektromagnetische Induktion) noch aus technischer
57
Sicht (z. B. Generator unter Belastung, Wirkungsgrad eines Generators, Erzeugung von
Drehstrom) tiefergehend betrachtet.
 Experimente: Fachliche Richtigkeit, Mehrwert, Vernetzung, Vollständigkeit
Die aus Windungszahl, Spulenfläche, Flussdichte und der experimentell ermittelten Umlaufdauer bestimmte theoretische Amplitude der Induktionsspannung stimmt mit der gemessenen Amplitude der Induktionsspannung überein. Das RCL bietet im Vergleich zum
einfach durchführbaren traditionellen Realexperiment einen kleinen Mehrwert als Ergänzung einer Übungsaufgabe. Da das RCL nur aus einem einzigen Experiment besteht (Zusammenhang zwischen Umlaufdauer der Induktionsspule und Frequenz/Amplitude der
Induktionsspannung) können keine Vernetzungen von Experimenten vorliegen. Die Weiterentwicklung dieses RCLs (→ III.3.5, Tab. 27, Elektromagnetische Induktion) ist ein Beispiel für die Vernetzung von Experimenten anhand eines Gesetzes. Das RCL ist aus
technischer und physikalischer Sicht unvollständig.
III.1.6
Interaktivität
Eine Definition von Interaktivität lautet: "Interaktivität bezeichnet das Ausmaß, in dem eine
Lernumgebung Interaktionen ermöglicht und fördert." 72 Eine Umschreibung von Interaktivität
betont besonders die Möglichkeit des wahlfreien Zugriffs auf multimediale Informationen. 73
Bei RCLs interagieren Besucher und Experiment auf der Laborseite und über eine dazwischengeschaltete RCL-Technik (→ III.1, Abb. 24). Eine operationale Definition der Interaktivität von RCLs, welche die Wechselseitigkeit und Symmetrie von Interaktionen zwischen Nutzer und Experiment beachtet, lautet: Unter Interaktivität eines RCLs wird der Umfang an
wahlfreien Aktionsmöglichkeiten des Besuchers und definierten Reaktionen des Experiments
auf der Laborseite des RCLs verstanden.
Interaktivität von RCLs soll dazu führen, dass Besucher sich experimentell und theoretisch
mit physikalischen Inhalten des Experiments auseinandersetzen (kognitive Wirkung), durch
vielfältige experimentelle Aktivitäten zu individualisierten experimentellen Vorgehensweisen
angeregt werden (lernpsychologische Wirkung) und eine positive Einstellung zur experimentellen Methode entwickeln (motivationale Wirkung). 74
In Tab. 17 wird die Interaktivität der RCLs des RCL-Portals quantitativ und qualitativ durch
Qualitätsmerkmale wie die Anzahl der Ein- und Ausgabeelemente, die Anzahl der Ein- und
Ausgabegruppen (→ II.1.3, Abb. 26), die Art der physikalischen Größen, dem Anteil messund steuerbarer Größen an der Gesamtzahl von Größen und durch experimentelle Aktivitäten erfasst:
72
73
Vgl. Kerres 2001, S. 101.
74
Vgl. Haack 2002, S. 129.
Ausgabegruppen
Ausgabeelemente
RCL
Eingabegruppen
Nr.
Eingabeelemente
Größe (g)egeben,
(b)estimmbar, (m)essbar,
(s)teuerbar
Anteil (m + s)/n messbarer (Anzahl m) + steuerbarer Größen
(Anzahl s) an der Anzahl n aller
Größen
 Abstand BeugungsobjektSchirm (g)
 Spaltabstand (g,b,s)
1
Beugung und
Interferenz I
 Spaltbreite (g,b,s)
4
2
4
2
58
Experimentelle Aktivitäten (Anzahl k)
Allgemein
Beugungsobjekt
Gerät
ein-/ausschalten
Laser
 Abstand im Beugungsmuster
(m,b)
k
Messergebnisse
Screenshot Beugungsmuster
speichern
Ordnung Maxima/Minima ↔
Position Maxima/Minima
 Spaltanzahl (g,s)
 Wellenlänge (g,b)
Speziell
Objekt wählen
Messreihe
aufnehmen
7
Spaltbreite ↔ Position
Maxima/Minima
Spaltabstand ↔ Position
Maxima/Minima
(1 + 3)/6 ≡ 67 %
Versuch
justieren
Beugungsobjektrad
Objekt wählen
Beugungsobjekt
Messergebnisse
speichern
Screenshot von
Beugungsmuster
Lichtintensität ↔ Position
Lichtsensor
Messinstrument
Schrittweite des Lichtsensors
einstellen
Messinstrument
wählen
Wellenlänge ↔ Position
Maxima/Minima
 Spaltabstand (g,b,s)
 Spaltbreite (g,b,s)
Spaltbreite ↔
Lichtintensität zentrales
Maximum
 Spaltanzahl (g,b,s)
 Wellenlänge (g,b,s)
2
Beugung und
Interferenz II
16
8
9
3
Spaltbreite ↔ Breite
zentrales Maximum
 Position im Beugungsmuster
(m,b)
 Lichtintensität (m)
 Ordnung Maxima/Minima (m,
b)
Screenshot, Lineal oder
Lichtsensor
Messreihe
aufnehmen
15
Spaltanzahl ↔
Lichtintensität zentrales
Maximum
Spaltabstand ↔ Position
Maxima/Minima
 Anzahl Nebenmaxima (m,b)
 Auflösungsvermögen (b)
Spaltanzahl ↔ Anzahl
Nebenmaxima
(1 + 5)/10 ≡ 60 %
Spaltanzahl ↔
Minimale Ordnung Auflösung
Position Lichtsensor ↔
Lichtintensität
 Streumaterial (g)
 Abstand GraphitfolieFluoreszenzschirm (g)
3
Elektronenbeugung
 Ringdurchmesser (m,b)
3
2
3
2
 Netzebenenabstand (g,b)
 Beschleunigungsspannung (s)
 Geschwindigkeit der Elektronen (b)
 Wellenlänge der Elektronen (b)
Strahl
präparieren
Wellenlänge
Versuch
justieren
Bewegliche
Versuchskomponenten
Gerät
ein-/ausschalten
Glühkathode
Größe messen
Ringradien des
Beugungsmusters
Messergebnisse
speichern
Screenshot des
Beugungsmusters
Messreihe
aufnehmen
Beschleunigungsspannung
↔ Ringdurchmesser
Strahl
präparieren
Geschwindigkeit/Wellenlänge
der Elektronen
5
59
 Planck´sches Wirkungsquantum (b)
(1 + 1)/8 ≡ 25 %
 Wellenlänge (s,a,b)
 Lichtintensität (s)
 Fotospannung (m,b)
4
Fotoeffekt
12
3
4
1
 Austrittsarbeit (g,b)
 Plancksches Wirkungsquantum
(b)
(1 + 2)/5 ≡ 60 %
 Halbleiterbauelement (s)
 Messschaltung (s)
 Kennlinie (m)
Messreihe
aufnehmen
5
 Gleichspannung in Schaltung
(s)
5
4
8
2
 Schaltspannung (b)
 Haltestrom (b)
 Maximaler Kollektorstrom (b)
 Maximale KollektorEmitterspannung (b)
(3 + 3)/12 ≡ 50 %
Lichtintensität
Räder mit Farb- und
Graufiltern
Objekt wählen
Halbleiterbauelement
Messergebnisse
speichern
Screenshot Kennlinie
Oszilloskopschirm
Messinstrument
einstellen
X- und Y-Verschiebung
6
Heißer Draht
7
2
5
1
Parameter
wählen
7
17
3
5
3
 Lichtgeschwindigkeit (b)
(2 + 1)/3 ≡ 100 %
8
Maut
3
2
4
1
 Öldichte (g)
 Plattenabstand (g)
 Luftviskosität (g)
 Luftdichte (g)
9
MillikanVersuch
9
4
4
1
 Skalenteileabstand (g)
 Kondensatorspannung (s)
 Mikroskoprichtung (s)
 Mikroskop-Fokus (s)
 Öltröpfchenproduktion (s)
 Steigzeit (m)
11
Stromstärke Transistor/
Thyristor
Drehteller mit Schaltungen
Zusammenhang
beobachten
Oszilloskopeinstellungen ↔
Oszilloskopbild
Oszilloskopbild
Drahtbügel drehen
Objekt
positionieren
Drahtbügel horizontal/
vertikal bewegen
Laufzeit
Screenshot Impulse Oszilloskopschirm
Messreihe
aufnehmen
Laufstrecke ↔ Laufzeit
Objekt
positionieren
Reflektor
Versuch
justieren
Lichtintensität Referenzstrahl
Zusammenhang
beobachten
Laufstrecke ↔ Abstand
Impulse
Größe messen
Gerät
ein-/ausschalten
Größe messen
2
Laufstrecke
Messergebnisse
speichern
Gerät
 Fahrzeugidentifikationsnummer ein-/ausschalten
(m)
Messinstrument
 Rundenzahl (m)
einstellen
(2 + 0)/2 ≡ 100 %
Spannung Transistor/
Thyristor
Versuch
justieren
Größe messen
Zeitbasis
Triggerlevel
(1 + 2)/3 ≡ 100 %
 Laufzeit (m)
 Laufstrecke (s,m)
5
X- und Y-Verstärkung
 Drahtbügelorientierung (s)
 Drahtbügelposition (s)
 Berührung (m)
Wellenlänge
Versuch
justieren
 Durchlassspannung (b)
 Stromverstärkungsfaktor (b)
Lichtintensität ↔
Fotospannung
Strahl
präparieren
 Stromstärke in Schaltung (m)
 Spannung in Schaltung (m)
Wellenlänge ↔
Fotospannung
8
Lichtintensität Messstrahl
Zug starten/stoppen
Zähler zurücksetzen
4
Anzahl gefahrener Runden
Fahrzeugidentifikationsnr.
Kompressor Öltröpfchen
einblasen
Steig- und Fallstrecke
Steig- und Fallzeit
Messergebnisse
speichern
Steig- und Fallzeit mit
Stoppuhr-Tool
Messinstrument
einstellen
Blickrichtung Mikroskop
Messreihe
aufnehmen
Öltröpfchennr. ↔
Steig-/Fallgeschwindigkeit
Parameter
Steigspannung
Fokus Mikroskop
10
 Fallzeit (m)
wählen
 Steiggeschwindigkeit (b)
 Fallgeschwindigkeit (b)
 Elementarladung (b)
Zusammenhang
beobachten
(2 + 4)/14 ≡ 43 %
 Bildauflösung (s)
 Scanwinkel (s)
 Anzahl der Scanwinkel (s)
10
Optische
Computertomographie
 Abstand der Scanwinkel (s)
16 10
6
2
 Probekörper (s)
Probekörper
Laser
Messreihe
aufnehmen
 Computertomographisches Bild Zusammenhang
beobachten
(m)
(1 + 7)/8 ≡ 100 %
7
4
3
1
Abmessungen Beugungsobjekt ↔ Abmessungen
Beugungsmuster
Ordnung n Maxima/Minima
↔ Position Maxima/Minima
Anzahl Einzelobjekte ↔
Anzahl Nebenmaxima
Separabilität Beugungsobjekt
↔ Separabilität
Beugungsmuster
10
Symmetrie Beugungsobjekt
↔ Symmetrie
Beugungsmuster
 Einzelform (s)
 Form mit Einzelformen (s)
 Größe der Einzelform (s)
Bildqualität ↔ Fensterung
Beugungsobjekt
Messreihe
aufnehmen
6
Bildqualität ↔ Shepp-LoganFilter
Screenshot von Beugungsmuster
 Anzahl Einzelobjekte in yRichtung (s)
 Begrenzende Einzelform (s)
Bildqualität ↔ Anzahl der
Scanwinkel
Objekt wählen
 Anzahl Einzelobjekte in xRichtung (s)
11
Bildqualität ↔ Bildauflösung
Messergebnisse
speichern
 Strecke im Beugungsmuster
(m)
Optische
FourierTransformation
Öltröpfchengröße ↔
Gerät
ein-/ausschalten
 Shepp-Logan-Filter (s)
Steigspannung ↔
Objekt wählen
 Fensterung (s)
 Wellenlänge (g)
60
Zusammenhang
beobachten
 Winkel zwischen Einfachspalten (s)
Begrenzende Einzelform ↔
Beugungsmuster im
reziproken Gitter
Beugungsobjekt aus mehreren Einzelformen ↔ Modulation Beugungsmuster mit
Beugungsmuster der
Einzelform
(1 + 5)/10 ≡ 60 %
Einzelform ↔
Beugungsmuster
Y-Verstärkung
 Signalart (s)
 Signalfrequenz (m)
 Signalamplitude (m)
 Offset (m)
12
Oszilloskop
9
3
11
1
 Trigger level (s)
 X-Position (s)
 Y-Position (s)
 Y-Verstärkung (s)
 Zeitbasis (s)
(3 + 6)/9 ≡ 100 %
 Strahlungsart (g,s,b)
 Messzeit (s)
13
Radioaktivität
 Zerfälle (m)
16
7
9
2
 Zeit zwischen Zerfällen (m)
 Zählrate (b)
 Zerfallskonstante (b)
 Abstand Quelle-Detektor (s)
Messinstrument
einstellen
X- und Y-Position
Zeitbasis
Triggerlevel
Messergebnisse
speichern
Screenshot der Signale
Quelle wählen
Signalart
Versuch
justieren
Rücksetzen auf
Standardsignal
Zusammenhang
beobachten
Oszilloskopeinstellungen ↔
Oszilloskopbild
Objekt wählen
Absorber
8
Detektorabstand ↔ Zerfälle
Messreihe
aufnehmen
Absorberdicke ↔ Zerfälle
Zeit ↔ Zerfälle
Detektorwinkel ↔ Zerfälle
Parameter
wählen
Magnetische Feldstärke
Quelle wählen
Strahlungsart
8
61
 Magnetfeldrichtung (s)
 Magnetaktivierung (s)
 Absorptionsmaterial (g,s)
 Detektorwinkel (s)
 Absorberdicke (s,b)
Versuch
justieren
Probenrad und
Standardwerte
 Schwächungskoeffizient (b)
 Halbwertsdicke (b)
(2 + 8)/14 ≡ 71 %
14
Roboter im
Labyrinth
 Bewegungsrichtung (s)
6
3
3
2
 Roboterdrehung (s)
(0 + 2)/2 ≡ 100 %
 Kernladungszahl (g,s,b)
 Messzeit (s)
Rutherfordscher
15
Streuversuch
6
3
4
1
 Zerfälle (m)
 Zählrate (b)
 Streuwinkel (s,m)
(2 + 3)/5 ≡ 100 %
 Pendelmasse (g)
 Pendelvolumen (g)
 Kugelradius (g)
 Drahtlänge (g)
 Schwerpunktabstand (g)
Roboter vor-/zurückbewegen
Objekt wählen
Metallfolie
Messreihe
aufnehmen
Streuwinkel ↔ Zerfälle
Parameter
wählen
4
3
3
2
Parameter
wählen
Anfangsauslenkwinkel
Messreihe
aufnehmen
Breitengrad ↔
Schwingungsdauer
5
Schwingungsdauer
Periode
Auslenkwinkel
 Auslenkwinkel (m)
Gesamtzeit
 Gesamtzeit (m)
 Raumtemperatur (m)
 Periode (m)
2
Messzeit
Metallfolienrad, Streuwinkel
 Breitengrad (s)
Weltpendel
Kernladungszahl
Versuch
justieren
 Anfangsauslenkwinkel (s)
16
Roboter drehen
Objekt
positionieren
7
Größe messen
 Schwingungsdauer (m)
Raumtemperatur
 Trägheitsmoment Pendel (g)
 Dämpfungskonstante (b)
 Erdbeschleunigung (b)
(5 + 2)/15 ≡ 47 %
Objekt wählen
Gerät
ein-/ausschalten
 Spannung (m)
 Querschnittsfläche Fahrzeug
(g)
 Dichte der Luft (g)
17
Windkanal
8
4
5
1
 Windgeschwindigkeit (m,s)
 c w -Wert (b)
 Newton´sche Reibungskraft (b)
(2 + 1)/6 ≡ 50 %
Größe messen
Fahrzeugtyp
Winderzeuger
Anemometer
Multimeter
Windgeschwindigkeit
Spannung
Messreihe
aufnehmen
Windgeschwindigkeit ↔
Spannung
Parameter
wählen
Fahrzeugtyp (c w -Wert)
Strahl
präparieren
Windgeschwindigkeit
Versuch
justieren
Fahrzeugselektor
Zusammenhang
beobachten
Stabbiegung
Fadenrichtung
Tab. 16: Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Interaktivität am Beispiel der RCLs
des RCL-Portals.
12
62
 Anzahl der Ein- und Ausgabeelemente und Ein- und Ausgabegruppen
RCLs des RCL-Portals haben zwischen 3 und 17 Eingabe- (Mittelwert 8,8) und zwischen
3 und 11 Ausgabeelemente (Mittelwert 5,1). Die Anzahl der Eingabeelemente ist in der
Regel größer als der Ausgabeelemente, weil zu den Eingabeelementen auch Buttons zur
Ausführung vorgewählter Einstellungen beitragen. Die Anzahl der Eingabegruppen liegt
zwischen 2 und 10 (Mittelwert 4,0), die der Ausgabegruppen zwischen 1 und 3 (Mittelwert
1,7). Die RCLs bieten eine symmetrische und durch die nicht zu kleine und nicht zu große
Anzahl der Ein- und Ausgabegruppen, eine anregende und dennoch überschaubare Interaktion zwischen Besucher und Experiment.
 Arten von Größen
In Tab. 17 wird zwischen gegebenen, bestimmbaren, messbaren und steuerbaren Größen
eines RCLs unterschieden. Zur Interaktivität eines RCLs tragen nur die in der RCLEntwicklung festgelegte Anzahl m messbarer und Anzahl s steuerbarer Größen bei. Daher kann deren Anteil (m + s)/n an der Gesamtzahl n von Größen eines RCLs als Maß für
die Interaktivität verwendet werden. Der Anteil schwankt bei den RCLs des RCL-Portals
zwischen 25 % beim RCL Elektronenbeugung und 100 % z. B. beim RCL Lichtgeschwindigkeit (Mittelwert 68 %). Der Mittelwert zeigt die hohe Interaktivität der RCLs des RCLPortals.
Die Anzahl m messbarer Größen ist bei 4 RCLs (z. B. RCL Weltpendel) höher, bei 2
RCLs (z. B. RCL Halbleiterkennlinien) gleich und bei den restlichen 11 RCLs (z. B. RCL
Optische Computertomographie) kleiner als die Anzahl steuerbarer Größen. Das RCL
Weltpendel ist damit mehr ein Fernmessungsexperiment, das RCL Optische Computertomographie mehr ein Fernsteuerungsexperiment.
 Experimentelle Aktivitäten
Zur qualitativen Erfassung der Interaktivität von RCLs sind experimentelle Aktivitäten wie
z. B. eine Messreihe aufnehmen besser als Praktikumslernziele wie z. B. Untersuchungsstrategien entwickeln und durchführen 75 geeignet, weil diese unmittelbarer auf das Experimentieren bezogen sind. Beim traditionellen Realexperiment können experimentelle Aktivitäten zum Aufbau, zur Durchführung und zur Auswertung eines Versuchs erfasst werden. Bei RCLs fehlen mit Ausnahme von RCLs zur Elektronik (→ Anhang X.5, IDs 173176) experimentelle Aktivitäten zum Versuchsaufbau, weil der Aufbau von Versuchen
nicht mit vertretbarem Aufwand und nur ohne Haptik realisierbar ist. Experimentelle Aktivitäten der RCLs des RCL-Portals zur Versuchsauswertung fehlen, weil vielfältige kognitive
Werkzeuge zur Auswertung von Messdaten verfügbar sind (→ VI.2.1), die Laborseite mit
Auswertungsmöglichkeiten unübersichtlich wird sowie Beobachten und Messen nicht
mehr im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit stehen würde.
75
Vgl. Schmalenberger 1994, S. 67.
63
Eine Analyse der RCLs des RCL-Portals ergab die in Tab. 16 verwendeten experimentellen Aktivitäten Quelle wählen, Objekt wählen, Objekt positionieren, Gerät ein/ausschalten, Versuch justieren, Strahl präparieren und Parameter wählen zur Bedienung
des RCLs. Für Messungen mit dem RCL wurden die experimentellen Aktivitäten Messreihe aufnehmen, Messergebnisse speichern, Messinstrument einstellen, Messinstrument
wählen, Größe messen und Zusammenhang beobachten identifiziert. Die Anzahl experimenteller Aktivitäten in Tab. 16 schwankt zwischen 2 beim RCL Heißer Draht und 15 beim
RCL Beugung und Interferenz II (Mittelwert 7,4). Die RCLs des RCL-Portals bilden damit
ein breites Spektrum experimenteller Aktivitäten zur Versuchsdurchführung ab.
Die Anzahl experimenteller Aktivitäten ist in der Regel bei einem RCL kleiner als beim
adaptierten traditionellen Realexperiment. Z. B. kann beim RCL Fotoeffekt der Messverstärker und beim RCL Rutherfordscher Streuversuch der Diskriminator-Vorverstärker des
Halbleiterdetektors nicht bedient werden. In Abwägung des Aufwands werden nur die
physikalisch relevantesten experimentellen Aktivitäten angeboten.
III.1.7
Authentizität
Unter Authentizität von RCLs wird im Folgenden verstanden, dass das Experimentieren über
die Laborseite dem Experimentieren von Lernenden mit einem traditionellen Realexperiment
wie bei Schülerexperimenten oder Praktikumsversuchen möglichst nahe kommt. Auch wenn
RCLs zu den Realexperimenten zählen, sind RCLs nicht per se authentisch oder authentischer als andere Physikmedien (→ VI.1.1). Authentizität muss während der Entwicklung von
RCLs durch die Gestaltung der Laborseite und durch experimentelle Aktivitäten (← III.1.6,
▪ Experimentelle Aktivitäten) generiert werden:
 Webcambilder
Während in Simulationen traditioneller Realexperimente nur statische Skizzen oder Animationen des Versuchsaufbaus verwendet werden (→ VI.2.2, ▪ Simulation zum RCL Fotoeffekt), sind Livebilder von Webcams bei RCLs das wichtigste Mittel zum Erzeugen von
Authentizität. Laborseiten ohne Webcambilder rücken RCLs in die Richtung einer Simulation (→ Anhang X.5, IDs 217-227).
64
Teilansicht des Versuchsaufbaus
Beobachten visueller Versuchsergebnisse
Verfolgen mechanischer Versuchsabläufe
2
x
x
x
2
x
x
x
Elektronenbeugung
1
4
Fotoeffekt
1
x
x
5
2
x
x
x
6
Heißer Draht
1
x
x
7
2
x
x
x
8
Maut
1
x
x
x
9
Millikan-Versuch
1
10
1
11
1
12
Oszilloskop
1
13
Radioaktivität
2
14
2
x
15
1
x
16
Weltpendel
1
17
Windkanal
1
Nr.
RCL
1
2
3
Ablesen von Oszilloskopen,
Multimetern und Anzeigen
Webcambilder
Gesamtansicht des Versuchsaufbaus
Der Tab. 18 können die Anzahl und die Funktionen der Webcambilder der RCLs des
RCL-Portals entnommen werden:
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Tab. 17: Anzahl und Funktionen der Webcambilder von RCLs des
RCL-Portals.
Authentizität wird in den Webcambildern durch statische Bildanteile wie eine Teil- oder
Gesamtansicht des Versuchsaufbaus und in besonderem Maß durch dynamische Bildanteile wie das Beobachten visueller Versuchsergebnisse, das Verfolgen mechanischer
Versuchsabläufe oder das Ablesen von Displays erzeugt. Damit wird das Kohärenzprinzip76 erfüllt, nach dem dekorative oder funktionsarme Bilder die Verarbeitung von Informationen beeinträchtigen können.
 Webcam- und Bedienfeld
Webcam- und Bedienfeld werden gleichzeitig nebeneinander dargestellt (← II.3.2, Abb.
7). Nach dem Kontiguitätsprinzip 77 können Besucher die Durchführung von Aktionen im
Bedienfeld und Beobachtung von Veränderungen am Experiment im Webcamfeld in einen
76
77
65
inhaltlichen Zusammenhang bringen. Aktionen des Besuchers und Reaktionen des Experiments können wie beim traditionellen Realexperiment eine Interaktionskette78 bilden.
 Fotorealistisch bedienbare Gerätefronten
In Abb. 28 ist am Beispiel der Laborseite des RCLs Oszilloskop dargestellt, wie fotorealistisch bedienbare Gerätefronten zur Steigerung der Authentizität eines RCLs beitragen
können:
Abb. 28: Laborseite des RCLs Oszilloskop (mit Maus/Hand wird YVerstärkung eingestellt).
Einstellungen an ausgewählten Bedienungselementen des Oszilloskops können mit der
Maus vorgenommen werden. Diese auch bei interaktiven Bildschirmexperimenten eingesetzte Methode ist in allen RCLs möglich, die fernsteuerbare elektronische Geräte wie z.
B. Oszilloskope, Multimeter oder Messverstärker verwenden.
 Messprozess
Da RCLs Realexperimente sind, sind Messungen wie beim traditionellen Realexperiment
prinzipiell fehlerbehaftet. Angezeigte Messwerte schwanken (z. B. RCL Fotoeffekt) oder
mehrmalige Messungen führen unter gleichen Versuchsbedingungen zu unterschiedlichen Messergebnissen (z. B. RCL Rutherfordscher Streuversuch). Für eine höhere Authentizität werden Werte z. B. von Spannungen, Ströme oder Zerfällen nach Möglichkeit
nicht im Bedienfeld ausgegeben, sondern von Messgeräten im Webcambild angezeigt (z.
B. RCL Windkanal).
78
66
Eine automatisierte Aufnahme und Darstellung von Messwerten wird nur eingesetzt, wenn
dies auch beim traditionellen Realexperiment sinnvoll ist (z. B. RCLs Beugung und Interferenz II und Optische Computertomographie). Auf eine automatisierte Auswertung von
Messdaten wird verzichtet, weil vielfältige kognitive Werkzeuge zur Weiterverarbeitung
von Messdaten verfügbar sind (→ VI.2.1). Dazu können von der Laborseite Messergebnisse notiert (z. B. RCL Lichtgeschwindigkeit), Messdaten als Textdatei (z. B. RCL Beugung und Interferenz II) oder visuelle Versuchsergebnisse als Grafikdatei (z. B. RCL
Elektronenbeugung) auf dem Computer gespeichert werden.
 Experimentelle Aktivitäten
Wenn beim Experimentieren mit RCLs hinreichend viele experimentelle Aktivitäten (←
III.1.6, ▪ Experimentelle Aktivitäten) wie beim Experimentieren mit traditionellen Realexperimenten angeboten werden, wird Authentizität durch die Interaktivität von Experimenten
erzeugt. Experimentelle Aktivitäten sind Voraussetzung zum Erreichen von Lernzielen wie
z. B. experimentelle Aktivitäten in der richtigen Reihenfolge durchzuführen, Geräte abzulesen oder die Intervallschritte für die Variation der unabhängigen Größe geeignet zu wählen. 79
III.2
Evaluation
Bei der Evaluation von Medien wird zwischen experten- und nutzerorientierten Methoden unterschieden. Der Vergleich zwischen drei themengleichen RCLs (→ III.2.1) ist eine rein expertenorientierte, heuristische Methode der Qualitätsbeurteilung anhand einer Checkliste
durch einen Doppelexperten mit Kenntnissen zur Ergonomie von Medien und zu Fachinhalten. Die Qualitätsbeurteilung von RCLs anhand der Daten eines Besucher-Trackings (→
III.2.2) ist mehr eine nutzerorientierte Methode, weil die tatsächliche Nutzung von RCLs ausgewertet wird. Eine Einschätzung der Unterrichtstauglichkeit von RCLs durch Lehrkräfte (→
III.2.3) ist sowohl nutzer- wie expertenorientiert, weil Lehrkräfte die RCLs aus Sicht eines Unterrichtsexperten und Nutzers beurteilen.
III.2.1
Vergleich themengleicher RCLs
Die Beurteilung der Qualität eines RCLs erfolgt wegen der Unterschiede zwischen RCLs und
der strukturellen Unterschiede zwischen den Physikmedien durch Vergleich themengleicher
RCLs. In Tab. 19 werden exemplarisch die drei RCLs Single and double slit 80 (→ Anhang
X.5, ID 182), Diffraction on microobjects 81 (→ Anhang X.5, ID 15) und Diffraction and Interfe-
79
Vgl. Schmalenberger 1994, S. 69-70.
80
Vgl. RCL Single and double Slit.
81
Vgl. RCL Diffraction on microobjects
67
RCL
Single and double
Slit
RCL
RCL
Diffraction on microob- Diffraction and Interjects
ference II
Abb. 29
Abb. 30
Abb. 31
Universität Prag
Technische Universität Kaiserslautern
Kurzform
Erläuternde Frage
Technische Universität Berlin
Stabilität
Wie hoch ist der Zeitanteil eines funktionierenden RCLs?
0%
Laser nicht
einschaltbar
100 %
100 %
Verfügbarkeit
Wie hoch ist der Zeitanteil eines verfügbaren RCLs?
0%
100 %
100 %
Existenz
Webseite
Existiert zum RCL eine
Webseite?



Registrierung/
Anmeldung
Ist das RCL ohne Registrierung und Anmeldung zugänglich?
Nein


Eingeschränkter
Nutzerkreis
Ist das RCL allen Nutzergruppen
zugänglich?



Persönliche
Daten
Ist das RCL ohne Angabe persönlicher Daten (außer E-MailAdresse) zugänglich?



Buchung
Ist das RCL ohne Buchung von Experimentierzeiten zugänglich?



Sprachen
Ist die Laborseite des
RCL mindestens in
englischer
Sprache
verfügbar?



Linkfunktion
Funktioniert der Link
zur Laborseite des
RCLs?



Ladezeit
Ist die Ladezeit der Laborseite kürzer als ca.
3 s?



Zusatzsoftware
Wird keine Zusatzsoftware benötigt?
LabVIEW RTE
Java JRE

Testfragen
Müssen zur Nutzung
des RCLs keine physikalischen Fragen beantwortet werden?



Kostenpflichtigkeit
Ist das RCL kostenlos
verfügbar?



Linksuche
Ist auf der Webseite
der Link zum RCL
leicht zu finden?
Nicht hervorgehoben,
Satz als Link


-
Bereich
Qualitätsmerkmal
RCL
Barrierefreiheit
Allgemein
Verfügbarkeit
Qualitätskriterium
rence II 82 (→ Anhang X.5, ID 201) zum Thema Beugung und Interferenz anhand einer summarischen Checkliste 83 mit Qualitätskriterien und -merkmalen (← III.2) evaluiert. Stabilität
und Verfügbarkeit der RCLs wurden zwei Wochen lang täglich geprüft. Zahlenangaben in
den letzten drei Spalten verweisen auf die entsprechenden Stellen der Laborseiten in Abb.
30, Abb. 31 und Abb. 32.
82
Vgl. RCL-Portal unter englischer Version/RCLs/Diffraction and Interfence II.
83
Vgl. Beier 2002, S. 91.
Ein- und Ausgabe
Statusanzeige
Wird auf der Webseite
über die Verfügbarkeit
von RCLs informiert?
Nein
Nein

Scrollen
Wird Scrollen der Laborseite vermieden?

Nein

Popup-Fenster
Werden keine oder nur
sinnvolle
PopupFenster eingesetzt?



Anordnung von
Elementen
Sind alle Elemente
übersichtlich und funktionell angeordnet?
Elemente sind willkürlich angeordnet (3)
Elemente zu dicht beieinander (2)

Sind Ein- und Ausgabeelemente übersichtGruppierung von lich zu wenigen, einEin- und Ausga- heitlich strukturierten
beelementen
Ein- und Ausgabegruppen zusammengefasst?
Buttons und Text fließen ineinander über
Gruppierungen nicht erkennbar

Redundante Einund Ausgabeelemente
Ist die Anzahl der Einund Ausgabeelemente
auf das Notwendigste
reduziert?
Buttons "Single Slit"
und "Double Slit"
reichen (5)
Ablauf der Experimentierdauer wird in fünf
Feldern gleichzeitig angezeigt

Rückmeldungen
Erhält der Nutzer auf
jede
Aktion
eine
Rückmeldung?

Während der Wartezeit
auf das Webcambild
fehlt "Webcambild wird
geladen"

Ist das Ein- und Ausloggen
transparent
ausgeführt?
Nein


Ein- und Ausloggen
Webcambilder
Nutzerfreundlichkeit
68

Nein
Wird auf der Laborseite
Bei Zugriff eines weiteüber die verbleibende Informationen zur Exren Nutzers
Experimentierdauer in- perimentierdauer unter
Anzeige
"Kein wartender
formiert?
Bedienung
Nutzer" fehlt (3)

Funktion
von Bildern
Ist die Funktion von
Bildern mehr als nur
dekorativ?
-
-
-
Diagramme
Sind Diagramme sinnvoll und ausreichend
groß?
-


Anzeige
Werden die Webcambilder angezeigt?



Ladezeit
Werden Webcambilder
in weniger als ca. 3 s
dargestellt?

Wartezeit bis zu 30 s
wegen Java JRE

Ruckelfreiheit
Werden Bewegungen
ruckelfrei wiedergegeben?
-


Schärfe
Sind die Webcambilder
ausreichend scharf?



Größe/Auflösung
Ist
die
Größe/Auflösung
der
Webcambilder mindestens 320 x 240 Pixel?



Versuchsaufbau
in Totale
Existiert ein Webcambild des Versuchsaufbaus in der Totale?
Nein
Nein
Nein
Übersichtlichkeit
Versuchsaufbau
Ist der in Webcambildern dargestellte Ausschnitt des Versuchsaufbaus übersichtlich
gestaltet?
-


Erkennbarkeit
Versuchskomponenten
Sind alle für die Versuchsdurchführung relevanten
Versuchskomponenten gut erkennbar?
Gitterraster nicht erkennbar (11)
Lineal schlecht ablesbar
(14)

Perspektive
Mitbeobachtung
Sprache
Redundante
69
Sind Ausschnitt und
Blickrichtung
der Ungewohntes senkSchlechte schräge BlickWebcams auf den Ver- rechtes Beugungsmusrichtung auf das Beusuchsaufbau sinnvoll
ter (10)
gungsmuster (13)
gewählt?

Können wartende Nutzer Aktionen des aktuellen Nutzers in den
Webcambildern
beobachten?


Nicht fehlerfrei (1)


Sind alle Texte in einMischung Englisch und
heitlicher Sprache verDeutsch (1) und nicht
fasst und grammatikafehlerfrei (2)
lisch fehlerfrei?
Angabe der Wellenlängen, Laser color, Ausgabe Farbe können in
zwei Buttons "Laser Bezeichnungen "single
Wellenlänge 632 nm"
Sind keine redundan- slit" und "double slit"
und "Laser - Wellenlänten Informationen vorkönnen mit Buttons
ge 532 nm" zusammenhanden?
verwechselt werden (4)
gezogen werden (4)

3 x data-recording (5)
3 x automatic movement
(6)
Textinformationen
Überflüssige
Sind keine überflüssigen Informationen vorhanden?
Text überflüssig (6)


Achsenbeschriftung fehlt
(7)
Fehlende
Sind alle Informationen Wellenlänge, Spaltzur Versuchsdurchfühbreite und Spaltabrung und -auswertung stand nicht angegeben
vorhanden?
(9)
Bei "Real position", "Desired position" und "Intensity" fehlen die Einheiten (8)

In der Messdatendatei
fehlen die Einheiten
Allgemein
Funktionalität
Breite des Lichtsensors
und Spaltbreite nicht
angegeben (12)
Falsche oder unverständliche
Sind alle Informationen
inhaltlich richtig?
Falsch
platzierte
Sind Informationen in
unmittelbarer
Nähe
zum
Bezugsobjekt
platziert?
Abkürzungen
Wird auf Größensymbole und sonstige Abkürzungen verzichtet?
Überflüssige
Funktionen
Sind alle Funktionen
sinnvoll?
"Semicolon-separated"
wäre richtig (9)
"Keep-Experiment-ID"
unverständlich, besser
"Messdaten überschreiben" (10)


Achsenbeschriftung
nicht an den Achsen
(11)
Breite Lichtsensor unter oberes Webcambild (1)
VI (Virtual Instrument)
ist nicht allen Nutzern
bekannt (8)


Isolierte Darstellung
des Webcambilds
überflüssig (7)
Menüpunkte Bearbeiten und Ausführen
überflüssig (12)
Umschalten der Auflösung (bei low Webcambild zu klein) und kein
Bild machen keinen Sinn
(15)
Speichern des Intensitätsverlaufs auf RCLServer überflüssig, weil
eigene Messung nur ca.
1 min dauert (16)
Besucherzahl sagt ohne
Zeitraum l nichts aus
(17)

Redundante
Funktionen
Sind keine Funktionen
redundant?
70
Bewegter Lichtsensor
und Messpunkte im Diagramm ersetzen mitlaufenden Balken bei Intensitätsmessung (18)

Automatik und Fast automatic Measurement
ergeben gleichen Intensitätsverlauf (19)

Laserfarbe im Webcambild erkennbar (20)
Unverständliche
Funktionen
Sind alle Funktionen
verständlich?
Pfeilsymbol unverständlich (13)
"Stop VI" gestoppt?
(14)
Funktion des Symbols
unverständlich (15)
Laser kann nicht eingeschaltet werden
Automatisierte Messung
Defekte oder einSind alle Funktionen
geschränkte
ausführbar?
Funktionen
Die Daten unter "Values
for Excel" lassen sich
nicht in Excel importieren (23)
Nicht alle Beugungsmuster werden wegen
instabiler Positionierung der Beugungsobjekte sauber dargestellt
-

Nein
Können bei automatisierter
MesswertaufSpeicherung von nahme die Messdaten
auf dem Computer des
Messdaten
Nutzers
gespeichert
werden?
-


Kann bei automatisierter Messwertaufnahme
der Graph von Messwerten gelöscht werden?
-

Nein
Richtziel
Zielgerichtetheit

Begriff "real" unklar, real- und desired position
stets gleiche Werte (22)
Können bei automatisierter Aufnahme einer
Einzelmessungen Messreihe
einzelne
Werte gemessen werden?
Graph löschen
Konzeption
"Bearbeiten/Auf Standardwerte zurücksetzen" führt auf nicht
mehr funktionsfähigen
Login (16)
Schnelligkeit der Messung hier unwichtig,
Schrittweite und Breite
des Sensors fehlt (21)
Schulstufe und
Studienabschnitt
Lehrplan
Sind die Inhalte geeigNein
net um physikalische
Begriffe, Zusammen- Zu wenige Parameterhänge, Modelle, tech- werte um das Phänonische Anwendungen, men Beugung experiNaturphänomene, usw. mentell zu studieren
zu verstehen?
Nein
Zu wenige Parameterwerte um das Phänomen Beugung experimentell zu studieren

Sind die Inhalte auf eine bestimmte Schulstufe oder Studienabschnitt oder auf mehrere abgestimmt? Welche?

Sekundarstufe II

Sekundarstufe II

Sekundarstufe II und
Grundstudium
Sind die Inhalte Teil
des Lehrplans von
Schulen und Hochschulen?



Sind die Inhalte außerhalb der StandardLehre in Projekten, Arbeitsgruppen oder zum
Selbststudium einsetzbar?
Nein
Nein

Selbststudium
Experimente
Fachliche
Richtigkeit
Mehrwert
Vernetzung
Vollständigkeit
Ein- und Ausgabeelemente
-
Nicht überprüfbar
Stimmen experimentelStrecken im Beule Ergebnisse mit theogungsmuster nicht
retischen Vorhersagen
messbar
und Literaturwerten im
Rahmen von AnnahWellenlänge, Spaltmen und Messfehlern
breite und Spaltabüberein?
stand nicht angegeben
Bietet das RCL einen
Mehrwert in den experimentellen Features,
den Inhalten, der LehrLern-Organisation oder
Formen des Lernens
mit Experimenten (←
III.3.1)?
Nein
Sind die Inhalte einzelner Experimente verNein, singuläres Stannetzt oder stehen sie
dardexperiment
nur isoliert nebeneinander?


Nicht überprüfbar
Wegen zu großer, nicht
angegebene Breite des
Lichtsensors sind im
Webcambild erkennbare
Maxima/Minima nicht
messbar
 84
Automatisierte Messung
der Intensitätsverteilung
als experimentelles Feature

← III.3.1, Tab. 23, Nr.
2
Nein, singuläres Standardexperiment

Formel Intensitätsverteilung eines Gitters
Wird im Rahmen des
Themas eine gewisse
Vollständigkeit der Inhalte erzielt?
Nein
Nein

Wie viele Eingabeelemente (Eingabegruppen) sind vorhanden?
3 (2-3)
15 (-)
16 (8)
Wie viele Ausgabeelemente
(Ausgabegruppen) sind vorhanden?
1-2 (1)
11 (4)
9 (3)
Spaltanzahl (g,s)
Abstand Beugungsobjekt - Schirm (g)
Welche Größen sind Abstand Beugungsobjekt - Schirm (g)
gegeben (g), bestimmbar (b), steuerbar (s)
Wellenlänge (b)
oder messbar (m)?
Position im Beugungsmuster (m)
Spaltanzahl (g)
Wellenlänge (g,b)
Spaltbreite (g,b)
← III.1.6, Tab. 17, Nr.
2
Position im Beugungsmuster (s,m)
Lichtintensität (m)
Wie groß ist der Anteil
(s + m)/n steuer- und
messbarer Größen an
der Gesamtzahl aller
Größen?
-
Interaktivität
Art der Größen
Sind zur Aufnahme von
Messreihen die Anzahl
und der Bereich der
Werte
unabhängiger
Größen richtig gewählt?
71
(1 + 1)/4 ≡ 50 %
(1 + 2)/6 ≡ 50 %
(1 + 5)/10 ≡ 60 %
Spaltbreite wählen
Laser einschalten
Experimentelle
Aktivitäten
Welche speziellen ex- Einfach- oder Doppelspalt wählen
perimentellen Aktivitäten werden angebo- Messreihe Ordnung ↔
ten?
Position Maxima/Minima
Wie viele werden angeboten?
84
Vgl. Gröber 2009.
3
Wellenlänge wählen
Lichtintensitätsmesswerte speichern
Bewegungsgeschwindigkeit Lichtsensor einstellen
← II.1.6, Tab. 16, Nr.
2
Messreihe Position im
Beugungsmuster ↔
Lichtintensität
5
15
Authentizität
Webcambilder
Anzahl
Funktion
Erfüllen Webcambilder
mehr als eine dekorative Funktion? Welche?

1

Darstellung Beugungsmuster
Messen von Abständen im Beugungsmuster

1

Verfolgen Bewegung
Lichtsensor

2

Verfolgen Bewegung
Lichtsensor
Messen von Abständen im Beugungsmuster
Werden Webcambilder
zusammen mit dem
Bedienfeld dargestellt?



Fotorealistisch
Werden fotorealistisch
bedienbare Gerä- bedienbare Gerätefrontefronten
ten verwendet?
-
-
-
Messaufgabe
Werden möglichst einfache, der Messaufgabe
angemessene
Messgeräte
eingesetzt?
-
-
-
Ausgabe von
Messwerten
Werden Werte von
Messgrößen möglichst
auf Multimetern im
Webcambild ausgegeben?
-
-
-
Position
Messgeräte
Ist mindestens ein
Webcambild
vorhanviele
den?
Wie
Webcambilder?
72
Tab. 18: Checkliste zum Qualitätsvergleich von drei RCLs zur Beugung und Interferenz ("-" Qualitätsmerkmal nicht anwendbar).
Abb. 29: Laborseite des RCLs Single and double slit.
Abb. 30: Laborseite des RCLs Diffraction on microobjects.
73
74
Abb. 31: Laborseite des RCLs Diffraction and Interference II.
Als zusammenfassendes Ergebnis der Evaluation kann festgehalten werden:
 RCL Single and double slit (Technische Universität Berlin)
Das RCL ist nicht verfügbar, hat die schlechteste Barrierefreiheit und die geringste Interaktivität. Auch, wenn der Laser funktionieren würde, könnte das Experiment von Lernenden nicht durchgeführt werden, weil keine Streckenmessung im Beugungsmuster möglich
ist und auf der Webseite keine Angaben zur Wellenlänge und der Geometrie der Beugungsobjekte zu finden sind. Es bleibt unklar, wie das RCL in einem Online-Praktikum 85
genutzt werden konnte.
 RCL Diffraction on microobjects (Universität Prag)
Das RCL ist schlecht konzeptioniert, weil entgegen der Erwartung die Messung der
Lichtintensitätsverteilung mit dem zu breiten Lichtsensor zu teilweise schlechteren Ergebnissen führt als die subjektive Beobachtung des Beugungsmusters. Die Funktionalität ist
eingeschränkt, weil programmiertechnisch überflüssige und redundante Funktionen den
Nutzer beim Experimentieren behindern und die Authentizität mindern. Zusammen mit
den schlecht angeordneten und gruppierten Ein- und Ausgabeelemente hat das RCL eine
schlechte Nutzerfreundlichkeit.
 RCL Diffraction and Interference II (Technische Universität Kaiserslautern)
In allen Qualitätskriterien ist das RCL besser als die beiden anderen RCLs. Hervorzuheben sind die gute Konzeption und die mit Abstand höhere Interaktivität. Das RCL bietet
derzeit noch nicht im vollem Umfang bessere Beugungsmuster.
III.2.2
Besucher-Tracking des Experimentierens mit RCLs
Hinweise auf die Qualität von RCLs ergeben sich aus einer differenzierten Auswertung von
Daten des Besucher-Trackings (← II.5.1, ▪ Besucher-Tracking der Laborseite von RCLs mit
Logdateien). Folgende Aussagen zum Umfang und der Qualität des Experimentierens mit
RCLs können gemacht werden:
 Umfang
Der Tab. 20 können für mehrere RCLs die Anzahl der Besuche im Erhebungszeitraum,
die möglichen Aktionen, die maximal registrierte Anzahl von Aktionen und Experimentierdauer und der Anteil Besucher mit einer bestimmten Anzahl von Aktionen entnommen
werden:
85
Vgl. Remote Farm – Online Praktikum.
0 – 5 Aktionen
6 – 10 Aktionen
> 10 Aktionen
Verfügbare Aktionen (Anzahl)
Anteil
Besucher in %
Maximale Experimentierdauer in h
Erhebungszeitraum
75
Maximale Anzahl Aktionen
RCL
Besucher
419
4,0
17
29
54
01.12.2008 30.11.2009
917
Spiegelabstand vergrößern, Spiegelabstand verkleinern, Spiegelabstand messen, Höhe des Referenzsignals einstellen, Höhe des Messsignals einstellen
(5)
Fotoeffekt
01.06.2008 31.05.2009
1037
Quecksilberdampflampe einschalten, Farbfilter wählen, Graufilter wählen, Experiment justieren (3)
124
1,5
20
32
48
426
4,5
25
17
58
140
1,5
-
-
-
95
1,5
-
-
-
203
1,2
-
-
-
Radioaktivität
01.06.2008 30.06.2009
924
Abstand Geiger-Müller-Zählrohr einstellen, Winkel
Geiger-Müller-Zählrohr einstellen, Magnetfeldrichtung
einstellen, Magnet einoder ausschalten, radioaktiven
Strahler wählen, Absorber wählen, Messdauer einstellen, Zeit zwischen Zerfällen messen, Experiment justieren (9)
Elektronenbeugung
01.06.2007 31.01.2009
3292
Elektronenbeugungsröhre einschalten,
gungsspannung einstellen (2)
Windkanal
01.06.2007 31.01.2009
2570
Modellfahrzeug wählen, Strömungserzeuger einoder
ausschalten, Strömungsgeschwindigkeit einstellen,
Anemometer einoder ausschalten, Multimeter einoder ausschalten, Experiment justieren (6)
Maut
01.06.2007 28.02.2009
1084 Zug starten, Zug stoppen, Zähler löschen (3)
Beschleuni-
Tab. 19: Umfang des Experimentierens mit RCLs.
Bei RCLs mit kleinerer Anzahl von Aktionen liegt tendenziell auch eine kleinere Anzahl an
maximal durchgeführten Aktionen vor. Beim RCL Maut wird abweichend eine zu hohe
maximale Anzahl von Aktionen registriert, weil das RCL zum Spielen anregt. Das große
Verhältnis von maximaler Anzahl von Aktionen zur Anzahl verfügbarer Aktionen und die
hohen maximalen Experimentierdauern zeigen die Bedeutung eines nicht angeleiteten
und zeitlich unbegrenzten Experimentierens. Unabhängig vom RCL zeigt die Verteilung
der Anzahl von Aktionen, dass etwa die Hälfte der Besucher weniger als 10 und die andere Hälfte mehr als 10 Aktionen ausführt. Beim RCL Lichtgeschwindigkeit liegt der Anteil
Besuche mit Durchführung aller verfügbaren Aktionen bei 65 %. Dies deutet darauf hin,
dass Besucher schnell einen Überblick auf der Laborseite gewinnen und das RCL selbsterklärend ist.
76
Abb. 32 zeigt die Verteilung der Experimentierdauer von 1629 Besuchen des RCLs Elektronenbeugung im Zeitraum 17.06.09 - 17.01.10:
Abb. 32: Verteilung der Experimentierdauer von Besuchen des RCLs
Elektronenbeugung (Intervallbreiten 1 min zwischen 0 und 5
min und 5 min zwischen 5 und 30 min Experimentierdauer (N =
1629).
27 % der Besuche verlaufen ohne zu Experimentieren (Experimentierdauer 0 min). Am
häufigsten wird maximal 1 min experimentiert. Bei 87 % der Besuche ist die Experimentierdauer kürzer als 5 min, bei 13 % länger als 5 min. Die niedrig erscheinende mittlere
Experimentierdauer von 2,5 min ist auf die geringe Anzahl und die Art experimenteller Aktivitäten beim RCL Elektronenbeugung zurückzuführen (← III.1.6, Tab. 17, Nr. 1). Im Vergleich zu den überwiegend punktuellen Beobachtungen des Beugungsmusters beim Demonstrationsexperiment können die Besucher des RCLs durchgehend Veränderungen
am Beugungsmuster beobachten. Die summierte Experimentierdauer aller Besuche im
Untersuchungszeitraum beträgt ca. 0,5 Tage, die eine geringe zeitliche Auslastung des
RCLs von 0,5/180 ≡ 0,3 % ergibt.
 Qualität
Für das RCL Elektronenbeugung mit nur zwei verfügbaren Aktionen kann die Qualität mit
der Besucher experimentieren anhand der Skala in Abb. 33 eingeschätzt werden:
77
Abb. 33: Experimentierqualität von Besuchern des RCLs Elektronenbeugung (N = 1629).
In 41 % der Besuche wird das RCL ausprobiert: Die Laborseite wird ohne zu Experimentieren aufgerufen (keine Aktion), eine oder mehrere Spannungen werden gewählt ohne
zuvor die Elektronenbeugungsröhre einzuschalten (Spannungen) oder nur die Elektronenbeugungsröhre wird eingeschaltet (Röhre an).
In 31 % der Besuche wird qualitativ mit dem RCL experimentiert: Die Elektronenbeugungsröhre wird eingeschaltet und es werden eine Beschleunigungsspannung (Röhre an
& eine Spannung) oder mehrere, statistisch gewählte Beschleunigungsspannungen (Röhre an & mehrere Spannungen) angelegt.
In 28 % der Besuche wird quantitativ mit dem RCL experimentiert: Die Elektronenbeugungsröhre wird eingeschaltet und es werden systematisch eine (Röhre an, eine Messreihe) oder mehrere Messreihen (Röhre an & mehrere Messreihen) aufgenommen.
In Abb. 34 wird die Qualität des Experimentierens beim RCL Lichtgeschwindigkeit anhand
der Anzahl durchgeführter Messungen der Laufstrecke des Lichts erfasst:
Abb. 34: Verteilung der Anzahl Streckenmessungen beim RCL
Lichtgeschwindigkeit (N = 917).
78
In etwa der Hälfte aller Besuche kann im s-t-Diagramm mit mehreren Messungen und der
Steigung einer Ausgleichsgeraden die Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden.
Die Aktionenfolge einzelner Besuche des RCLs Lichtgeschwindigkeit zeigt exemplarisch,
dass RCLs des RCL-Portals individuelle Vorgehensweisen beim Experimentieren ermöglichen: Die Laufstrecke des Lichts wird mehrfach zur Überprüfung der Reproduzierbarkeit
der Messung gemessen, der Zug mit dem Reflektor wird längere Zeit zum Spielen oder
zur Beobachtung des Zusammenhangs mit der Oszilloskopanzeige hin- und her bewegt,
es wird eine Strecken- und Zeitmessung zur schnellen Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit durchgeführt, es werden eine oder mehrere systematische oder unsystematische
Messreihen zur genaueren Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit durchgeführt, es wird in
kürzester Zeit eine systematische Messreihe aufgenommen oder die Höhen der beiden
Signale auf dem Oszilloskopschirm werden für eine exakte Zeitmessung sehr sorgfältig
angeglichen.
III.2.3
Beurteilung der RCLs durch Lehrkräfte
Auf Fortbildungen hatten Lehrkräfte Gelegenheit mit gewählten RCLs des RCL-Portals zu
experimentieren (→ VII.3.1, Tab. 51, Nr. 3). 88 Lehrkräften wurde auf vier Fortbildungen (→
VII.3, Tab. 49, Nr. 10, 11, 12, 14) die Frage "Wie gut eignet sich das RCL für den Unterrichtseinsatz" mit einer Antwortskala zwischen -2 (negativste Einschätzung) und +2 (positivste Einschätzung) gestellt. Die Ergebnisse zeigt Tab. 21:
Nr.
RCL
-2
-1
0
+1
+2
Anzahl
Mittelwert
Standardabweichung
1
0
1
3
5
23
32
1,6
0,8
2
Fotoeffekt
0
0
2
13
19
34
1,5
0,6
3
Radioaktivität
0
0
2
6
8
16
1,4
0,7
4
0
0
5
7
8
20
1,2
0,8
5
Elektronenbeugung
0
0
7
6
8
21
1,0
0,8
6
0
0
6
11
5
22
1,0
0,7
7
1
1
5
21
5
33
0,8
0,8
8
Weltpendel
5
4
5
20
10
44
0,6
1,2
9
1
0
6
2
0
9
0,0
0,8
10
0
0
1
0
0
1
0,0
0,0
11
Oszilloskop
5
7
5
8
4
29
0,0
1,3
12
Windkanal
1
0
4
2
0
7
0,0
0,9
13
4
2
9
2
1
18
-0,3
1,1
14
2
1
2
0
0
5
-1,0
0,9
15
Heißer Draht
-
-
-
-
-
-
-
-
16
Maut
-
-
-
-
-
-
-
-
17
Millikan-Versuch
-
-
-
-
-
-
-
-
19
16
291
0,8
1,1
Alle RCLs
62 103 91
Tab. 20: Beurteilung der Unterrichtstauglichkeit der RCLs des RCL-Portals durch
Lehrkräfte (- RCL zum Zeitpunkt der Fortbildungen nicht verfügbar).
79
Tendenziell werden von den Lehrkräften unterrichtsnahe RCLs besser wie unterrichtferne
RCLs beurteilt. Der Mittelwert des RCLs Optische Computertomographie zeigt, dass Lehrkräfte auch komplexere, schulferne Themen von RCLs als unterrichtsgeeignet einschätzen.
Insgesamt wird die Mehrzahl der RCLs positiv und im Mittel mit 0,8 beurteilt.
III.3
Entwicklung
Nicht fertig realisierte RCLs
Außer Betrieb genommen RCLs
Verbesserte RCLs
Nicht bei allen RCLs im RCL-Projekt ist es sofort gelungen langfristig stabile, qualitativ
hochwertige RCLs zu entwickeln und dauerhaft zu betreiben. Tab. 22 gibt eine Übersicht
solcher RCLs und erläutert die Hintergründe bzw. Probleme:
RCL
Hintergrund/Problem
Heißer Draht
 In 2008 Fischertechnik-Interface durch besseres Eigenbau-Interface
ersetzt
Optische
Computertomographie
 In 2007 erstes RCL durch verbesserte Version ersetzt
 In 2008 Roboter durch mechanisch und elektrisch verbesserte Version ersetzt
 In 2006 erstes RCL mit Fischertechnik-Interface und photographisch hergestellten Beugungsobjekten durch RCL Beugung und
Interferenz I mit mehr und photolithographisch hergestellten Beugungsobjekten ersetzt
 In 2009 gegenüber Beugung und Interferenz I verbessertes RCL
Beugung und Interferenz II mit mehr und elektronenlithografisch
hergestellten Beugungsobjekten entwickelt
Heißer Draht
 In 2008 RCL wegen anhaltenden Problemen mit der instabilen Mechanik außer Betrieb genommen
Elektronen in Feldern
 Probleme mit Java-Software in 2006, für die kein Wartungspersonal
mehr zur Verfügung steht, weil die Firma Netzmedien nicht mehr
existiert
H 2 -Brennstoffzelle
 Technische Probleme
Optische Pinzette
 Wartungsaufwand der Suspension für Mikroobjekte zu hoch
 Wechsel zwischen Praktikums- und RCL-Betrieb führte zur häufigen
Dejustage der Mechanik
Wärmebildkamera
 Außer Betrieb genommen, weil teuere, geliehene Wärmebildkamera
zurückgegeben werden musste
(Schülerprojekt)
 In 2010 wurde der Reparaturaufwand aufgrund konstruktiver Mängel zu hoch
Magnetfelder
 Funktionsuntüchtiges RCL wegen unzureichend durchgeführter
Vorversuche
Ordnungs-UnordnungsÜbergänge
 Probleme wegen schlechter Planung und Durchführung der Entwicklung des RCLs
Thomson´scher
Massenspektrograph
 Existierender Vorschlag bisher nicht umgesetzt
Tab. 21: Verbesserte, außer Betrieb genommene und nicht fertig realisierte RCLs im
RCL-Projekt.
Es werden die Mehrwertstrategie, Entwicklungsstrategien sowie eine stärkere Standardisierung des Entwicklungsprozesses und der Versuchskomponenten von RCLs vorgestellt, mit
deren Anwendung folgende Ziele angestrebt werden:
80
 Steigerung und Sicherung der Qualität von RCLs
 Langfristig geringere Kosten für die Entwicklung und Wartung von RCLs
 Kürzere Entwicklungszeiten von RCLs im Hinblick auf verkürzte Zeiten zur Anfertigung
von Staatsexamensarbeiten im Rahmen des Bachelor-Master-Studiengangs für das Lehramt.
III.3.1
Mehrwertstrategie
Verfügbarkeit, Barrierefreiheit, Nutzerfreundlichkeit, Funktionalität, Authentizität, Konzeption
und Interaktivität erfassen die Qualität von RCLs. Im Rahmen einer Mehrwertstrategie sollten
RCLs darüber hinaus Lehrenden und Lernenden greifbare Vorteile bei der Nutzung, also einen Mehrwert bieten. RCLs werden dadurch konkurrenzfähig gegenüber anderen Physikmedien oder traditionellen Realexperimenten und Lehrende können längerfristig an RCLs
gebunden werden. Weil Lehrende RCLs vorrangig mit traditionellen Realexperimenten vergleichen, müssen Qualität und Features des RCLs mindestens so gut wie ein vergleichbares
traditionelles Realexperiment sein. Überlegungen zum Mehrwert eines RCLs müssen frühzeitig im Entwicklungsprozess (→ III.3.3, Tab. 24, Vorüberlegungen) erfolgen, da diese einen
hohen Einfluss auf die Qualität des RCLs haben.
Zu unterscheiden ist zwischen gemeinsamen Mehrwerten aller RCLs und additiven, spezifischen Mehrwerten einzelner RCLs. RCLs verfügen über drei gemeinsame Mehrwerte: RCLs
sind im Gegensatz zu Simulationen Realexperimente, mit RCLs können im Gegensatz zu
traditionellen Demonstrationsexperimenten auch Lernende experimentieren und mit RCLs
kann weitgehend zeit- und ortunabhängig experimentiert werden. In Tab. 23 sind spezifischen Mehrwerte der RCLs des RCL-Portals zusammengestellt:
Nr.
1
RCL
Beugung und
Interferenz I
Spezifischer Mehrwert
 Qualitatives Beobachten von Veränderungen im Beugungsmuster bei Veränderung von
Spaltanzahl, Spaltbreite und Spaltabstand des Beugungsobjekts durch schnellen Wechsel der
40 Beugungsobjekte
 Bestimmung der Lage von Maxima/Minima im Beugungsmuster und der Wellenlänge des Lasers
 Hochwertige Beugungsmuster durch elektronenlithographisch hergestellte Beugungsobjekte
2
Beugung und
Interferenz II
 Qualitatives, exploratives und quantitatives Experimentieren durch 153 Beugungsobjekten mit
variabler Spaltanzahl, Spaltbreite und variablem Spaltabstand sowie durch Wahl unter 5 Wellenlängen und durch schnellen Wechsel der Beugungsobjekte
 Auswahl zwischen 3 Messmethoden: Vergleich von Beugungsmustern mit Screenshots, Messung von Abständen im Beugungsmuster mit Lineal und automatisierte Messung des Lichtintensitätsverlaufs im Beugungsmuster mit Lichtsensor
 Deckt einen großen Teil des Gebiets Wellenoptik durch Vielzahl von Experimenten ab
3
Elektronenbeugung
4
Fotoeffekt
 Lernende können mit dem einzigen und zentralen Schulexperiment zur Quantenphysik von
Elektronen experimentieren
 Genauere Messung der Ringdurchmesser als beim traditionellen Realexperiment durch
Screenshots des Beugungsmusters und Auswertung mit Grafikprogramm
 Messung der Frequenzabhängigkeit der Elektronenenergie mit 5 anstatt der meist an Schulen
vorhandenen 3 Frequenzfiltern
 Nachweis der Intensitätsunabhängigkeit der Elektronenenergie, der in Schulen mit veralteten
81
Fotozellen oft nicht gelingt
 Schnelle, einfache Versuchsdurchführung durch ferngesteuerten Wechsel von Frequenz- und
Graufiltern
5
6
Heißer Draht
7
 Vergleich von Kennlinien mehrerer elektronischer Bauelemente
 Durch schnelle Messmethode im X-Y-Betrieb eines Oszilloskops (keine Aufnahme von einzelnen Messwertpaaren) steht Verständnis des Kennlinienverlaufs im Vordergrund
 Affektives, spielerisches und von allen Besuchern durchführbares Experiment
 Motivation zur Auseinandersetzung mit Fernsteuerungstechnik
 Viele Schulen besitzen nur den Versuch zur Lichtgeschwindigkeitsbestimmung nach Foucault
oder nach der Phasenmethode. Die Lichtgeschwindigkeitsbestimmung mit der Laufzeit von
Lichtimpulsen ist eine verständlichere, schnellere und genauere Meßmethode
Licht-geschwindigkeit
 RCL kann in Sekundarstufe I und II eingesetzt werden
 Affektiver Versuch durch fernsteuerbare Spielzeuglokomotive
8
Maut
 Modellexperiment zum Verständnis eines modernen technischen Systems
 Berühmtes Experiment zur Bestimmung der Elementarladung
9
10
 Zeitaufwendige Versuchsdurchführung kann durch Lernende außerhalb von Lernzeiten erfolgen
MillikanVersuch
 Möglichkeit in Gruppen genügende Anzahl von Messungen zusammenzutragen und auszuwerten
 Neues Modellexperiment zum Funktionsprinzip der Computertomographie
 Experimente zur Steuerung der Qualität computertomographischer Bilder
 Vielfältige inhaltliche Bezüge zur Physik, Mathematik, Informatik und Medizin
 Fourier-Transformation ist grundlegend für Naturwissenschaft und Technik
 Neues RCL mit anwendungsorientiertem Zugang über die Beugung von Licht zu den mathematischen Grundlagen der Fourier-Transformation
11
Optische FourierTransformation
 156 elektronenlithographisch hergestellte Beugungsobjekte erlauben qualitative und quantitative Vergleiche zwischen experimenteller und theoretischer Intensitätsverteilung
 Sowohl quantitativer, systematischer Zugang zur Fourier-Transformation in der Hochschulausbildung als auch qualitative, phänomenologische Vorbereitung der Fourier-Transformation
in der Schulausbildung
 Ersetzt teures Oszilloskop bzw. fehlende Gerätesätze für Schüler
12
Oszilloskop
 Motivation für Schüler kompliziertes Messinstrument zu bedienen und Vorbereitung auf Praktikum mit Oszilloskopen
 Gefahrloses Experimentieren von Lehrenden und Lernenden mit radioaktiver Strahlung
13
Radioaktivität
14
Roboter im
Labyrinth
15
Rutherfordscher
Streuversuch
 Deckt eine Vielzahl von Experimenten des Themengebiets Radioaktivität ab wie z. B. Abstandsgesetz, Absorptionsgesetz, Identifizierung radioaktiver Strahlung, Statistik des radioaktiven Zerfalls
 Ersatzexperiment für Schulen mit fehlendem, teuren Experimentiermaterial zur Radioaktivität
 Affektives, spielerisches und von allen Besuchern durchführbares Experiment
 Motivation zur Auseinandersetzung mit Fernsteuerungstechnik
 Historisch bedeutender und in Schulen selten verfügbarer Versuch der Kernphysik
 Höhere Winkelauflösung und Streumaterialwechsel ohne zeitaufwendiges Belüften der Vakuumkammer als das traditionelle Realexperiment
 Download der Streuraten für große Winkel mit Messzeiten über mehrere Stunden
 Neues Experiment zur Messung des globalen Effektes der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung
 Messung der Schwingungsdauer der Pendel an 5 Standorten in ungefähr 30 min
16
Weltpendel
 Auf 0,003 m/s2 genaue Bestimmung der Erdbeschleunigung und damit um ungefähr den Faktor 10 genauer als mit traditionellen Schulexperimenten
 Erhöht die Anzahl der wenigen Experimente zur Gravitation (Bestimmung der Gravitationskonstante mit Gravitationsdrehwaage und der Erdbeschleunigung mit Pendel)
 Inhaltliche Bezüge zu Gravitation, Schwingungen, Trägheitsmoment, Kreisbewegung und
Trägheitskräften
 Alltagsbezug zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs beim Auto
17
Windkanal
 Kostenloser Windkanal
 Bestimmung der Newton´schen Luftreibungskraft und des c w -Werts von realitätsnahen Fahrzeugmodellen
Tab. 22: Spezifische Mehrwerte der RCLs des RCL-Portals.
82
Die in Tab. 23 genannten spezifischen Mehrwerte können in vier Bereiche zur Unterstützung
der RCL-Entwicklung eingeteilt werden:
 Experimentelle Features
Das RCL bietet im Vergleich zu traditionellen Realexperimenten genauere Messergebnisse, eine größere Anzahl experimenteller Möglichkeiten, eine einfachere und schnellere
Versuchsdurchführung, die Aufnahme von mehr Messwerten in Messreihen oder ist affektiver gestaltet.
 Lehr-Lern-Organisation
Das RCL erlaubt die Durchführung von in der Präsenzlehre zu zeitaufwändigen, zu gefährlichen, zu teuren, nicht verfügbaren oder neuen Experimenten. Das RCL ist für eine
größere Zielgruppe als ein vergleichbares traditionelles Realexperiment einsetzbar.
 Inhalt
Das RCL ist ein bedeutendes Experiment der Physik oder thematisiert interessante physikalische Fragestellungen aus Alltag, Technik und Umwelt. Das RCL thematisiert eine
wichtige experimentelle Methode der Physik oder Inhalte mit denen Lernende Lernschwierigkeiten haben. Das RCL führt anschaulich oder systematisch in Begriffe eines Gebiets
der Physik ein oder deckt einen großen Teil eines Gebiets der Physik ab. Das RCL stellt
Bezüge zu weiteren Themen der Physik oder anderen Naturwissenschaften her.
 Methodischer Einsatz
Das RCL unterstützt technologisch Formen des Lernens mit Experimenten wie ein exploratives Lernen ohne umfangreiches theoretisches Wissen, einen umfassenden Vergleich
experimenteller Versuchsergebnisse mit der Theorie oder mit Simulationen, die Kumulation und Auswertung von Messergebnissen in Lerngruppen mit geeigneten kognitiven
Werkzeugen (→ VI.2.1) oder die geeignete Wahl unter mehreren Messmethoden. Das
RCL unterstützt Besucher beim selbstgesteuertes Lernen 86 durch Anpassung von Umfang
oder Schwierigkeitsgrad von Experimenten (→ III.3.5, Tab. 27, RCL Oszilloskop).
III.3.2
Entwicklungsstrategien
RCLs des RCL-Portals sind bisher nicht gezielt nach Entwicklungsstrategien realisiert worden. Im Nachhinein konnten die vier Entwicklungsstrategien Adaptieren, Optimieren, Komponieren und Thematisieren identifiziert werden. Der Neuigkeitsgrad und die Komplexität des
Entwicklungsprozesses von RCLs nehmen in der genannten Strategiereihenfolge zu. Deshalb kann auch von Strategiestufen gesprochen werden. In Abb. 35 sind die RCLs des RCLPortals nach Strategiestufen geordnet. Da z. B. das RCL Weltpendel auf der Strategiestufe
86
Vgl. Friedrich 2003, S. 51-54.
83
Thematisieren und das RCL Beugung und Interferenz II auf der Strategiestufe Komponieren
auch optimierte RCLs sind, wurden die RCLs für eine eindeutige Zuordnung immer der
höchsten Strategiestufe zugeordnet:
Abb. 35: Entwicklungsstrategien von RCLs des RCL-Portals.
 Adaptieren
Traditionelle Realexperimente werden durch RCL-Technik (→ IV) ohne die experimentellen Möglichkeiten stark zu verändern zum RCL erweitert. Da dies im Prinzip mit entsprechendem technischem Aufwand immer realisierbar ist, muss der Mehrwert des RCLs (→
III.3.1) durch die Auswahl des traditionellen Realexperiments geschaffen werden. Z. B.
steht für Lehrende mit dem RCL Elektronenbeugung ein zentrales, bisher nur von Lehrenden durchführbares Experiment der Quantenphysik bereit.
 Optimieren
Traditionelle Realexperimente werden durch Steigerung der Qualität von Messungen oder
durch Erweiterung der experimentellen Möglichkeiten optimiert. Vier der RCLs auf der
Strategiestufe Adaptieren können durch Weiterentwicklung auf die Strategiestufe Optimieren gehoben werden (→ III.3.5, Tab. 25, RCL Millikan-Versuch, RCL Rutherfordscher
Streuversuch, RCL Lichtgeschwindigkeit, RCL Oszilloskop).
 Komponieren
Nach dieser Strategie werden RCLs entwickelt, die einen größeren Anteil eines Gebiets
der Physik abdecken. Einzelne Experimente, die häufig als RCL nicht sinnvoll wären,
werden in einem RCL zusammengeführt. Z. B. deckt das RCL Beugung und Interferenz II
mit der Vielzahl von Beugungsobjekten fast die gesamte Wellenoptik ab. Diese Entwicklungsstrategie kann zu kostengünstigen RCLs führen, wenn z. B. teure Messinstrumente
für mehrere einzelne Experimente gemeinsam verwendet werden.
84
 Thematisieren
Ausgangspunkt dieser Strategie sind physikalische Fragestellungen aus Physik, Natur,
Alltag und Technik. Z. B. thematisiert das RCL Weltpendel die Breitengradabhängigkeit
der Erdbeschleunigung (→ IV.1) und nutzt das Internet für globale Messungen.
Die Entwicklungsstrategien Adaptieren und Optimieren sind Bottom-up-Strategien im Sinne
von "vom existierenden traditionellen Realexperiment zum RCL", die Entwicklungsstrategien
Thematisieren und Komponieren sind Top-down-Strategien im Sinne von "vom Thema oder
Gebiet zum RCL". Alle Entwicklungsstrategien außer Adaptieren profitieren von der Anpassung der Lehrversuche an die Rahmenbedingungen des Lehralltags durch die Lehrmittelhersteller: Experimente sind in der Regel auf die Untersuchung eines eingegrenzten Phänomenbereichs ausgerichtet und sollen mit wenigen Messungen greifbare Ergebnisse liefern.
Die Flexibilität der Experimente kann meist nur mit ergänzenden Versuchsgeräten oder materialien gesteigert werden. Der überwiegende Teil des Angebots an Lehrversuchen für
die Lehre ist auf Standardinhalte der Lehrpläne abgestimmt.
Entwicklungsstrategien helfen Ideen für ein neues RCL in konkrete Entwicklungsziele umzusetzen: Bei der Entwicklung eines RCLs nach der Thematisieren-Strategie muss z. B. die Literaturrecherche viele Aspekte des Themas berücksichtigen, während bei der Entwicklung
eines RCLs nach der Optimieren-Strategie auf die Analyse von Schwächen existierender
traditioneller Realexperimente und deren Umsetzung in Mehrwerte fokussiert werden kann.
III.3.3
Entwicklungsplan
Im Tab. 23 wird ein auf Erfahrungen der Arbeitsgruppe basierender, phasierter, für RCLs generalisierter und idealtypischer Entwicklungsplan anhand von Aktivitäten und Meilensteinen
beschrieben. Meilensteine grenzen die einzelnen Phasen gegeneinander ab und schaffen
definierte Zwischenergebnisse auf denen in der nächsten Phase aufgebaut werden kann:
Phase
Vorüberlegungen
Konzeption
Aktivitäten
Meilenstein - Ergebnisse
 RCL-Entwickler formuliert schriftlich Ideen und Ansätze zur Weiter- oder Neuentwicklung eines RCLs
Ergebnisprotokoll "Vorüberlegungen RCL x"
für eine Sitzung: Eigene Überlegungen oder Anre
Vorschläge für experimentelle Features
gungen Dritter, Ergebnis einer Bestands- oder Bedarfsanalyse von RCLs, Projektauftrag zur Produkti-  Potentielle Mehrwerte und passende Entwickon eines thematisch festgelegten RCLs
lungsstrategien
 Teilnehmer der Sitzung (RCL-Entwickler, Mitglieder
der Arbeitsgruppe, Experten zum Thema oder externe Lehrkräfte) erhalten vor der Sitzung Vorlage zugeschickt
 In der Sitzung stellt der RCL-Entwickler Ideen und
Ansätze vor. Protokollant protokolliert wichtige Beiträge und Ergebnisse der Sitzung mit
 Einschätzung der Realisierbarkeit (vorhandene
Kompetenzen, Zeitaufwand) und Finanzierbarkeit
 Vorschläge für Interaktivität
 Zu erwartende Probleme
 Hinweise auf Informationsquellen
 Ressourcen zur Informationsbeschaffung und LiteraVortrag "Konzeption RCL x"
turrecherche: Themenähnliche oder gleiche RCLs,  Lerninhalte und Zielgruppe des RCLs (Richtziel)
Praktikumsanleitungen, Artikel in Schul- und Hochschulzeitschriften, Schul- und Hochschullehrbücher,  Experimentelle Aktivitäten
Versuchsanleitungen der Lehrmittelhersteller, Exper-  Physik zum RCL, Inhalte und Struktur der Web-
85
ten an der Universität, Informationsmaterial von Firseite Theorie der Standardlernumgebung
men, Internetseiten
 Ordner mit Literatur und Informationsmaterial
 Zusammenstellung der Experimente
 Literaturliste
 Festlegen der Entwicklungsstrategie
 Rückmeldung an Teilnehmer des Brainstorming,
 Erarbeitung der Mehrwerte des RCLs
 Zielgruppe des RCLs
 Interaktivität, Vollständigkeit, Vernetzung
welche Vorschläge umgesetzt oder verworfen
worden sind
 Begründung der Auswahl von Experimenten
 Inhalte und Struktur für Webseite Theorie der Standard-Lernumgebung
 Vorversuche mit vorhandenem Versuchsmaterial
 Dimensionierung der Apparatur, Abschätzungen, Anforderungen an Genauigkeit, Festlegen des Variationsbereichs und Anzahl von Werten unabhängiger
Größen
Planung
Vortrag "Planung RCL x"
 Auswahl von Sensoren, Aktoren, Erweiterungsschal
Ergebnisse
von Vorversuchen und Simulationen
tungen für Interface, Geräten, Standardpositionie Voraussichtliche Ergebnisse der Experimente
rungselementen, Webcams, …
Skizze des Versuchsaufbaus
 Layout der Laborseite

Layout der Laborseite
 Liste benötigter Versuchskomponenten (Artikel, Lieferant, Werkstattanfertigung, Kosten). Entscheidung,  Werkstattaufträge und Pläne für Werkstatt
ob Versuchskomponenten fertig gekauft, selbst angefertigt, in Werkstätten der Universität oder außerhalb
angefertigt werden
 Inhalte für Webseiten Aufgaben und Diskussion der
 Aufbau der Versuchsapparatur
 RCL-Server vorbereiten
 Programmierung des Mikrocontrollers und der PHPSoftware
Konstruktion
 Umsetzung des Layouts der Laborseite in Template
Vortrag "RCL x"
 Inhalte der Webseiten Auswertung, Material und Auf-  Vorstellen des Versuchsaufbaus am RCL
bau der Standard-Lernumgebung
 Funktionalitäten der Laborseite
 Implementation der Webseiten der Standardlernum Präsentation ausgewählter Messergebnisse
gebung
 Prüfung des RCLs anhand der Durchführung und  Dokumentation der Schaltungen
Auswertung aller Messungen wie Besucher des  Rückmeldung an Arbeitsgruppenmitglieder zur
Berücksichtigung der Prüfungsergebnisse
RCLs es durchführen
Prüfung
 RCL unter versteckter Internetadresse zur Prüfung  Vorstellen der Standard-Lernumgebung
der Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit durch Arbeitsgruppenmitglieder bereitstellen. Termin setzen
vor dem Vortrag
 Nach erfolgreicher Prüfung RCL im RCL-Portal veröffentlichen
Tab. 23: Phasenmodell zur Entwicklung von RCLs.
Der Entwicklungsplan kann nicht immer in strenger linearer Reihenfolge durchlaufen werden,
weil Liefer- und Anfertigungszeiträume von Versuchskomponenten, eventuelle Konzeptionsmängel oder technische Probleme zu Überlappungen oder rekursivem Durchlaufen einzelner
Phasen führen. Den Entwicklungsplan weiter konkretisierend können aus der Erfahrung in
der Entwicklung von RCLs folgende Tipps zur Betreuung von Staatsexamenskandidaten und
zur Realisation von RCLs gegeben werden:
 Literaturrecherche
Theoretische Grundlage für jedes qualitativ gute RCL ist eine umfassende, an die Entwicklungsstrategie (← III.3.2) angepasste Informationsbeschaffung und Literaturrecherche
86
zu Beginn der Entwicklung eines RCLs. Fehlende Informationen und ein zu geringer
Überblick zum Thema können in späteren Phasen der RCL-Entwicklung schwer ausgeglichen werden.
 Vorversuche für RCLs
Experimentelle Grundlage für jedes qualitativ gute RCL sind Vorversuche. Dazu zählen z.
B. Messungen zur Durchführbarkeit und Dimensionierung geplanter Experimente (z. B.
Versuchsaufbau zum RCL Radioaktivität), Versuche zur Dimensionierung von Sensoren
und Aktoren (z. B. Genauigkeit der Lichtschranke und Drehmoment des Schrittmotors
zum Bewegen größerer Lasten beim RCL Weltpendel) und die Dimensionierung von
RCLs mit Hilfe von Programmen (z. B. Dimensionierung des Versuchsaufbaus und Abschätzung der Lichtintensität des Beugungsmusters beim RCL Beugung und Interferenz
II).
 Entwicklung von RCLs aus Sicht von Lernenden
Von Beginn der Entwicklung an ist das RCL aus der Sicht von Lernenden zu entwickeln.
Dazu zählt z. B. die Ausrichtung des RCLs auf die gewünschte Zielgruppe, die Berücksichtigung von Lernschwierigkeiten, die Nutzerfreundlichkeit der Laborseite, die frühzeitige Planung von Position und Perspektive der Webcams im Versuchsaufbau und eine
übersichtliche Anordnung von Versuchskomponenten.
 Zusammenarbeit zwischen RCL-Techniker und Staatsexamenskandidat
In der Regel müssen Elektronik von Sensoren und Aktoren und die Programmierung des
Mikrocontrollers und der Laborseite von einem RCL-Techniker übernommen werden, da
dies keine Inhalte des Lehramtsstudiums sind. Für eine erfolgreiche Zusammenarbeit
zwischen RCL-Techniker und Staatsexamenskandidat sollten Staatsexamenskandidaten
eine klare Vorstellung der Interaktivität des RCLs (← III.1.6) entwickeln und konkrete Vorschläge zur Elektronik mit Sensoren und Aktoren ausgearbeitet haben. Umgekehrt sollte
der RCL-Techniker bemüht sein didaktisch sinnvolle Vorschläge des Staatsexamenskandidaten zu erkennen und technisch umzusetzen.
 Information über Ressourcen zur Entwicklung von RCLs
Voraussetzung für eine zeitsparende Entwicklung qualitativ guter RCLs ist, dass Staatsexamenskandidaten über Ablauf und Ressourcen informiert werden. Inhalte einer Einführung in die RCL-Entwicklung sind: Struktur (← III.3.3, Tab. 23) und Zeitplan der RCLEntwicklung; personelle, fachliche und materielle Ressourcen (Betreuer, Elektronik- und
Mechanikwerkstatt, Werkstatt der Arbeitsgruppe); verfügbare standardisierte Versuchskomponenten (→ III.3.3), Formalien zur Bestellung von Versuchskomponenten und Obergrenzen für Kosten. Die Staatsexamenskandidaten erhalten das RCL-Tutorial (→ V) mit
Informationen zum Download einer einheitlichen RCL-Basissoftware, zu Grundlagen der
RCL-Technik und zur Struktur und Implementation der Standard-Lernumgebung.
 Technische Dokumentation
87
Die Staatsexamensarbeit enthält eine umfassende technische Dokumentation des Interface und des Versuchsaufbaus zum Verständnis des RCLs und für spätere Wartungsarbeiten am RCL. Zum Interface gehören: Schaltplan und Bauteilliste der Erweiterungsschaltungen (→ V.2.1.2), Programmiercode des Mikrocontrollers in schriftlicher (→ Anhang XI.3.1) und elektronischer Form, Bilder der Platine (→ V.2.1.2, Abb. 60) und Erläuterung der Befehle im Hyperterminal (→ V.2.3, Abb. 65, Tab. 35). Zum Versuchsaufbau gehören: Bilderserien des Versuchsaufbaus; eine vollständige Liste der Versuchskomponenten mit Bezeichnungen, Bezugsquellen und Preisen; Beschreibungen von Justierungen
und sonstigen Besonderheiten des Versuchsaufbaus; alle ausgewerteten Messergebnisse
des RCLs.
 Erweiterbarkeit von RCLs
Nicht immer gelingt es innerhalb eines begrenzten Zeitraums ein RCL in allen Aspekten
abschließend zu entwickeln. In solchen Fällen sollte das RCL leicht erweiterbar sein. Z. B.
können beim RCL Weltpendel weitere Pendel auf der Südhalbkugel (→ IV.1.6, ▪ Weitere
Pendel) positioniert sowie bei den RCLs Beugung und Interferenz II und Optische FourierTransformation leicht weitere Beugungsobjekte hinzugefügt werden.
 Wartungsarmer Versuchsaufbau
Für RCLs sollten möglichst langlebige Versuchskomponenten, Materialien und Verbindungstechniken gewählt werden. Versuchskomponenten von absehbar begrenzter Lebensdauer sollten ohne großen Aufwand (z. B. kein langwieriger Ausbau und Neujustierung von Lasermodulen) austauschbar sein. So musste z. B. beim RCL Fotoeffekt bis
zum Ersatz des batteriebetriebenen durch ein netzbetriebenes Multimeter die Batterie
mehrfach gewechselt werden, beim RCL Optische Fourier-Transformation wurden Klebedurch Schraubverbindungen ersetzt und beim RCL Optische Pinzette trug die schlechte
Haltbarkeit der Suspension zum Rückbau des RCLs bei (← III.3, Tab. 22, RCL Optische
Pinzette). Nicht unterschätzt werden darf, dass der Versuchsaufbau eines RCLs auch
nach mehreren Jahren mechanisch stabil sein muss. So führte die mechanische Instabilität des RCLs Heißer Draht zur Außerbetriebnahme des RCLs (III.3, Tab. 22, RCL Heißer
Draht) und beim RCL Beugung und Interferenz II musste bereits während der Entwicklung
die Grundplatte mit zwei Eisenschienen für einen stabilen Strahlengang verstärkt werden.
 Entwicklung der Standard-Lernumgebung
Generell sollten die Webseiten Einführung, Aufbau, Theorie, Aufgaben, Auswertung, Diskussion und Material der Standard-Lernumgebung (← II.3.2) aus Gründen der Effektivität
nicht nach, sondern bereits während der Entwicklung des RCLs erstellt werden. In der
Konzeptionsphase des RCLs (← III.3.3, Tab. 23) können Strukturen und Inhalte für die
Theorieseiten skizziert und in der weiteren RCL-Entwicklung ausgeschärft werden. In der
Planungs- und Konstruktionsphase reifen häufig festzuhaltende, interessante Ideen, Fragen und Aufgabenstellungen für die Webseiten Aufgaben und Diskussion heran. In der
Konstruktions- und Prüfungssphase sollte die Webseite Material, während der Prüfung
88
des RCLs die Webseite Auswertung und abschließend die Webseite Aufbau erstellt werden.
Die implementierte Standard-Lernumgebung sollte theoretischer Teil von Staatsexamensarbeiten zu RCLs sein. Die Anforderungen sind wegen der webbasierten, komprimierten
und dennoch verständlichen Darstellung höher als bei anderen Staatsexamensarbeiten,
die zu verkürzten theoretischen Darstellungen aus Lehrbüchern tendieren.
Der Einsatz getesteter, standardisierter Versuchskomponenten kann die Entwicklung und
Qualität eines RCLs in zwei Punkten verbessern: Während der Entwicklung eines RCLs wird
die Planungs- und Konstruktionsphase eines RCLs zugunsten einer längeren Konzeptionsphase verkürzt und die Qualität von RCLs auf intellektuellem Weg gesteigert. Aufgrund der
geringeren Vielfalt von Versuchskomponenten wird die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls von
RCLs und damit der Wartungsaufwand verringert. Folgende Standardisierungen sind für
RCLs des RCL-Portals bereits realisiert oder noch zu realisieren:
 Interface in Basisschaltung, RCL-Basissoftware und Standard-Lernumgebung
Alle RCLs verwenden das gleiche, technisch stabile Interface in Basisschaltung (→
V.2.1), die gleiche RCL-Basissoftware (→ V.3.2) und die gleiche Struktur der StandardLernumgebung (← II.3.2).
 Translatorische Positionierungseinheiten
Aus Kostengründen wurden bisher alte Scanner zum Positionieren von Objekten im RCL
verwendet, die zeitaufwendig mechanisch angepasst und befestigt werden mussten und
nicht für jedes RCL die erforderliche Positionierungsgenauigkeit besitzen: Ein Teil der
Beugungsmuster der RCLs Beugungsmuster der RCLs Beugung und Interferenz II (←
III.1.1.2, Tab. 10, Fehlernr. 2) und Optische Fourier-Transformation (← III.1.1.2, Tab.
10, Fehlernr. 30) werden im Laufe der Zeit nur noch in schlechter Qualität oder gar nicht
mehr dargestellt, weil Beugungsobjekte vom Laserstrahl nur noch teilweise oder gar nicht
mehr ausgeleuchtet werden. Durch den Senkrechtbetrieb der Scanner entstehen Belastungen und Reibungen in der Führungsmechanik die zur Hysterese in der Positionierung
der Beugungsobjekte führen. In neuen RCLs sollten gekaufte oder in Zusammenarbeit mit
der Mechanik-Werkstatt entwickelte einund zweidimensionale Positionierungseinheiten
für kleinere/größere Strecken mit höherer/geringerer Positionierungsgenauigkeit und einer
Palette von drei Schrittmotoren des gleichen Herstellers mit gestaffeltem Drehmoment
zum Einsatz kommen.
 Webcams
Standard-Webcam in neuen RCLs sollte ein einheitliches Modell mit maximaler Auflösung
640 px x 320 px für größere Webcambilder und gutem Mikrofon für Tonübertragung (→ III.
3.6, nach Tab. 27) sein. Für RCLs wie die Optische Fourier-Transformation sollte eine
Webcam mit von der Laborseite steuerbarem digitalem oder optischem Zoom zur Verfügung stehen (→ IV.2.8, ▪ Webcambilder von Ausschnitten der Beugungsmuster). Zu prüfen ist, ob beim digitalen Zoom der Verlust an Bildqualität vertretbar ist. Der Javaskript-
89
Code zur Einbindung von Webcambildern in die Laborseite (→ Anhang XI.3.4) ist auf maximale Übertragungsgeschwindigkeit oder alternativ beste Bildqualität zu optimieren. Für
alle RCLs sollte eine einheitliche Webcambefestigung verfügbar sein, um Höhe und Blickrichtung der Webcam je nach RCL anpassen zu können.
Standardmäßig benötigen RCLs eine erste Webcam zur Darstellung des gesamten Versuchsaufbaus und eine zweite Webcam zur Darstellung von Versuchsabläufen und ergebnissen. Die Authentizität der RCLs Elektronenbeugung, Millikan-Versuch, Optische
Fourier-Transformation, Rutherfordscher Streuversuch und Windkanal kann durch eine
bisher fehlende Darstellung des gesamten Versuchsaufbaus mit einer zweiten Webcam
erhöht werden. Ein in Ausnahmefällen notwendiges drittes Webcambild sollte aus Platzund Informationsgründen wie beim RCL Roboter im Labyrinth durch Umschalten mit dem
zweiten Webcambild angezeigt werden können.
 Beleuchtung von RCLs
RCLs müssen bei Nacht am Standort beleuchtet werden. In einem zentralen Standortkonzept mit mehreren RCLs in einem Raum ist eine dauerhafte eingeschaltete Raumbeleuchtung mit Neonröhren die beleuchtungstechnisch und finanziell günstigste sowie wartungsärmste Lösung. Für RCLs an dezentralen Standorten bieten sich einfache Schreibtischleuchten mit langlebigen Leuchtmitteln an, die über eine Zeitschaltuhr nachts eingeschaltet werden.
III.3.4
Kosten für Entwicklung und Wartung
Die Gesamtkosten eines RCLs setzen sich aus den Material- und Arbeitskosten für die Entwicklung und Wartung zusammen:
 Material- und Arbeitskosten für die Entwicklung von RCLs
In Tab. 24 sind von vier RCLs die Materialkosten inklusive Mehrwertsteuer zusammengestellt. Für aus Altbeständen kostenlos erworbene Computer und Monitore und für Versuchskomponenten des Lehrmittelherstellers Leybold 87 wurden heutige Preise angesetzt.
Für die verwendeten kostenlosen alten Flachbrettscanner wurden heutige Preise für
Schrittmotoren und Linearführungen angesetzt. Kosten durch Fehlplanungen oder zerstörte Versuchskomponenten während der RCL-Entwicklung sind nicht enthalten. In den Kosten der überwiegend in Werkstätten der Technischen Universität Kaiserslautern angefertigten Versuchskomponenten sind die Arbeitskosten enthalten:
87
Vgl. LD Didactic GmbH.
RCL Rutherfordscher
Streuversuch
 Am-241 Präparat* 708 €
RCL Elektronenbeugung

Gekaufte Geräte  Gold- und Aluminiumfolie
in Fassung* 127 €
und Versuchskomponenten

 Satz Schlitzblenden* 5 €
 Vakuumpumpe* 1145 €
Angefertigte
Versuchskomponenten
 Vakuumkammer 200 €
90
RCL Beugung und
Interferenz II
Elektronenbeugungsröhre* 1065
€
 6 Lasermodule 400 €
Röhrenständer*
452 €
 Verdunklungskasten 50 €
RCL Weltpendel
(eines)
-
 Halterung für Lasermodule
100 €
 Pendel mit Aufhängung 100 €
 Beugungsobjekte 420 €
 Quadratische Blende 30 €
 Verdunklungskasten 50 €
 Schirm mit Zentimeterskala 20 €
 Apparatur zur Pendellängenmessung
180 €
Sonstiges
Material
50 €
50 €
50 €
50 €
Kosten ohne
Fernsteuerung
und -messung
2235 €
1567 €
1090 €
330 €
Sensoren
 Halbleiter-Detektor* 381 €
-
Aktoren
Interface in Basisschaltung
 2 Schrittmotoren 50 €
50 €
 HochspannungsNetzgerät 1032 €
 Lichtsensor 20 €
 4 Schrittmotoren 100 €
 4 Linearführungen 400 €
 Schrittmotor 25 €
 Elektromagnet 50 €
 Linearführung 25 €
50 €
50 €
50 €
 DA-Wandler 10 €
 4 Schrittmotormodule 40 €
 Schrittmotormodul
10 €
 2 Schrittmotormodule 20
€
Erweiterungs 7-Segment-Anzeige 10 €
module Interface
 DiskriminatorVorverstärker* 525 €
 Lichtschranke und
Temperatursensor
400 €
Computer, Tastatur, Maus
200 €
200 €
200 €
200 €
Monitor
200 €
200 €
200 €
200 €
USB-Webcam
30 €
30 €
30 €
30 €
IP-Webcam
-
-
100 €
-
Kosten Fernsteuerung und messung
1466 €
1522 €
1140 €
990 €
Gesamtkosten
3721 €
3089 €
2230 €
1320 €
Kosten traditionelles Realexperiment
4151 €
2549 €
-
-
Kosten Adaptieren zum RCL
-430 € (- 10 %)
540 € (+ 21 %)
-
-
Tab. 24: Materialkosten inklusive Mehrwertsteuer von RCLs des RCL-Portals (* Versuchskomponenten von Leybold).
Kosten von Versuchskomponenten zur Fernsteuerung und Fernmessung sind in Tab. 24
getrennt gelistet. Diese sind tendenziell umso höher, je höher die Kosten der restlichen
Versuchskomponenten des RCLs sind und machen im Mittel die Hälfte der Gesamtkosten
aus. Für Fernsteuerung und -messung entstehen durch Computer, Tastatur, Maus, Interface in Basisschaltung und mindestens eine USB-Webcam Mindestkosten von 480 €.
Diese Kosten können durch ein direkt über das Internet steuerbares Interface (ca. 100
91
€88), mindestens eine IP-Webcam und Wegfall von Computer und Monitor auf 200 € gesenkt werden.
Tendenziell werden niedrigere Materialkosten bei einer geringeren Zahl gekaufter, teurer
Versuchskomponenten der Lehrmittelhersteller oder deren Ersatz durch entwickelte
Messschaltungen und Sensoren aus dem Elektronikhandel erzielt. Dies trifft besonders für
RCLs nach der Thematisieren-Strategie (← III.3.2) wie z. B. die RCLs Weltpendel oder
Optische Computertomographie zu. Allerdings verursachen diese RCLs durch einen höheren Entwicklungsaufwand höhere Arbeitskosten.
Exemplarisch zeigen die mit traditionellen Realexperimenten gut vergleichbaren RCLs
Rutherfordscher Streuversuch und Elektronenbeugung, dass die Gesamtkosten für RCLs
zwischen 80 % und 120 % des traditionellen Realexperiments betragen.
Die Materialkosten von RCLs schwanken wie die von traditionellen Realexperimenten
stark und liegen bei maximal ca. 4000 € und im Mittel bei ca. 3000 €. Im Vergleich dazu
sind Materialkosten für den RCL-Portalserver vernachlässigbar, zumal dieser vom Rechenzentrum der Technischen Universität Kaiserslautern bereitgestellt wird.
Auf die einzelnen RCLs umzulegende Arbeitskosten entstehen durch die Programmierung
des Buchungssystems und der RCL-Basissoftware. Die RCL-spezifische Programmierung
der RCL-Basissoftware und des Mikrocontrollers sowie die Entwicklung der Elektronik von
RCLs verursachen je nach RCL Arbeitskosten zwischen ein und zwei Mannmonaten. In
der Regel ist der Zeitaufwand umso geringer, je mehr Fertiggeräte und je höher der Anteil
von Standardexperimenten des RCLs ist.
Im Rahmen der universitären Lehre und Ausbildung finanzierbare Arbeitskosten, entfallen
auf die Fertigung der RCLs durch Staatsexamenskandidaten und deren Betreuung. Der
mittlere Arbeitsaufwand zur Erstellung und Implementation einer deutschen StandardLernumgebung im RCL-Portal beträgt etwa eine Woche. Übersetzung und Implementation
einer weiteren Sprachversion auf dem RCL-Server benötigen ungefähr 3 Tage.
Die längste Entwicklungsdauer haben RCLs nach der Thematisieren-Strategie (← III.3.2,
Abb. 36). Die mittlere Entwicklungsdauer der RCLs im Rahmen von Staatsexamensarbeiten liegt bei einem Jahr. Die Arbeitskosten für ein RCL liegen insgesamt bei ca. 2000 4000 €.
 Material-, Fahrt- und Arbeitskosten für Auslieferung und Wartung von RCLs
Während der Laufzeit aller RCLs des RCL-Portals sind nur geringe Materialkosten durch
den Ausfall von Versuchskomponenten entstanden. Dazu gehören ein Geiger-MüllerZählrohr des RCLs Radioaktivität für 369 € (← III.1.2.2, Tab. 10, Fehlernr. 35), ein Anschlusssockel der Elektronenbeugungsröhre und elektronische Bausteine des Interface
des RCLs Elektronenbeugung für 60 € (← III.1.2.2, Tab. 10, Fehlernr. 4) und mehrere
Steckernetzteile. Im Einzelfällen wie z. B. dem Ausfall der kostenlos ersetzten, ca. 1000 €
teuren Webcam des RCLs Millikan-Versuch (← III.1.2.2, Tab. 10, Fehlernr. 25) oder der
1065 € teuren Elektronenbeugungsröhre des RCLs Elektronenbeugung können jedoch
88
Auskunft von M. Vetter am 04.04.2011.
92
hohe Kosten entstehen. Insgesamt sind die durchschnittlichen Materialkosten pro RCL
und Jahr für die Wartung vernachlässigbar.
Fahrt- und Versandkosten zur Auslieferung von RCLs an die Standorte Kaisersesch, Heilbronn, Dillingen, Saarburg, Überlingen, Hermannsburg, Isernhagen, Berlin, Riga, Helsinki,
Neapel, Aden sowie Wartungskosten betrugen pro Jahr und RCL ca. 150 €.
Im Rahmen der universitären Lehre getragene Arbeitskosten entstehen durch die Auslieferung von RCLs, die Durchführung von Funktionstests der RCLs (← III.1.1), Wartungsarbeiten an den Standorten und per Fernzugriff auf die RCL-Server, Reparatur- und Wartungsarbeiten von RCLs in der Arbeitsgruppe und Pflege der Webseiten (← II.2.2, ▪ Form
und Inhalte der Standard-Lernumgebungen). Die Gesamtkosten für Auslieferung und
Wartung der RCLs des RCL-Portals liegen nicht über 200 € pro RCL und Jahr.
Die Gesamtkosten für ein RCL des RCLs-Portals liegen, wenn im Rahmen der universitären
Lehre und Ausbildung getragene Kosten unberücksichtigt bleiben, bei maximal 8000 €.
III.3.5
Weiterentwicklung von RCLs
Stärken und Schwächen von aktuellen und ehemaligen RCLs des RCL-Portals und von anderen RCL-Anbietern sind in Tab. 25 und Tab. 26 in Vorschläge zur Weiterentwicklung von
RCLs im Rahmen einer Weiterführung des RCL-Projekts (→ VIII.1) umgesetzt. Anhand der
RCL-Recherche (→ Anhang X.5) wurde die Echtheit der Weiterentwicklungen geprüft und
als Ergebnis die ID´s nicht mehr existierender, funktionsunfähige oder im Vergleich zum weiterentwickelten RCL schlechterer RCLs angegeben. Weiterentwicklungen werden durch Angabe der Entwicklungsstrategie (← III.3.2) und der Mehrwerte (← III.3.1) umrissen und durch
den Versuchsaufbau und Experimente konkretisiert:
Komponieren-Strategie mit Mehrwert durch experimentelle Features und Inhalt
Bessere Messergebnisse, größere Zahl wählbarer Parameter und größerer Anzahl von Experimenten
Versuchsaufbau
Zusätzliche Experimente
 Bessere Kollimation der Strahlung und größere Aktivitäten der Strahlungsquellen


RCL
Radioaktivität

IDs 204, 188

 Messung des Energiespektrums von BetastrahKleinerer minimaler Abstand des Detektors von Strahlungsquelle, um Reichweite
lung mit variabler magder Alphastrahlung in Luft besser bestimmen zu können und
netischer Flussdichte
Ersatz der Scanner durch Schrittmotoren und Linearführungen ergibt einen über Bestimmung der spezifisichtlicheren Versuchsaufbau
schen Ladung von AlAbsorberdurchmesser müssen zur Vermeidung von Abschattungseffekten ca.
phateilchen durch Ab1,5-fachen Detektordurchmesser haben
lenkung im Magnetfeld
Durchmesser der Öffnungen ohne und mit Absorber müssen für korrekte Mes-  Größere Anzahl von
sung der Zählrate ohne Absorber gleich sein
Messreihen zur Unter-
 Größere Absorberdicken für Gammastrahlung und kleinere Absorberdicken für
Betastrahlung, um Absorptionskoeffizient besser bestimmen zu können
 Größere Anzahl von Absorbermaterialien durch Alltagsmaterialien wie Stein, Holz
und Flüssigkeiten in Kapseln
 Größere Anzahl von Strahlenquellen durch natürliche Strahlenquellen wie z. B.
Bimsgestein
 Steuer- und messbare magnetische Flussdichte des Magneten
suchung der Absorption
von Strahlung
93
Optimieren-Strategie mit Mehrwert durch methodischen Einsatz
Bestimmung der Elementarladung mit mehreren Messmethoden
Versuchsaufbau
 Werkstattanfertigung einer verbesserten Mechanik außer dem Mikroskop
RCL
MillikanVersuch
ID 197
 Bestimmung der Elementarladung mit meh Verbessertes Einsprühen von Öltröpfchen durch selbstgefertigten Einsprühmereren
Messmethoden
chanismus, eventuell zwei Düsen und größeren Vorratsbehälter für Öl
(Steig-Fallmethode,
 Optimierte Beleuchtung im Kondensator
Schwebemethode,
 Mit gutem Einsprühmechanismus kann vermutlich auf Fokussierung des MikroWechselfeldmethode 89)
und Vergleich der Geskops verzichtet werden, weil stets einige Öltröpfchen im Fokus des Mikroskops
sind
nauigkeit
 Verbesserte Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit durch Kopplung der Messung
von Steig- und Fallzeiten an die Umschaltung des elektrischen Feldes wie beim
traditionellen Realexperiment
 Zeitlich konstantes, in Richtung und Stärke variierbares homogenes elektrisches
Feld und homogenes, sinusförmiges Wechselfeld sind einstellbar
 Möglichkeit auf der Laborseite Ergebnisse der Zeitmessungen von mehreren
Öltröpfchen zu speichern und als Datei herunterzuladen
Optimieren-Strategie mit Mehrwert durch experimentelle Features und Inhalt
Verbesserte angefertigte Mechanik mit genauerer Versuchsgeometrie; kürzere Messzeiten; experimentelle
90
Überprüfung fast aller Abhängigkeiten der Streurate nach Vorbild eines traditionellen Realexperiments
Versuchsaufbau
 Verwendung eines für die Schule nicht zugelassenen Alphastrahlers mit mindes-  Bestätigung der Abhäntens um den Faktor zehn größerer Aktivität für kürzere Messzeiten, Messungen
gigkeit der Streurate
bei größeren Streuwinkeln und kleinerem statistischer Messfehler
vom Streuwinkel, von
der Energie der Alpha Bessere Kollimation der Strahlung und exaktere Positionierung von StrahlungsRCL
teilchen, von der Ordquelle,
Streumaterial
und
Detektor
Rutherfordscher
nungszahl und Dicke
Streuversuch  Messung der Rückwärtsstreuung von Alpha-Teilchen mit 330° drehbaren Detekdes Streumaterials (Au,
tor
Cu, Ag) nach RuIDs 196, 315
therfordscher Streufor Energien und Aktivität des Alpha-Strahlers sowie Foliendicken müssen vor dem
Einbau möglichst exakt gemessen werden. Festgelegte Toleranzen der Werte
mel
geometrischer Größen wie Abstand Alphastrahler-Folie, Streufläche und Abstand
Folie-Detektor müssen eingehalten werden. Damit ist ein genauerer Vergleich
zwischen Experiment und Theorie sowie eine genauere Bestimmung der Ordnungszahl des Streumaterials durchführbar
 Streuwinkel, Energie der Alpha-Teilchen (gesteuert durch Absorption der AlphaStrahlung in Goldfolien variabler Dicke), Dicke und Ordnungszahl der Streufolien
(Ag, Au, Cu, …) sind in möglichst weiten Grenzen variierbar
Optimieren-Strategie mit Mehrwert durch experimentelle Features
Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Luft und in Materialien
Versuchsaufbau
 In den Strahlengang können auf einem Revolver montierte, zylindrische Stäbe der  Bestimmung der LichtLänge s m aus Materialien wie z. B. Flintglas (n = 1,9), Plexiglas (n = 1,5) oder
geschwindigkeit in Materialien und deren BreWasser (n = 1,3) in einer Röhre gebracht werden. Der Revolver kann auf der
chungsindex
Strecke s zwischen Lichtquelle und Reflektor innerhalb der ersten fünf Meter, die
von der Spielzeuglokomotive nicht befahren werden können, angebracht werden.
RCL
Lichtgeschwindi  Nach t = 2(s – s m )/c o + 2s m n/c o brauchen die Lichtimpulse zum Passieren der
Strecke s = 10 m ohne Material 67 ns und mit einer s m = 2 m langen Materialstregkeit
cke aus Plexiglas 73 ns. Der Zeitunterschied von 6 ns ist messbar und kann eindrucksvoll beim Wechsel zwischen Luft und Material am Oszilloskopschirm beoIDs 209, 113,
bachtet werden
26, 252
 Eventuell muss wegen der Absorption in den Materialien eine Lichtquelle mit höherer Leistung verwendet werden
 Versuch wird nicht von Leybold und Phywe angeboten
89
Vgl. Gröber 2007b, Aufgabe I.6, S. 6.
90
Vgl. Eaton 1973.
94
Thematisieren-Strategie mit Mehrwert durch Inhalt und methodischer Einsatz
Fernsteuerung aller Funktionen eines Oszilloskops; Konzeptionierung des RCLs anhand eines Kurses zum Erlernen der Bedienung eines Oszilloskops und zum Messen mit einem Oszilloskop
RCL
Oszilloskop
IDs 208, 57,
135, 169
Versuchsaufbau
 Im Bedienungsmodus auf der Laborseite kann mit Hilfe zweier Funktionsgenera-  Experimente zur Mestoren einer Palette von Eingangssignalen erzeugt und die Bedienung eines Oszilsung von Gleich- und
loskops erlernt werden. Technologisch können die Lerninhalte nach SchwierigWechselspannungen,
keitsgrad durch Eingrenzung der aktiven Bedienelemente auf der Laborseite geFrequenzen und Fresteuert werden
quenzverhältnissen
(Lissajous-Figuren),
 Im Anwendungsmodus kann durch Auswahl entsprechender Schaltungen die
Frequenz- und PhasenMessung einer Vielzahl von Größen erlernt werden
gang
von
RLC Existierende
kostenlose
Onlineoder
Offline-Simulationen
von
Schaltungen,
Zeitkon91, 92,93,94
pen
erreichen nicht die hier angestrebte Interaktivität
stanten, Kennlinien, …
Tab. 25: Weiterentwicklung von RCLs des RCL-Portals.
Die RCLs Millikan-Versuch, Rutherfordscher Streuversuch und Lichtgeschwindigkeit werden
von der Strategiestufe Adaptieren auf die Strategiestufe Optimieren angehoben und füllen
damit die Lücke in Abb. 35. Das RCL Radioaktivität wird auf der Strategiestufe Komponieren
optimiert, das RCL Oszilloskop wird von der Strategiestufe Adaptieren auf die höchste Strategiestufe Thematisieren angehoben.
Bei Weiterentwicklungen von RCLs muss entschieden werden, ob der Versuchsaufbau modifiziert werden kann (z. B. RCL Lichtgeschwindigkeit), ein neues RCLs unter Verwendung teurer Versuchskomponenten des alten RCLs (z. B. RCLs Rutherfordscher Streuversuch, Oszilloskop, Radioaktivität und Millikan-Versuch) oder als Ergänzung zum alten RCL realisiert
wird. Letzteres wird bei Weiterentwicklungen von RCLs selten der Fall sein, weil Besucher
überwiegend mit dem weiterentwickelten RCL experimentieren werden.
91
92
Vgl. Universität Bayreuth, Didaktik der Physik, Interaktives Bildschirmexperiment zum Oszilloskop.
Vgl. P. Debik, Virtuelles Oszilloskop unter Oszilloskop Simulation - Starten!.
93
Vgl. F. Friesing, Virtuelles Oszilloskop.
94
Vgl. Technische Universität Illmenau, Interaktives Oszilloskop zur Lissajous-Figuren-Simulation zur Offline-Nutzung unter
Download.
RCL
Optische
Pinzette
ID 31
95
Adaptieren-Strategie mit Mehrwert durch Inhalt
Verbesserte technische Stabilität; mehr Experimente und Vergleich mit Simulation; für Sekundarstufe II als er95
staunlicher Versuch aus der Quantenphysik geeignet , für Physikstudierende zum Kennenlernen einer Anwendung der Quantenphysik von Licht, für Biophysikstudierende als wichtige Methode zur Manipulation von
Mikroorganismen 96
Versuchsaufbau
Experimente
 Vorschläge zum Versuchsaufbau in Versuchsanleitungen von  Bewegen eines Partikels mit Hilfe von
Hochschulpraktika
Laserlicht
 Haltbarkeit der Suspension kann verbessert werden 97 und  Messung der Haltekraft eines Partikels in
98
mehr Experimente
Abhängigkeit von der Laserleistung
 Experimente sind so zu konzipieren und dimensionieren, dass  Bestimmung der effektiven Viskosität der
der Vergleich experimenteller Ergebnisse mit einer SimulatiSuspension
99,100
möglich ist
on
 Vergleich der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines freien und gefangenen Partikels (Brown´sche Molekularbewegung)
Adaptieren-Strategie mit Mehrwert durch Inhalt
Standardmäßiges, traditionelles Realexperiment als RCL für mehr experimentelle Hausaufgaben
Versuchsaufbau
RCL
Elektronen im
E- und B-Feld
Experimente
 Standardversuch mit steuerbarem homogenem elektrischem  Abhängigkeit der Ablenkung des ElektFeld eines Plattenkondensators in Elektronenablenkröhre und
ronenstrahls von Geschwindigkeit (Beschleunigungsspannung) der Elektronen,
dazu senkrechtem, steuerbaren homogenen Magnetfeld eines
elektrischer Feldstärke (Spannung) und
Helmholtz-Spulenpaares.
magnetischer Flussdichte (Stromstärke)
 Variable Beschleunigungsspannung U für Elektronen, variB
able Spannung U des Plattenkondensators und variable  Identifizierung der Elektronenbahn im
elektrischen Feld als Parabel
Stromstärke I des Helmholtz-Spulenpaars
 Realisation eines Wienfilters
Adaptierenstrategie mit Mehrwert durch Inhalt
Standardmäßiges, traditionelles Realexperiment zur Bestimmung von e/m als RCL für mehr experimentelle
Hausaufgaben
Versuchsaufbau
Experimente
 Standardversuchsaufbau mit Fadenstrahlrohr in einem Helm-  e/m-Bestimmung für α = 0°: Untersuholtz-Spulenpaar. Elektronen bewegen sich auf Kreis- oder
chung des Zusammenhangs zwischen r,
Spiralbahn
B, U B , m und e
 Steuerbare Beschleunigungsspannung U B (Geschwindigkeit  Überlagerung von Bewegungen für α ≠

0°
v ), steuerbarer Winkel α zwischen Richtung des Magnetfel
des und Geschwindigkeit v durch Drehung des Fadenstrahlrohrs
RCL
e/mBestimmung
IDs 114, 183
 Genauere Messung des Radius r der Kreisbahn mit Webcam
über Screenshot als im traditionellen Realexperiment, Messung der Ganghöhe der Spiralbahn mit zweiter Webcam über
Screenshot
 Messdaten der magnetischen Flussdichte in der Mittelebene
des Helmholtz-Spulenpaars werden alternativ zur Berechnung
mit Formel auf Webseiten bereitgestellt
95
Vgl. z. B. Karsruher Institut für Technologie, Physik-Schüler-Laborinitiative.
96
Vgl. z. B. Universität Göttingen, Versuchsanleitung Optische Pinzette im Fortgeschrittenen-Praktikum.
97
Vgl. Tönnies 2005, S. 30.
98
Vgl. Tönnies 2005, S. 33-44.
99
Vgl. Mas 2011.
100
Vgl. Universität Barcelona, Joptics, Download Applet Optical tweezers.
96
Komponieren-Strategie mit Mehrwert durch experimentelle Features
Teure Messgeräte (Vielkanalanalysator, Szintilisationsdetektor, Gekühlter Germanium- Halbleiterdetektor) und
radioaktive Präparate werden für eine Vielzahl von Experimenten genutzt
RCL
Gammaspektrometrie
ID 96
Versuchsaufbau
Experimente
 Es existiert kein funktionsfähiges RCL zur Gammaspektromet-  Energiekalibrierung mit z. B. Co 60 und
rie
Analyse von z. B. Cs 137, Na 22,
Uranerz oder Baumaterialien
 Standardversuchsaufbau aus Hochschulpraktika
 Untergrundmessungen
 Messung des Absorptionskoeffizienten
verschiedener Materialien
 Abhängigkeit
des
EnergieAuflösungsvermögens vom Detektor
 Messungen zum Comptoneffekt
Thematisieren-Strategie mit Mehrwert durch Inhalt und methodischer Einsatz
Michelson-Interferometer als universelles Messinstrument
Versuchsaufbau
 Klassischer Versuchsaufbau
Experimente
RCL
 Bestimmung der Brechzahl von Luft und
Michelsonanderer Gase, Bestimmung des thermiInterferometer  Es existiert kein funktionsfähiges RCL zum Michelsonschen Ausdehnungskoeffizient von FestInterferometer
körpern,
Hysterese
eine
PiezoIDs 73, 165,
101
102
 Vergleich zwischen Experiment und Simulation
Aktuators
229
 Bestimmung der Wellenlänge und der
Kohärenzlänge von Licht mehrerer Lichtquellen 103
Komponieren-Strategie mit Mehrwert durch Inhalt und experimentelle Features
Experimente zu allen Varianten der Erzeugung einer Induktionsspannung nach dem Induktionsgesetz
Versuchsaufbau
Experimente
 Rechteckförmige Leiterschleifen (variable Fläche A und Win-  B = B 0 = konstant (Generator): Abhändungszahl n) können im homogenen Magnetfeld eines Helmgigkeit zwischen der Amplitude von U ind
holtzspulenpaars (Flussdichte B konstant, linear zu- oder abund ω, n, B, A
RCL
nehmend, sinusförmig oder rechteckförmig) unter dem Winkel  B = B + kt (konstant, linear zu oder ab0
α positioniert werden oder mit konstanter WinkelgeschwindigElektromagnenehmend): Abhängigkeit der konstanten
tische Induktikeit ω rotieren. Die Induktionsspannung U ind kann mit einem
U ind von n, A, α und k
Oszilloskop und Multimeter gemessen werden
on
 B = B 0 sin(ωt): U ind kosinusförmig,
 Technisch muss die Übertragung der eventuell verstärkten InAmplitude von U ind abhängig von B 0 , ω,
ID 13
duktionsspannung U ind von der rotierenden Leiterschleife reaA und n
lisiert werden
 Mit Oszilloskop kann im Zweikanalbetrieb die zeitliche Zuordnung von U ind und Spannung U B zur Erzeugung von B darstellt werden
 Eine Webcam für den Oszilloskopschirm, eine weitere
Webcam für den Versuchsaufbau mit Multimeter
Thematisieren-Strategie mit Mehrwert durch Inhalt
Einführung in Grundbegriffe des deterministischen Chaos
Versuchsaufbau
RCL
Chaos am
Wasserhahn
ID 46
Experimente
 Versuchsaufbau des nicht mehr existierenden RCLs 104
 Aufnahme Bifurkationsdiagramm (Zeitlicher Abstand zwischen Tropfen über
 Elektronische Messung der Flussrate und des zeitlichen AbFließrate am Auslauf) und Aufnahme Restands der Wassertropfen mit Lichtschranke
turn-Map (Zeitlicher Abstand zwischen
 Prüfung, ob Durchführung des Experiments für ein RCL nicht
einem ersten und zweiten über zeitlizu lange dauert und ob RCL wegen Wasser langfristig warchem Abstand zwischen zweitem und
tungsfrei konstruiert werden kann
nachfolgendem dritten Tropfen) 105
101
Vgl. Universität Barcelona, Joptics, Applet Michelson-Interferometer.
102
Vgl. Technische Universität Dresden, Versuchsanleitung Michelson-Interferometer im Physikalischen Praktikum.
103
Vgl. Universität Frankfurt, Versuchsanleitung Michelson-Interferometer im Physikalischen Praktikum.
104
Vgl. Klein 2003, S. 10-15.
105
Vgl. Buttkus 1995.
97
Komponieren-Strategie mit Mehrwert durch Inhalt
RCL
Thermodynamische Zustandsänderungen
ID 185
Zusammenhang zwischen den Zustandsgrößen Druck, Volumen und Temperatur von Luft nach allgemeiner
Gasgleichung
Versuchsaufbau
 Versuchsaufbau des existierenden RCLs als erste Vorlage
Experimente
 Sowohl automatisierte Aufnahme von pV, p-T und T-V-Diagrammen mit der drit Aufwendiges, aber wichtiges RCL für die Hochschule
ten Größe als Parameter
 Sowohl Einzelmessungen als auch automatisierte Aufnahme

Durchlaufen von Kreisprozessen
von Messreihen
 Vergleich von zu- und abgeführter Wärmemenge und verrichteter Arbeit
Tab. 26: Weiterentwicklung ehemaliger RCLs des RCL-Portals und von RCLs anderer Anbieter.
III.3.6
Neuentwicklung von RCLs
In Tab. 27 werden vier Neuentwicklungen von RCLs vorgestellt die in der Phase Vorüberlegungen im Entwicklungsplan (← III.3.3, Tab. 23, Vorüberlegungen) auf Tragfähigkeit zu prüfen und zu erweitern sind:
Wirkungsgrad von Leuchtmitteln des Alltags wie Halogenlampen, Leuchtstofflampen, LED-Lampen, Glühlampen; Mechanismen zur Erzeugung von Licht
Versuchsaufbau
Experimente
 Messung von Strom und Spannung mit Multimetern
RCL
Leuchtmittel
 Bestimmung
der
zugeführten
elektrischen
Leistung
durch
Strom Messung der Lichtintensität in einer Ebene durch das Leuchtmittel
und Spannungsmessung
mit beweglichem Lichtsensor oder drehbarem Leuchtmittel
2
 In Theorie Vergleich der Mechanismen zur Erzeugung von Licht  Überprüfen der 1/r -Abhängigkeit
der
Lichtintensität
für
reale Leuchtbei Glühlampe, Leuchtstofflampe und LED und Zusammenhang
mittel (keine Punktstrahler)
mit Wirkungsgrad
 Messung der Abstrahlcharakteristik
durch in Abstand und Winkel positionierbaren Lichtsensor
Modellexperimente mit sichtbarem Licht und elektronenstrahllithografisch hergestellten, zweidimensionalen
Beugungsobjekten zur Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen mit Strukturen zwischen Ordnung und Unordnung
Versuchsaufbau
Experimente
 Versuchsaufbau wie beim RCL Optische Fourier-Transformation  Beugung an schiefwinkligen Gittern
(← III.2.4)
mit variierbarem Winkel zwischen
Gittervektoren
 Variation der Einzelform und Größe
der Einzelform des Gitters
RCL
Optische
Kristallographie
 Variation der Gitterposition und Orientierung der Einzelformen zwischen vollständig geordnet und ungeordnet
98
Experimente zum Verständnis des Superpositionsprinzip, des Gesetzes von Biot-Savart und des Ampereschen Gesetzes (Durchflutungsgesetz)
RCL
Magnetfelder
Versuchsaufbau
Experimente
 Teil 1: Zwei parallele senkrechte Leiter werden von in Richtung  Teil 1: Superposition der Magnetfel

der mit I 1 = 0 und I 2 = 0 ergibt Vekund Stärke steuer- und messbaren Strömen I1 und I2 durchflossen.
torfeld mit I 1 ≠ 0 und I 2 ≠ 0.
In Ebene senkrecht zu den Leitern kann an messbaren Punkten
 
Nach 
P(x,y) mit beweglichem Hallsensor die Komponenten B x und B y
∫ Bdr = µ0I kann experimen
der magnetischen Flussdichte B gemessen werden
tell ermitteltes Kurvenintegral mit μ 0 I
verglichen werden
Geschlossene Wege des Hallsensors um einen der Leiter oder
 
außerhalb der Leiter können gewählt werden, entlang derer die

ds × er
kann ex
Teil
2:
Nach
dB
~
I
magnetische Flussdichte gemessen wird. Messungen (x,y,B x ,B y )
r2
können als Datei heruntergeladen werden

2
perimentell dB ~ I, dB ~ 1/r und dB
 Teil 2: Rechteckförmige, drehbare, schmale Leiterschleife der Brei


senkrecht auf der von ds und er
te ds und variabler Stromstärke I modelliert Stromelement I ⋅ ds . Mit
aufgespannten Ebene gezeigt wergeeignetem Hallsensor kann Richtung und Stärke der vom Strom
den
element erzeugten Flussdichte dB in variablem Abstand r und

Richtung er vom Stromelement gemessen werden
Untersuchung aller Trägheitskräfte (lineare Trägheitskraft, Zentrifugalkraft, Corioliskraft und der "Kreiselkraft"
bei Änderung der Winkelgeschwindigkeit) mit einem RCL
Versuchsaufbau
RCL
Trägheitskräfte
Experimente
 Masse m kann in variablem Abstand r´ mit konstanter variabler  Messung der linearen Trägheitskraft


Winkelgeschwindigkeit ω oder Winkelbeschleunigung α rotieren
F = ma
und für ω = 0 oder ω ≠ 0 mit konstanter variabler Geschwindigkeit
der
v´ oder Beschleunigung a radial bewegt werden. Nutzer kann sein  Messung aller Abhängigkeiten
  
eigenes Bewegungsprogramm auf der Laborseite zusammenstelZentrifugalkraft FZ= mω × (r ′ × ω)
len
 Messung aller Abhängigkeiten der

 Beschleunigungen bzw. Trägheitskräfte der Masse m können in al 
FC 2mv′ × ω
Corioliskraft=
len drei Raumrichtungen mit Beschleunigungs- oder Kraftsensoren
gemessen, per Funk übertragen und auf Displays im Webcambild
 Messung aller Abhängigkeiten der
des RCLs angezeigt werden. Besucher können dadurch einen

 
=
mr′ × α
"Kreiselkraft" F
qualitativen und quantitativen Zusammenhang zwischen TrägK
heitskraft und Bewegung herstellen
 Zusätzlich zu Trägheitskräften kann auch magnetische Kraft als
äußere Kraft auf Masse m einwirken
Tab. 27: Neuentwicklung von RCLs.
Darüber hinaus sind Neuentwicklungen von RCLs mit folgenden Entwicklungsrichtungen
wünschenswert:
 RCLs die fehlerhafte Durchführungen von Experimenten erlauben, wie z. B. beim RCL
Radioaktivität die Messung der Ablenkung von β-Strahlung ohne Kollimator oder beim
RCL Fotoeffekt eine Messung der Fotospannung ohne Frequenzfilter.
 RCLs die Fehlvorstellungen von Lernenden berücksichtigen wie z. B. bei einem RCL zur
geometrischen Optik durch Abbildungen mit halbierten Linsen. Insbesondere für die Mechanik, Optik und Elektrik sind Fehlvorstellungen von Lernenden umfassend untersucht,
so dass RCLs die eine größere Anzahl von Fehlvorstellungen in Experimenten berücksichtigen entwickelt werden können.
 RCLs die einen Vergleich mehrerer Messmethoden wie z. B. beim RCL Millikan-Versuch
(← III.3.5, Tab. 25, RCL Millikan-Versuch) erlauben oder die den Vergleich von Messungen mit unterschiedlichen Messinstrumenten wie z. B. beim RCL Röntgen- und Gammaspektrometrie (← III.3.5, Tab. 26, RCL Gammaspektrometrie) erlauben.
99
 Komplexere RCLs bei denen Lernende auf der Laborseite die Anzahl experimenteller
Möglichkeiten durch die Anzahl von Eingabeelementen einschränken können. Vorstellbar
sind verschiedene Lernmodi wie z. B. beim RCL Oszilloskop (← III.3.5, Tab. 25, RCL Oszilloskop) oder eine an der Fach- und Ausbildungssystematik orientierte Reihenfolge von
Experimenten zur geometrischen Optik im Rahmen eines Lehrgangs für den Ausbildungsberuf Augenoptiker.
 RCLs mit experimentellen Ergebnissen, die nicht sofort in Einklang mit der Theorie gebracht werden können wie z. B. Abweichungen vom Abstandsgesetz bei kleinen Abständen zwischen Quelle und Detektor beim RCL Radioaktivität.106
 RCL in denen am Bildschirm auch Ton wiedergegeben werden kann. Einerseits um Geräusche von Experimenten wie z. B. das Fahrgeräusch des Zuges beim RCL Maut für eine größere Authentizität zu übertragen. Andererseits um Versuche aus der Akustik wie z.
B. zur Interferenz von Schallwellen durchführen zu können.
 RCLs die gezielt eine Vernetzung von Experimenten anstreben. Vernetzungen können
durch Gesetze wie z. B. dem Induktionsgesetz beim RCL Elektromagnetische Induktion
(III.3.5, Tab. 26, RCL Elektromagnetische Induktion), durch Formeln wie z. B. der Rutherfordschen Streuformel beim RCL Rutherfordscher Streuversuch (III.3.5, Tab. 25, RCL
Rutherfordscher Streuversuch), durch Analogien wie z. B. bei einem RCL zu mechanischen und elektrischen Schwingungen, durch Vergleich wie z. B. bei der Absorption von
Beta- und Gammastrahlung im gleichen Material beim RCL Radioaktivität (III.3.5, Tab.
25, RCL Radioaktivität) oder durch Spezialfälle einer Formel wie z. B. beim RCL Trägheitskräfte (III.3.6, Tab. 27, RCL Trägheitskräfte) erzeugt werden.
III.4
Zusammenfassung
Dieses Kapitel stand unter der Prämisse der Qualität von RCLs in der Entwicklung einen essentielleren Stellenwert einzuräumen, weil nur die besten RCLs in einem immer unübersichtlich werdenden Spektrum an Lehr-Lernmedien langfristig Erfolg haben werden. Dazu wurde
die Qualität von RCLs vollständig durch die Qualitätskriterien Verfügbarkeit, Barrierefreiheit,
Nutzerfreundlichkeit, Funktionalität, Konzeption, Interaktivität und Authentizität erfasst und
durch Qualitätsmerkmale überprüfbar gemacht. Die Qualitätsmerkmale sind so konkret und
auf RCLs bezogen, dass im Vergleich zu anderen medienübergreifenden Kriterienkatalogen 107, ein geringerer Ermessenspielraum bei der Überprüfung der Qualität des Mediums
bleibt.
Die Qualität der RCLs des RCL-Portals wurde in vielfältiger Weise dokumentiert und evaluiert: Im weltweiten Vergleich sind die RCLs vermutlich die einzigen mit über mehrere Jahre
dokumentierter, hoher, 80-prozentiger Verfügbarkeit und die 5 % barriereärmsten RCLs. Ein
Vergleich unter drei themengleichen RCLs zur Beugung und Interferenz anhand einer sum106
Vgl. Gröber 2010, Abb. 3a, S. 47.
107
Vgl. Altherr 2003.
100
marischen Checkliste der definierten Qualitätsmerkmale zeigt exemplarisch die Qualität der
RCLs in Konzeption, Interaktivität, Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit. Die Auswertung
von Daten des Besucher-Trackings mehrerer RCLs im Hinblick auf Experimentierdauer und qualität zeigt, dass mit RCLs wie mit traditionellen Realexperimenten in systematischer und
vielfältiger Weise experimentiert wird. Lehrkräfte auf Fortbildungen zu RCLs bescheinigen
RCLs als Unterrichtsexperten eine hohe Unterrichtstauglichkeit.
Eine Fehleranalyse der Ausfälle von RCLs des RCL-Portals über mehrere Jahre, Ursachen
nicht mehr existierender RCLs des RCL-Projekts und Erfahrungen in der Betreuung der Entwicklung von RCLs durch Staatsexamenskandidaten werden umgesetzt in Maßnahmen zur
Qualitätssicherung von RCLs: Im Rahmen einer Mehrwertstrategie können RCL-spezifische
Mehrwerte in den Bereichen experimentelle Features, Lehr-Lern-Organisation, Inhalte und
methodischer Einsatz generiert werden. Entwicklungsziele von RCLs können zielsicherer
anhand der Entwicklungsstrategien Adaptieren, Optimieren, Komponieren und Thematisieren
formuliert und erreicht werden. Ein an die Staatsexamenskandidaten bzw. Entwickler von
RCLs kommunizierter Entwicklungsplan mit definierten Meilensteinen strukturiert die Komplexität des Entwicklungsprozesses von RCLs und soll zu kürzeren Entwicklungszeiten von
RCLs führen. Ein höherer Anteil standardisierter Versuchskomponenten kann die Konstruktionsphase zugunsten der qualitätsentscheidenden Konzeptionsphase von RCLs verkürzen.
Die Materialkosten für RCLs adaptierter traditioneller Realexperimente unterscheiden sich
wegen der preisgünstigen Elektronikkomponenten und Computer nicht wesentlich von denen
des Realexperiments. Die Materialkosten von RCLs für die Sekundarstufe II und das Grundstudium liegen in der Regel nicht über 4000 €. Inklusive der Arbeitskosten liegen die Gesamtkosten für die Entwicklung von RCLs bei maximal 8000 €.
Bei der Wartung von RCLs sind die Materialkosten gegenüber den hohen tatsächlichen Arbeitskosten vernachlässigbar. Ein geringer Wartungsaufwand für RCLs bei gleichzeitig hoher
Verfügbarkeit kann nur durch ein zentrales Standortkonzept, eine verbesserte Qualitätssicherung in der RCL-Entwicklung und das Aufrechterhalten regelmäßiger Tests der Verfügbarkeit von RCLs erzielt werden.
Die RCLs Radioaktivität, Millikan-Versuch, Rutherfordscher Streuversuch, Lichtgeschwindigkeit und Oszilloskop des RCL-Portals, die ehemaligen RCLs Optische Pinzette und Elektronen im E-Feld und zwei weitere RCLs können auf hohem Niveau so weiterentwickelt werden,
dass ein Qualitätssprung erzielt wird. Vorgeschlagen zur Neuentwicklung werden die RCLs
Leuchtmittel, Optische Kristallographie, Magnetfelder und Trägheitskräfte. Abschließend
werden Entwicklungsrichtungen für innovative neue RCLs vorgestellt, die fehlerhafte Durchführungen von Experimenten erlauben, die Fehlvorstellungen der Lernenden berücksichtigen, die den Vergleich mehrerer Messmethoden erlauben, die eine Einschränkung der Komplexität durch den Nutzer über die Wahl aktiver Eingabeelemente auf der Laborseite erlauben, deren experimentelle Ergebnisse nicht sofort in Einklang mit der Theorie gebracht werden können, die eine Wiedergabe von Ton erlauben und die gezielt eine Vernetzung der Inhalte anstreben.
IV BEISPIELE für RCLs
IV
101
BEISPIELE für RCLs
Es werden die im Rahmen von Staatsexamensarbeiten 108,109 realisierten RCLs Weltpendel
(→ IV.1) und Optische Fourier-Transformation (→ IV.2) in der Entwicklung, im Versuchsaufbau und anhand von Messergebnissen beschrieben. Theoretische Darstellungen von Inhalten der RCLs können den Standard-Lernumgebungen 110,111 entnommen werden.
Die Qualität der RCLs wird abschließend mit dem Qualitätskriterium Konzeption beurteilt.
Verfügbarkeit (← III.1.1.1, Abb. 24) und Interaktivität (← III.1.6, Tab. 16, RCL Weltpendel
und RCL Optische Fourier-Transformation) der RCLs sind bereits geprüft bzw. beschrieben.
Die Barrierefreiheit, Nutzerfreundlichkeit, Funktionalität und Authentizität wurden exemplarisch für alle RCLs des RCL-Portals überprüft (← III.2.1, Tab. 18). Für beide RCLs werden
abschließend Vorschläge zur Optimierung angegeben.
IV.1
RCL Weltpendel
IV.1.1
Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung
1671 reiste der französische Astronom Richer von Paris (geographische Breite φ = 48,8°)
nach Cayenne (geographische Breite φ = 4,9°) in Französisch-Guyana. In Cayenne beobachtete er, dass seine mitgeführte Pendeluhr im Vergleich zu den dortigen Uhren um ca. 2
min/Tag nachging. Er führte bereits damals den Effekt richtigerweise auf eine kleinere Erdbeschleunigung in Cayenne zurück 112: Das Pendel braucht in Cayenne bei konstanter Pendelmasse und verringerter effektiver Gewichtskraft, für eine Schwingung und das Vorrücken
des Sekundenzeigers länger als in Paris.
Heute, über 300 Jahre nach Richer, werden fortlaufend global die Gravitationsfeldstärke auf
der Erdoberfläche mit einem dichten Netz von stationären Messstationen per Fernmessung
durchgeführt. Mit satellitengestützten, beweglichen Messinstrumenten in den Missionen
CHAllenging Minisatellite Payload (CHAMP)113, Gravity Recovery And Climat Experiment
(GRACE)114 und Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE)115 kann
das Schwerefeld der Erde seit 2000 "flächendeckend" gemessen werden.
Zwischen dem Äquator und den Polen nimmt die Erdbeschleunigung von 9,780 m/s2 um
0,052 m/s2 auf 9,832 m/s2 zu. Ursachen sind zwei in gleicher Richtung zusammenwirkende
Effekte: Die Zentrifugalbeschleunigung nimmt von 0,034 m/s2 am Äquator auf null an den Po-
108
109
Vgl. Schuhmacher 2008.
Vgl. Bender 2008.
110
Vgl. RCL-Portal unter RCLs/Weltpendel/Theorie.
111
Vgl. RCL-Portal unter RCLs/Optische Fourier-Transformation/Theorie.
112
Vgl. Kertz, W., Biographisches Lexikon zur Geschichte der Geophysik, unter Richer.
113
Vgl. Geoforschungszentrum Potsdam, The Champ Mission.
114
Vgl. Geoforschungszentrum Potsdan, The Grace Mission.
115
Vgl. Technische Universität München, Goce Projektbüro, Goce Mission.
102
len ab und erklärt ungefähr zwei Drittel der Änderung der Erdbeschleunigung. Die restlichen
0,018 m/s2 sind auf die Zunahme der Gravitationsbeschleunigung zwischen dem Äquator
und den Polen aufgrund der Abplattung der Erde an den Polen zurückzuführen.
Es ist nicht so einfach die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung im Rahmen der
Lehre zu messen: Im g-Ortsfaktor Projekt 116 aus dem Jahr 2006 wurde mit Pendeln an Schulen in Deutschland und der Schweiz Werte der Erdbeschleunigung gemessen, per Mail gesammelt und auf einer Webseite veröffentlicht. Die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung konnte wegen der Größe der Messfehler und zu kleiner Breitengradunterschiede nicht nachgewiesen werden. Ein anderer Vorschlag ist die Breitengradabhängigkeit
der Erdbeschleunigung mit einer selbstgebauten, für Klassenfahrten innerhalb Deutschlands
transportabler Fallapparatur nachzuweisen. 117 Deshalb wurde das RCL Weltpendel entwickelt, um in Echtzeit an mehreren Orten der Erde mit hinreichender Genauigkeit und ohne zu
Reisen über das Internet die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung gemessen
werden kann.
IV.1.2
Wahl des Messverfahrens
Für Messungen der Erdbeschleunigung muss zwischen professionellen, in Wissenschaft und
Technik eingesetzten Gravimetern und Lehrversuchen unterschieden werden: Zur ersten
Gruppe gehören Federgravimeter nach Sam Worden, LaCoste oder Romberg für die relative
Bestimmung der Erdbeschleunigung mit Genauigkeiten bis zu 10 -8 m/s2 und Freifallgravimeter zur absoluten Bestimmung der Erdbeschleunigung mit Genauigkeiten bis zu 10-7 m/s2.
Zur zweiten Gruppe gehören Federwaage, Fallexperimente inklusive Bewegungen auf der
schiefen Ebene, mechanische Schwingungen (Fadenpendel, physisches Pendel, Reversionspendel, Flüssigkeit im U-Rohr) oder eine in einem Zylinder rotierende Flüssigkeit. Im Folgenden wird die Wahl des Messverfahrens beim RCL Weltpendel begründet:
 Ungeeignete oder bedingt geeignete Messverfahren
Einfache Federwaagen zur absoluten Bestimmung der Erdbeschleunigung sind zu ungenau. Eine relative Bestimmung der Erdbeschleunigung nach dem Astasierungsprinzip von
Federgravimetern ist für Lernende uninteressant und der Transport des Federgravimeters
zwischen Messstationen ist als RCL nicht realisierbar. Die genannten Experimente mit
Flüssigkeiten sind zu ungenau, weil die Schwingung einer Flüssigkeit ist zu stark gedämpft ist und der entstehende Flüssigkeitsparaboloid nicht genau genug vermessen
werden kann. Für ein RCL sind die Experimente auch nicht wartungsfrei.
Bei Fallversuchen zur Bestimmung der Erdbeschleunigung sollte die Reibung minimal
sein, weil diese nur schwer berechenbar ist. Ebenso sollte die Anzahl der zu messenden
116
Vgl. Krahmer, P., g-Ortsfaktor Projekt.
117
Vgl. Schwarz 2005.
103
Parameter minimal sein, da jeder mehr zu messende Parameter den Fehler beim Bestimmen der Erdbeschleunigung erhöht. Am günstigsten ist der senkrechte Fall im Vakuum mit nur einer Ortskoordinate, weil bei anderen Fallversuchen Luft-, Roll- oder Gleitreibung auftritt und zwei Ortskoordinaten benötigt werden. Ein RCL nach dem Prinzip eines
Freifallgravimeters mit Vakuum verursacht wegen der Vakuumpumpen für mehrere
Standorte zu hohe Kosten.
Ein sehr eleganter Fallversuch die Erdbeschleunigung trotz Luftreibung möglichst genau
zu bestimmen ist folgender 118: Die Erdbeschleunigung wird für Kugeln mit gleichem
Durchmesser aus Materialien unterschiedlicher Dichte bzw. Masse gemessen. Der jeweils
gemessene Wert der Erdbeschleunigung wird über der reziproken Kugelmasse aufgetragen und nimmt mit steigender Kugelmasse bzw. geringerem Einfluss der Luftreibung auf
die Kugelbewegung zu. Der Schnittpunkt einer nach der Methode der kleinsten Quadrate
ermittelten Ausgleichsgeraden mit der vertikalen Achse ergibt den gesuchten Wert der
Erdbeschleunigung für eine unendlich große Kugelmasse. Mit 4 Kugeln aus Wolfram,
Stahl, Aluminium und PVC, einer auf 0,1 mm genauen Strecken- und auf 20 μs genauen
Zeitmessung mit drei Lichtschranken (wegen der unbekannten Zeitverzögerung beim
pneumatischen Loslassen der Kugeln) wurde die Erdbeschleunigung auf 0,003 m/s2 genau bestimmt. Als RCL sind Fallexperiment ohne oder mit Luftreibung wegen der aufwendigen Mechanik für die Rückführung und Auslösung der Kugel und der im Webcambild
nicht beobachtbaren Fallbewegung nur bedingt geeignet.
Mit einem früher noch als Gravimeter verwendeten Reversionspendel können Messgenauigkeiten von bis zu 10-5 m/s2 erzielt werden. Bei richtig eingestellter Massenverteilung des Pendels stimmen die Schwingungsdauern T 1 und T 2 der Schwingungen um zwei
im Abstand l angebrachte Drehachsen überein. In die Bestimmung der Erdbeschleunigung geht nach g = 4π2l/T2 nur der Abstand l und die Schwingungsdauer T = T 1 = T 2 ein.
Ein als RCL ausgeführtes Reversionspendel kann als physisches Pendel nur in der Hochschule eingesetzt werden und der Aufwand für die ferngesteuerte Mechanik zum Verschieben der Massen ist zu hoch.
 Messverfahren beim RCL Weltpendel
Bei der Bestimmung der Erdbeschleunigung in der Schule mit einem Fadenpendel und
der FormeI für die Schwingungsdauer eines mathematischen Pendels entsteht durch die
Bestimmung der Erdbeschleunigung im mathematischen anstatt im physischen Pendelmodell ein unbekannter systematischer Fehler. Es wird angenommen, dass dieser systematische Fehler durch einen möglichst dünnen Faden und eine möglichst kleine Kugel
hoher Dichte gegenüber den statistischen Fehlern der Längen- und Zeitmessung für schulische Zwecke vernachlässigbar ist. Für ein RCL zur Bestimmung der Breitengradabhängigkeit ist der Fehler aber nicht mehr vernachlässigbar, wenn angenommen wird, dass die
Erdbeschleunigung mindestens auf 0,1 · 0,052 m/s2 = 0,0052 m/s2 genau bestimmt werden muss.
118
Vgl. Schoch 1991.
104
Daher wurde für den schulischen Einsatz des RCLs ein Fadenpendel so dimensioniert,
dass die Bestimmung der Erdbeschleunigung im mathematischen und physischen Pendelmodell zum gleichen Wert der Erdbeschleunigung führt: Der relative Fehler f = (g m g p )/gp für die im mathematischen Pendelmodell bestimmte Erdbeschleunigung g m gegenüber der im physischen Pendelmodell bestimmten Erdbeschleunigung g p ist mit dem Kugelradius r k , Kugeldichte ρ K , Drahtradius r D , Drahtlänge l D , Drahtdichte ρ D sowie Trägheitsmoment J A und Masse m A der Aufhängung gegeben durch
1
4
2 2
3
gm − gp (lD + rK )[mA lSA + 2 ρD πrD lD + 3 ρK πrK (lD + rK )]
f =
=
− 1.
1
8
4
gp
JA + ρD πrD 2lD3 +
ρK πrK 5 + ρK πrK 3 (lD + rK )2
3
15
3
In Abb. 36 ist der vom Auslenkwinkel α unabhängige relative Fehler f über dem Kugelradius r K für näherungsweise gleiche Daten von Draht und Kugel der fünf Pendel aufgetragen (→ Anhang X.12):
Abb. 36: Relativer Fehler f der Bestimmung der Erdbeschleunigung im mathematischen Pendelmodell in Abhängigkeit vom Kugelradius r K des
Pendels.
Der Kugelradius r K wurde als unabhängige Variable gewählt, weil andere Parameter nicht
völlig frei gewählt werden konnten: Die Drahtlänge l D musste für einen kleinen statistischen Fehler der Längenmessung möglichst groß, das Pendel aber noch kleiner als eine
Raumhöhe von ungefähr 3 m sein. Der Drahtradius r D muss mindestens so groß sein,
dass die Zugfestigkeit des Drahtes durch das Gewicht der Kugel nicht überschritten wird.
Als Kugelmaterial konnte kein Blei gewählt werden, da sonst der Auslenkmechanismus
des Pendels mit einem Magneten (→ IV.1.3, Abb. 37) nicht funktioniert. Als Radius r K der
Pendelkugeln wurde für verschwindenden Fehler f nach Abb. 36 ein Wert von 4,274 cm
gewählt.
105
Da die Bestimmung der Erdbeschleunigung im mathematischen und physischen Pendelmodell zum gleichen Wert der Erdbeschleunigung führt (→ IV.1.4, Tab. 28), kann die erforderliche Messgenauigkeit der Strecken- oder Zeitmessung nach
g=
4π2lM
∆g ∆lM
∆T
⇒ =
+ 2⋅
2
g
lM
T
T
abgeschätzt werden: Für eine mittlere Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s2 und eine Pendellänge l M = l D + r K = 2,7 m beträgt die Schwingungsdauer T = 3,3 s. Für Δg = 0,005 m/s2 und einer mechanischen Apparatur zur direkten Messung der Pendellänge auf etwa 55 μm genau 119 muss der Fehler ΔT der Zeitmessung kleiner als 0,8 ms sein.
IV.1.3
Versuchsaufbau und Laborseite
In Abb. 37 ist der Versuchsaufbau des Weltpendels dargestellt. Vor Inbetriebnahme wird die
Position und Höhe des Grundbretts (1) mit den Aufbauten über vier als Schrauben ausgeführte Standbeine (2) der Position und Höhe der Kugel (3) des Pendels über dem Boden angepasst.
Abb. 37: Versuchsaufbau des Weltpendels. Grundbrett (1), Standbeine (2), Kugel (3), Elektromagnet (4), Schlitten (5), Schlittenführung (6), Schrittmotor (7) mit Welle (8), Seilzug (9), Umlenkrolle (10), Zugfeder (11), Interface (12), Taster (13), Teflonfolie (14), Eisenbande (15),
Lineal (16), Laserdiode (17), Laserhalter (18), Lochblende (19), Lichtsensor (20), Messelektronik (21) und Laserjustierung (22).
Der Auslenkmechanismus, bestehend aus Elektromagnet (4), Schlitten (5), Schlittenführung
(6), Schrittmotor (7), Welle (8) Seilzug (9), Umlenkrolle (10) und Zugfeder (11), erlaubt mit
Hilfe einer im Mikrocontroller des Interface (12) programmierten Fangroutine die Kugel aus
119
Vgl. RCL-Portal unter RCL/Weltpendel/Aufbau, 1..
106
jedem Bewegungszustand heraus mit dem gesteuerten Elektromagneten festzuhalten. Ein
bei jedem Auslenkvorgang betätigter Taster (13) justiert den Auslenkmechanismus stets neu.
Mit der Teflonfolie (14) wird beim Auslenken des Pendels ein möglichst reibungsfreies Gleiten der Kugel entlang der Schenkel des Elektromagneten erzielt. Die verbleibende Reibung
und eine nicht exakt im Kugelmittelpunkt angreifende magnetische Kraft können dazu führen,
dass der Kugelmittelpunkt nicht auf der gedachten Verlängerung des Pendeldrahts liegt und
das Pendel nach dem Ablösen der Kugel vom Elektromagneten kleine Kippschwingungen
ausführt. Zwei Eisenbanden (15), davon eine mit Lineal (16) zur Abschätzung der Kugelauslenkung, verhindern bei Fangfehlversuchen ein seitliches Verlassen der Kugel aus der
Schwingungsebene.
Die Lichtschranke, bestehend aus Laserdiode (17), Laserhalter (18), Lochblende (19),
Lichtsensor (20), Messelektronik (21) und Laserjustierung (22) zur Ausrichtung der Laserdiode auf die Lochblende, erlaubt die Messelektronik eine auf 8 μs genaue Zeitmessung. Reflexions- und Beugungseffekte des Laserstrahls an der Kugeloberfläche und die beschriebenen
Kippschwingungen beeinflussen den Schaltzeitpunkt der Lichtschranke und vergrößern den
Messfehler der Zeitmessung auf 0,1 ms.
In Abb. 38 ist die Laborseite des RCL Weltpendels in Kaisersesch und eine Skizze des Pendels mit Längenangaben für die Auswertung im mathematischen Pendelmodell dargestellt:
Abb. 38: Laborseite des RCL Weltpendel am Standort Kaisersesch (links) und Längenangaben des
Pendels (rechts).
Unter Pendelauslenkung kann der anfängliche Auslenkwinkel α o des Pendels gewählt und
die Auslenkung des Pendels gestartet werden. Nachdem der Magnet sich wieder in der Ruheposition befindet, beginnt die interne Messung der Schwingungsperiode n und der Gesamtzeit t. Nach Betätigen des Buttons Messen wird die Schwingungsperiode n, die dazugehörige Periodendauer T, der momentane Auslenkwinkel α und die Gesamtzeit t ausgegeben.
107
Die temperaturabhängige Pendellänge l M (ϑ) kann nach dem Messen der Raumtemperatur ϑ
und anhand der unterhalb des Webcambilds angegeben Daten nach l M (ϑ ) = l D,0 + α D ⋅(ϑ - 20
°C) + r K bestimmt werden. Während des Experimentierens kann bei kleinen Auslenkwinkeln
im mathematischen (m), näherungsweise harmonischen (h) Pendelmodel die Erdbeschleunigung nach g m,h = 4π2l M /T2 bestimmt werden.
IV.1.4
Messergebnisse und Auswertungen
In Tab. 28 sind unter Daten die geographische Breite φ, geographische Länge λ und Höhe h
über NN der Standorte von Pendeln mit Google Earth 120 gebäudegenau (Δφ < 0,001°, Δλ <
0,001°) angegeben. Höhenkorrigierte experimentelle Werte g PTP der Erdbeschleunigung
(Δg PTB ≈ 0,0002 m/s2) können dem Gravity Information System (GIS) der PhysikalischTechnischen Bundesanstalt (PTB)121 entnommen werden.
Aden
(Jemen)
Daten
Standort
Messungen
Kaisersesch
(Deutschland)
Hermannsburg
(Deutschland)
Riga
(Litauen)
Geographische Breite φ in °
12,818
40,839
50,231
52,832
56,930
Geographische Länge λ in °
45,032
14,186
7,151
10,100
24,121
Höhe h über NN in m
3
6
458
57
11
PTB-Erdbeschleunigung
2
g PTB in m/s
9,7829
9,8026
9,8099
9,8130
9,8164
Welmec-Erdbeschleunigung
2
g W (φ,h) in m/s
9,7829
9,8024
9,8095
9,8130
9,8167
Raumtemperatur ϑ in °C
24,50
19,75
22,25
18,75
Auslenkwinkel α in °
g im Pendelmodel mit Auftrieb
Neapel
(Italien)
Schwingungsdauer
T in s
20,50
0,82
9,49
1,25
9,75
0,85
9,85
0,81
9,85
0,83
9,90
3,29937
3,30447
3,29639
3,30244
3,29511
3,30114
3,29489
3,30163
3,29223
3,29883
3,29924
3,30467
3,29813
3,30236
3,29554
3,30111
3,29492
3,30157
3,29226
3,29875
3,29986
3,30475
3,29584
3,30228
3,29512
3,30112
3,29498
3,30152
3,29244
3,29875
3,29927
3,30486
3,29587
3,30230
3,29492
3,30105
3,29491
3,30154
2,29224
3,29875
3,29942
3,30508
3,29573
3,30223
3,29492
3,30105
3,29479
3,30143
3,29245
3,29872
Mittelwert T in s
3,29943
3,30477
3,29639
3,30232
3,29516
3,30109
3,29490
3,30154
3,29232
3,29876
Harmonisch, mathematisch g m,h
2
in m/s
9,7838
9,7522
9,8034
9,7683
9,8091
9,7739
9,8159
9,7759
9,8150
9,7768
Δg m,h = g m,h - g PTB
2
in m/s
+0,0010
-0,0306
0,0008
-0,0343
-0,0008
-0,0360
+0,0029
-0,0371
-0,0014
-0,0396
Anharmonisch, mathematisch
2
g m,a in m/s
9,784034 9,785744 9,804066 9,803756 9,809446 9,810169 9,816200 9,812664 9,815329 9,813370
Anharmonisch, physisch g p,a
2
in m/s
9,784100 9,785781 9,804105 9,803793 9,809404 9,810126 9,816240 9,812703 9,815376 9,813416
g p,a - g m,a
2
in m/s
0,000034 0,000037 0,000039 0,000037 -0,000042 -0,000043 0,000040 0,000039 0,000047 0,000046
Δg p,a = g p,a - g PTB
2
in m/s
+0,0012
+0,0029
0,0016
0,0013
-0,0005
+0,0002
+0,0032
-0,0003
Tab. 28: Messungen an den Standorten des RCLs Weltpendel.
120
Vgl. Google Earth.
121
Vgl. Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Gravity Information System unter Gravity.
-0,0010
-0,0030
108
Analytisch kann die Erdbeschleunigung an den Standorten mit der auf dem Normalschwerefeld der Erde basierenden Normalschwere- bzw. Welmec-Formel
=
gW (ϕ,h) 9,780318 ⋅ [1 + 0,0053024 ⋅ sin2 ϕ − 0,0000058 ⋅ sin2 (2ϕ)] −
0,000003085
m
⋅h 2
m
s
bestimmt werden. 122 Der aus dem Gravitationsgesetz abgeleitete, linearisierte Korrekturterm
für die Höhe h berücksichtigt die Abnahme der Erdbeschleunigung bei zunehmender Höhe h
und fehlender Masse über dem Referenzellipsoiden, weshalb der Term als Freiluftkorrektur
bezeichnet wird. Vorhandene Massen und Dichteverteilungen (Anomalien) führen zu Differenzen zwischen g PTB und g w , die an den Standorten maximal 0,0004 m/s2 betragen und ungefähr um den Faktor 10 unterhalb der Messgenauigkeit der Pendel liegen. In Tab. 28 sind
unter Messungen die Raumtemperatur ϑ an den Standorten zur Bestimmung der temperaturabhängigen Pendellänge angegeben. Die Schwingungsdauer der Pendel wurde zum Vergleich mit auf 0,003 m/s2 Referenzmessungen 123 bei kleinstem (≈ 1°) und größtem Auslenkwinkel (≈ 10°) gemessen. Messfehler in der Zeitmessung z. B. durch Kippschwingungen des
Pendels (← IV.1.3) wurden durch fünfmaliges Messen der Schwingungsdauer T innerhalb
von weniger als 15 Schwingungen und Mittelwertbildung ausgeglichen. Bei größten Auslenkwinkeln nahm wegen der "exponentiell" verlaufenden Dämpfung (→ IV.1.4, ▪ Dämpfung
der Pendel) der Auslenkwinkel merklich, aber um weniger als ungefähr 0,1° ab. Angegeben
ist der Mittelwert der Auslenkwinkel aus erster und zuletzt gemessener Schwingung.
In Tab. 28 sind unter g im Pendelmodel mit Auftrieb die Erdbeschleunigung im mathematischen (m) und physischen (p) Pendelmodell für den harmonischen (h) und anharmonischen
(a) Fall unter Berücksichtigung des Auftriebs der Pendel in Luft (Δg = 0,0016 m/s2) aus den
Messwerten und der Geometrie der Pendel ermittelt (→ Anhang X.12). Im mathematischen,
harmonischen Pendelmodel weichen die Erdbeschleunigungen g m,h bei kleinsten Auslenkwinkeln maximal um 0,0029 m/s2 von den PTB-Werten ab. Der weit über 0,003 m/s2 liegende
Fehler in diesem Pendelmodell bei größtem Auslenkwinkel zeigt, welchen Einfluss die Anharmonizität eines Pendels auf die Bestimmung der Erdbeschleunigung hat. Die im anharmonischen, mathematischen und physischen Pendelmodell bis auf 0,00005 m/s2 übereinstimmenden Erdbeschleunigungen g m,a und g p,a zeigen, dass die Pendel richtig dimensioniert wurden. Der Vergleich von g p,a mit den Werten der PTB zeigt, dass der Messfehler aller
Pendel übereinstimmend mit den Referenzmessungen weniger als 0,0032 m/s2 beträgt.
122
Vgl. Schwartz 2002, S. 4.
123
Vgl. Schuhmacher 2008, S. 79-86.
109
In Abb. 39 werden die im physischen, anharmonischen Pendelmodell experimentell bestimmten Werte g p,a der Erdbeschleunigung mit dem Graphen der Welmec-Formel für h = 0
m verglichen:
Abb. 39: Vergleich von Theorie und Experiment der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung.
Nur beim Standort Kaisersesch konnte für den Vergleich die Höhenabhängigkeit der Erdbeschleunigung von etwa 0,003 m/s2 pro 1000 m nicht vernachlässigt werden und der experimentelle Wert der Erdbeschleunigung wurde um 0,0015 m/s2 nach unten korrigiert. Abb. 39
zeigt, dass Experiment und Theorie im Rahmen von Messfehlern und Annahmen auf ± 0,003
m/s2 übereinstimmen.
Zur umfassenderen Überprüfung der Messgenauigkeit und Stabilität der Weltpendel sowie
zur Darstellung erweiterter Mess- und Auswertungsmöglichkeiten wurde exemplarisch am
Weltpendel Kaisersesch ungefähr alle 3 min jeweils kurz vor dem automatischen Ausloggen
die Schwingungsperiode n, die Schwingungsdauer T, der Auslenkwinkel α und die Gesamtzeit t für Auslenkwinkel zwischen 1,4° und 10° bei der Temperatur ϑ = 23 °C gemessen (→
Anhang X.13):
 Fehler der Erdbeschleunigungsbestimmung für alle Auslenkwinkel
Zu jedem Auslenkwinkel α wurde die Erdbeschleunigung g p,a und der Fehler Δg = g p,a g PTB bestimmt. Verlauf und Größe der in Abb. 40 dargestellten Fehler stimmen mit der Referenzmessung 124 überein.
124
Vgl. Schuhmacher 2008, S. 83.
110
Abb. 40: Fehler der Erdbeschleunigungsbestimmung beim RCL
Weltpendel Kaisersesch.
 Anharmonizität
Die Schwingungsdauer T theo wird aufgrund der Anharmonizität der Pendel nach
Ttheo (α ) = 2π
J
(m − ρL V)glS
2
2
  1 2

 α   1⋅ 3 
 1⋅ 3 ⋅ 5 
α
4 α
⋅ 1 +   sin2   + 
sin
+
sin6   + ...





 2  2⋅4
 2  2⋅4⋅6
2
  2 

= T0 ⋅ k(α )
mit zunehmendem Auslenkwinkel α größer. Die Schwingungsdauer T 0 im harmonischen
Fall für verschwindend kleinen Auslenkwinkel α → 0 wurde aus den Pendeldaten (→ Anhang X.12) ermittelt. Beim Anharmonizitätsfaktor k wurden die Summanden bis zur Potenz acht berücksichtigt. Abb. 41 zeigt, dass die gemessenen Werte der Schwingungsdauer T sehr gut mit dem theoretischen Verlauf der Schwingungsdauer T theo übereinstimmen.
Abb. 41: Anharmonizität des RCL Weltpendel Kaisersesch.
111
 Dämpfung der Pendel
Wie Abb. 42 zeigt, nimmt der Auslenkwinkel α innerhalb von ca. 3,5 h von 10° auf ungefähr 1,5° ab. Die Dämpfung kann nicht durch eine einheitliche Exponentialfunktion beschrieben werden. Vermutlich dominiert bei kleinen Auslenkwinkeln die Dämpfung durch
eine in erster Näherung geschwindigkeitsproportionale Gleitreibungskraft der Pendelaufhängung, die theoretisch durch eine Exponentialfunktion beschrieben wird. Bei großen
Auslenkwinkeln und höheren Geschwindigkeiten der Pendelmasse dominiert eine zum
Quadrat der Geschwindigkeit proportionale Newton´schen Reibungskraft der Luft, bei der
theoretisch keine exponentielle Abnahme des Auslenkwinkels vorliegt.
Abb. 42: Dämpfung des RCL Weltpendel Kaisersesch.
 Bestimmung der Erdbeschleunigung im realen Pendelmodel
Die Erdbeschleunigung kann mit der geforderten Genauigkeit auch im realen Pendelmodel (Index r), dem physischen Pendelmodel mit geschwindigkeitsproportionaler Reibungskraft, bestimmt werden. Aus zwei Messungen n 1 , T 1 , α 1 , t 1 und n 2 , T 2 , α 2 , t 2 kann mit
α1
α1 + α 2
α2
T1 + T2
=
α
=
=
δ
T
2
2
t 2 − t1
ln
und
 4 π2
2
 2 + δ ⋅J
T
 ⋅ k 2 (α )
gr,a 
=
(m − ρL V) ⋅ lS
die Erdbeschleunigung bestimmt werden. Die schlechteste Wahl der beiden Auslenkwinkel nach Abb. 42 mit n 1 = 61, T 1 = 3,30037 s, α 1 = 9,28°, t 1 = 201,35 s, n 2 = 3817, T 2 =
3,29505 s, α 2 = 1,38° und t 2 = 12580,34 s ergibt: Dämpfungskonstante δ = 0,000153953
112
s-1, Erdbeschleunigung g r,a = 9,8048 m/s2 und Fehler Δg = g r,a - g PTB = -0,0051 m/s2, der
knapp außerhalb der geforderten Genauigkeit liegt.
Realistischer Weise werden Besucher nicht mehrere Stunden, sondern beispielsweise 15
min und im Rahmen der Lehre zur Beobachtung der Dämpfung bei großen Auslenkwinkeln messen. Mit n1 = 61, T 1 = 3,30037 s, α 1 = 9,28°, t 1 = 201,35 s, n 2 = 954, T 2 =
3,29601 s, α 2 = 4,25° und t 2 = 3145,96 s folgt: Dämpfungskonstante δ = 0,000265211 s-1,
Erdbeschleunigung g r,a = 9,8083 m/s2 und Fehler Δg = g r,a - g PTB = -0,0016 m/s2.
IV.1.5
Konzeption des RCLs
Im Folgenden wird das RCL Weltpendel anhand der Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Konzeption (← III.1.5, Tab. 15) bewertet:
 Zielgerichtetheit: Richtziel, Schulstufe/Studienabschnitt und Lehrplan
Das RCL Weltpendel trägt dazu bei, die Idealvorstellung von der Erde als Kugel zu relativieren und geometrische Modelle der Erde zu betrachten. Lernende können exemplarisch
erkennen, dass ein beobachteter Effekt aus zwei in gleiche Richtung wirkende Einzeleffekte zusammengesetzt sein kann (Breitengradabhängigkeit der Gravitationskraft und der
Zentrifugalkraft). Mit dem RCL Weltpendel kann die Frage nach der notwendigen Genauigkeit eines Messinstruments zum Messen eines Effekts thematisiert werden.
Die Pendeldimensionierung (← IV.1.2) erlaubt die Bestimmung der Erdbeschleunigung
mit gleicher Genauigkeit im mathematischen Pendelmodell zum Einsatz des RCLs Weltpendels in der Sekundarstufe II und im physischen Pendelmodell zum Einsatz im Grundstudium. Die Anwendung immer komplexerer Pendelmodelle in einem Experiment schafft
einen Übergang zwischen Schul- und Hochschulinhalten.
In den Lehrplänen der Länder ist die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung
nicht enthalten. Einige Schulbücher125,126 und Hochschulbücher 127 thematisieren die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung, dem Phänomen Gezeiten wird aber mehr
Beachtung geschenkt. Das RCL Weltpendel kann im Standardunterricht bei mechanischen Schwingung und der Gravitation eingesetzt werden.
 Experimente: Fachliche Richtigkeit, Mehrwert, Vernetzung und Vollständigkeit
Die Auswertungen der Messungen mit dem RCL Weltpendel Kaisersesch (← IV.1.4, Tab.
28, Abb. 39, Abb. 40, Abb. 41, ▪ Bestimmung der Erdbeschleunigung im realen Pendelmodell) belegen die fachliche Richtigkeit des RCLs Weltpendel.
Das RCL Weltpendel verfügt über Mehrwerte in den Bereichen experimentelle Features,
Lehr-Lernorganisation und Inhalt (← III.3.1, Tab. 22, RCL Weltpendel).
125
Vgl. z. B. Grehn 2007, S. 88}.
126
Vgl. z. B. Boysen 1997, S. 74-75.
127
Vgl. Demtröder 2006, S. 78.
113
Vernetzungen werden hergestellt indem zum Verständnis des Pendels als Erdbeschleunigungsmesser und der Erklärung der Breitengradabhängigkeit Inhalte zu mechanischen
Schwingungen, zum Trägheitsmoment, zur Gravitation, zu Trägheitskräften und zur
Messgenauigkeit von Größen benötigt werden.
Das RCL Weltpendel ist unvollständig, da auf der Südhalbkugel keine Messungen durchgeführt werden können (→ IV.1.6, ▪ Weitere Pendel) und die Höhenabhängigkeit der Erdbeschleunigung nicht nachgewiesen werden kann (→ IV.1.6, ▪ Messungen mit physischen
Pendeln).
IV.1.6
Optimierung des RCLs
Das RCL Weltpendel kann in zwei Punkten optimiert werden:
 Weitere Pendel
Mit drei weiteren Pendeln auf der Nordhalbkugel bei ungefähr φ = 0°, 30° und 75° kann
ein vollständigerer Vergleich zwischen experimentell bestimmten Werten der Erdbeschleunigung und der Welmec-Formel erzielt werden (← IV.1.4, Abb. 39). Mindestens
zwei weitere Pendel sollten auf der Südhalbkugel positioniert werden, um die Symmetrie
von g(φ) zu zeigen. Sinnvoll sind auch zwei Pendel mit gleichem Breiten- und unterschiedlichem Längengrad, um exemplarisch die Unabhängigkeit der Erdbeschleunigung
vom Längengrad zu zeigen.
 Messungen mit physischen Pendeln
Für Schulzwecke stehen zur Untersuchung der Breitengradabhängigkeit genügend speziell dimensionierte Fadenpendel bereit (← IV.1.2, ▪ Messverfahren beim RCL Weltpendel).
Weitere Pendel können als physische Pendel mit präzise gefertigtem, um eine Drehachse
schwingenden starren Pendelkörper von einfach zu berechnendem Trägheitsmoment und
Schwerpunkt (z. B. Rund- oder Vierkantstab) ausgeführt werden. Der einzige Freiheitsgrad erlaubt einen einfacheren Auslenkmechanismus bestehend aus einem horizontal
beweglichen und zurückziehbarem Stift. Am unteren Ende des Pendels kann eine scharfe
Schneide den Laserstrahl der Lichtschranke viel abrupter als bisher unterbrechen und
dadurch die Genauigkeit der Zeitmessung steigern. An der Drehachse kann der momentane Auslenkwinkel elektronisch und berührungslos mit einer Genauigkeit von ungefähr
0,1° gemessen werden. Voraussichtlich verbessern diese Maßnahmen die Genauigkeit
der Erdbeschleunigungsbestimmung um den Faktor 10 auf ungefähr 0,0001 m/s2, so dass
auch die Höhenabhängigkeit der Erdbeschleunigung nachweisbar wird. Zu prüfen ist, ob
die Standorte der Pendel so gelegt werden können und sollen, dass Anomalien gegenüber der Höhenabhängigkeit vernachlässigt werden können oder nicht.
IV.2
RCL Optische Fourier-Transformation
IV.2.1
114
Mit der Fourier-Transformation schuf der französische Mathematiker Jean Baptiste Joseph
Fourier im Jahre 1822 eine für die Natur- und Ingenieurwissenschaften bedeutende IntegralTransformation. Mathematisch handelt es sich um eine Verallgemeinerung von FourierReihen für periodische Funktionen auf nicht-periodische Funktionen. Von zeitabhängigen
Signalen kann mit der eindimensionalen Fourier-Transformation das Frequenzspektrum ermittelt werden. Ein Teilgebiet der Physik, die Fourieroptik, nutzt die zweidimensionale Fourier-Transformation zur wellentheoretischen Analyse und Manipulation von optischen Abbildungen. Die dreidimensionale Fourier-Transformation wird in der Röntgenstrukturanalyse
eingesetzt, um aus der an Kristallen gebeugten Röntgenstrahlung, die Kristallstruktur zu berechnen. Weiterentwicklungen der Fourier-Transformation wie die Discrete FourierTransform (DFT) zur Ausführung der Fourier-Transformation auf Computern und ein Algorithmus, die Fast Fourier-Transform (FFT), zur schnelleren Berechnung der FourierTransformierten bei der DFT, erlauben heute die Fourier-Transformation fast beliebiger
Funktionen.
Eine Internetrecherche nach Praktikumsversuchen 128,129,130,131,132,133 zur optischen FourierTransformation und Fourieroptik ergibt folgende Inhalten: Intensitätsverteilung eines Beugungsmusters ist Quadrat der Fourier-Transformierten des Beugungsobjekts, Eigenschaften
der Fourier-Transformation, Modellierung der Streuung von Röntgenstrahlen an Atomen
(Form- und Strukturfaktor) und Raumfilterung (Abbe´sche Mikroskoptheorie, Entrasterung
von Bildern). Idee zum RCL Optische Fourier-Transformation war, mit einer Vielzahl von
Beugungsobjekten möglichst viele mathematische Eigenschaften der Fourier-Transformation
zu visualisieren und die Struktur der Beugungsmuster zweidimensionaler, periodischer Beugungsobjekte untersuchen zu können.
IV.2.2
Fourier-Transformation und Fraunhofer´sche Beugung
Betrachtet wird in Abb. 43 die Beugung von kohärentem, monochromatischem Licht (Wellenlänge λ, Betrag k = 2π/λ des Wellenvektors) an einer zweidimensionalen, beliebig geformten
und im Allgemeinen nicht zusammenhängenden Blendenöffnung in der x-y-Ebene:
128
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Versuchsanleitung Abbe´sche Mikroskoptheorie im Fortgeschrittenenpraktikum.
129
Vgl. Universität Erlangen-Nürnberg, Versuchsanleitung Optische Transformation im Röntgenpraktikum.
130
Vgl. Technische Universität Chemnitz, Versuchsanleitung Fourieroptik im Praktikum Festkörperphysik.
Vgl. Universität Münster, Experimentelle Übung Optische Fourier-Transformation.
131
132
Vgl. Universität Heidelberg, Versuchsanleitung Fourieroptik im Physikalischen Anfängerpraktikum.
133
Vgl. Universität Göttingen, Versuchsanleitung Fourieroptik im Master Forschungspraktikum, Zugang seit SS 2011 nur noch
für Studierende.
115
Abb. 43: Fourier-Transformation der Blendenfunktion
f(x,y) in die Fourier-Transformierte F(X,Y).
Welche Lichtintensität I F (X,Y) wird auf dem Schirm im Punkt P in der zum Beugungsobjekt
parallelen X-Y-Ebene unter der Voraussetzung, dass der Schirmabstand s sehr viel größer
als die maximale Ausdehnung der Blendenöffnung ist (Fraunhofer´sche Beugung), beobachtet? Liegt unmittelbar hinter der Blendenöffnung zu einem beliebigen Zeitpunkt eine örtliche
Verteilung f(x,y) der komplexen Amplituden der elektrischen Feldstärke vor, dann ergibt eine
konsequente Anwendung des Huygens-Fresnelschen Prinzips und die Kleinwinkelnäherung
k x = k ⋅ sin α ≈
2π
X
λs
k y = k ⋅ sin β ≈
2π
Y,
λs
dass die komplexe Amplitude F(k x ,k y ) der elektrische Feldstärke im Punkt P gegeben ist
durch
∞ ∞
=
F(k x ,k y )
∫ ∫ f(x, y) ⋅ e
− i(k x x + k y y )
dxdy . 134
−∞ −∞
Danach ist F(k x ,k y ) die Fourier-Transformierte von f(x,y). Beobachtet werden kann auf dem
Schirm nicht die elektrische Feldstärke F(X,Y), sondern die Lichtintensität
2
IF (X, Y) : F(X, Y) ⋅ F∗ (X, Y) =
F(X, Y) .
Im Folgenden wird auf unterschiedliche Bezeichnungen von mathematischen und physikalischen Größen verzichtet, um die Anzahl der Größenbezeichnungen übersichtlich zu halten.
Die mathematischen Bezeichnungen werden im Hinblick auf die Formulierung der Eigenschaften der Fourier-Transformation (→ IV.2.5) gewählt.
Die Beugungsobjekte des RCLs werden senkrecht mit parallelem Laserlicht bestrahlt und
lassen Licht nur an den vorgesehen Blenden ohne Absorptionen und Phasenverschiebungen
passieren. Daher ist f(x,y) identisch mit der Feldstärkeverteilung im Querschnitt des Laser-
134
Vgl. z. B. Pérez 1996, S. 328-339.
116
strahls. Vom Strahlprofil des Lasers wird nur ein kleiner, um die Strahlachse liegender Bereich verwendet, so dass der Betrag der Feldstärke als konstant angenommen werden kann.
Die Feldstärkeverteilungen f(x,y) sind daher reelle Null-Eins-Funktionen und werden im Folgenden als Blendenfunktionen bezeichnet. Blendenfunktionen werden mit Kleinbuchstaben
(f, g, h), die zugeordneten Fourier-Transformierten mit Großbuchstaben (F, G, H) und die
zugeordneten Intensitätsverteilungen mit I und Index der Fourier-Transformierten (I F , I G , I H )
bezeichnet. Bei aus Einzelformen zusammengesetzten Beugungsobjekten werden für die
Einzelform die speziellen Bezeichnungen f E , F E und I E verwendet. Die Bildung der FourierTransformierten eines Ausdrucks wird mit FT[Ausdruck] angegeben.
IV.2.3
Beugungsobjekte
IV.2.3.1
Auswahl
Zweidimensionale Beugungsobjekte bestehen aus lichtdurchlässigen Einzelformen die Gitterpunkte eines Punktgitters auf einem lichtundurchlässigen Material besetzen. Die Einzelformen können einheitlich oder uneinheitlich in Größe, Form oder Orientierung sein. Die Gitterpunkte können ein regelmäßiges, recht- oder schiefwinkliges Punktgitter bilden oder sie
können mit Übergängen zwischen völlig unregelmäßig und regelmäßig angeordnet sein.
Kombinationen dieser Variationsmöglichkeiten und unterschiedliche Abmessungen ergeben
eine große Anzahl zweidimensionaler Beugungsobjekte. Allen Beugungsobjekten ist gemeinsam, dass das Punktgitter bzw. das Beugungsobjekt durch das Material räumlich begrenzt ist oder gezielt begrenzt werden kann.
Der Auswahl aus dieser Vielzahl von Beugungsobjekten kommt ein hoher Stellenwert zu, da
darüber die Inhalte des RCLs Optische Fourier-Transformation festgelegt werden. Die in
Tab. 29 dargestellten Beugungsobjekte wurden so gewählt, dass damit die Eigenschaften
der Fourier-Transformation und Strukturen von Beugungsmustern untersucht werden können:
Einzelformen
50
2
48
3
33
4
16
5
6
Kreise auf Strecken
und gekreuzte Spalte
1
Einzelformen an den
Ecken von Formen
Anzahl
Kreise in durch Rechteck begrenztem quadratischem Gitter
Varianten
Kreise in durch Einzelformen begrenztem quadratischen Gitter
Nr. Gruppe
117
6
3
Tab. 29: Übersicht der Beugungsobjekte.
Einzelformen der Gruppe 1 sind durch maximal zwei Abmessungen a und b festgelegt.
Gruppe 2 enthält geometrische Figuren deren Ecken mit Einzelformen besetzt sind und auf
Kreisen mit Durchmesser D verteilte Einzelformen. Gruppe 3 enthält Beugungsobjekte zur
118
Untersuchung des wichtigen Spezialfalls eines rechteckförmig begrenzten quadratischen
Punktgitters (N x M-Gitter). Beugungsobjekte der Gruppe 4 sind mit Kreisen besetzte rechtwinklige, quadratische Punktgitter mit Punktabstand c, die durch Einzelformen der Gruppe 1
begrenzt sind. Beugungsobjekte der Gruppe 5 sind äquidistante Anordnungen von Kreisen
auf Strecken, Beugungsobjekte der Gruppe 6 unter dem Winkel α gekreuzte Spalte. Insgesamt sind in den 6 Gruppen mit mehreren Werten der Parameter a, b, c, D, N, M und α 156
Beugungsobjekte verfügbar.
IV.2.3.2
Herstellung
Beugungsobjekte des RCLs Beugung und Interferenz I wurden photolithographisch hergestellt. 135 Eine mit einem Grafikprogramm erstellte Vorlage für die Beugungsobjekte wurde als
Grafikdatei abgespeichert, über eine Belichtungsanlage mit Desktop-Publishing-System auf
eine Filmfolie mit harter Gradation laserbelichtet (λ = 465 nm) und die Filmfolie entwickelt.
Das Auflösungsvermögen der Belichtungsanlage liegt bei ungefähr 2500 dpi oder 10 μm.
Realisiert werden konnten Beugungsobjekte mit minimalen Spaltbreiten von 30 μm.
Die Beugungsobjekte des RCLs Optische Fourier-Transformation wurden elektronenstrahllithographisch mit einem Gerät der Firma Raith136 hergestellt. Eine Vorlage für die Beugungsobjekte wird mit der geräteeigenen Software erstellt, die dann den Elektronenstrahl
nach der Vorlage steuert. Abb. 44 zeigt links die Herstellungsschritte eines Beugungsobjekts 137 und rechts einen fertigen Beugungsobjektträger mit mehreren Beugungsobjekten:
Abb. 44:
Querschnittsbilder der Herstellungsschritte eines Rechtecks als Beugungsobjekt (links) und
Glasplatte mit Chromschicht der Beugungsobjekte (rechts).
Eine Glasplatte der Abmessungen 5 cm x 5 cm x 1 mm (1) wird mit flüssigem Polymethylmethacrylat (PMMA, umgangssprachlich Plexiglas) beschichtet (2) und getrocknet. Soll z. B. ei-
135
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Foto-Repro-Druck-Werkstatt.
136
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Nano + Bio Center - Zentrum für Nanostrukturtechnologie und Molekularbiologische Technologie.
137
Vgl. Grant 2003, S. 14-22.
119
ne rechteckförmige lichtundurchlässige Fläche hergestellt werden, dann wird diese Fläche
mit Elektronen bestrahlt und dabei die Molekülketten des PMMA in kleinere Molekülketten
geteilt. Aufgrund von Streuprozessen der Elektronen im PMMA und der Rückstreuung von
Elektronen vom Glasträger, ist das bestrahlte Volumen nicht quader-, sondern mehr pyramidenstumpfförmig (3). Das chemisch veränderte PMMA kann aus der PMMA-Schicht mit einem organischen Lösungsmittel als Entwickler herausgelöst werden (4). Beim Aufbringen einer Chromschicht bleibt aufgrund des pyramidenstumpfförmigen Volumens zwischen
Chromschicht und PMMA ein chrom- und PMMA-freier Spalt (5). Dadurch lässt sich das unbestrahlte PMMA mit einem weiteren geeigneten Lösungsmittel mitsamt der darüber liegenden Chromschicht entfernen (6). Mit dem Verfahren können auf der Glasplatte innerhalb eines Kreises vom Radius 2,2 cm und einem quadratischen Raster aus 3 x 3 mm großen Flächen mit 0,2 mm Abstand fast 100 Beugungsobjekte platziert werden.
Aufgrund der Verwendung von Elektronen als Abbildungsträger liegt das theoretische Auflösungsvermögen der Elektronenstrahllithographie (Electron Beam Lithography (EBL)) in der
Größenordnung der De-Broglie Wellenlänge. Für eine maximale Beschleunigungsspannung
U B = 30 kV des verwendeten Geräts sind das ungefähr 10 pm. Höhere Beschleunigungsspannungen machen keinen Sinn, da das tatsächliche Auflösungsvermögen durch die Qualität und Querschnitt des Elektronenstrahls und die Streuung der Elektronen auf ungefähr 20
nm begrenzt wird. Zur Herstellung von Beugungsobjekten wird die höchstmögliche Auflösung
des Geräts nicht benötigt, weil Beugungsobjekte mit Abmessung kleiner als 1 - 5 μm zu wenig Licht transmittieren.
Abb. 45 zeigt qualitativ den Unterschied zwischen dem Beugungsmuster eines photolithographisch hergestellten Spalts beim RCL Beugung und Interferenz I und eines elektronenstrahllithograpisch hergestellten Rechtecks beim RCL Optische Fourier-Transformation:
Abb. 45: Screenshots von Beugungsmustern eines photolithographisch hergestellten Spalts
mit Spaltbreite a = 100 μm (links) und eines elektronenstrahllithographisch hergestellten Rechtecks mit Breite a = 90 μm und Höhe b = 30 μm (rechts).
Vorteile der elektronenstrahllithographischen gegenüber der photolithographischen Herstellung von Beugungsobjekten sind ein um den Faktor 10 höheres Auflösungsvermögen, der
höhere Kontrast der Beugungsobjekte durch die Chromschicht und der scharfkantige Über-
120
gang zwischen lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Flächen. Dadurch werden kleinere Strukturen im Beugungsmuster beobachtbar und Lichtintensitätsmessungen beim RCL
Beugung und Interferenz II zeigen, dass gemessene und theoretische Intensitätsverteilung
der Beugungsmuster so gut wie identisch sind138.
IV.2.4
Versuchsaufbau und Laborseite
Der in Abb. 46 dargestellte Versuchsaufbau ist ein Standardaufbau zur Fraunhofer´schen
Beugung:
Abb. 46: Versuchsaufbau des RCLs Optische Fourier-Transformation. Laserdiode (1), Beugungsobjektträger (2), Scanner (3), quadratische Blende (4), Schirm (5), Webcam (6), Interface (7).
Grünes, paralleles Licht der Wellenlänge λ = 532 nm einer 10-mW-Laserdiode (1) fällt senkrecht auf zweidimensionale Beugungsobjekte. Jedes Beugungsobjekt auf den Beugungsobjektträgern (2) kann mit der Positionierungsmechanik zweier Scanner (3) in horizontaler und
vertikaler Richtung in den Strahlengang des Laserstrahls bewegt werden. Eine 2 mm x 2 mm
große quadratische Blende (4) schränkt den Querschnitt des Laserlichtbündels auf die Fläche der Beugungsobjekte ein.
138
Vgl. Gröber 2009, Abb. 7, S. 46.
121
Ein Schirm (5) aus halbtransparentem Papier im Abstand s = 49,5 cm von den Beugungsobjekten macht das Beugungsmuster sichtbar und mit einer Webcam (6) hinter dem Schirm
beobachtbar. Aufgrund der gewählten Geometrie (paralleles Laserlichtbündel, Abstand s >>
Abmessung der Beugungsobjekte von 2 mm) liegt Fraunhofer´sche Beugung vor und es wird
keine Abbildungslinse hinter dem Beugungsobjekt benötigt. Ein- und Ausschalten der Laserdiode und die Positionierung der Beugungsobjekte werden vom Mikrocontroller des Interface
(7) gesteuert. Die bekannte Breite b = 8,9 cm des Webcambildes erlaubt Streckenmessungen in den Screenshots des Webcambildes. Die gesamte Apparatur befindet sich zum
Schutz vor Laserstrahlung und Fremdlicht unter einem Verdunklungskasten, der in Abb. 46
nicht dargestellt ist.
Abb. 47 zeigt die Laborseite des RCLs Optische Fourier-Transformation:
Abb. 47: Laborseite des RCLs Optische Fourier-Transformation.
Die Laserdiode kann einund ausschaltet werden, ein Beugungsobjekt gewählt und die Positionierung der Beugungsobjekte neu justieren werden. Ein nutzerfreundlicher Zugriff auf die
156 Beugungsobjekte wird durch sukzessive Wahl der Gruppe des Beugungsobjekts (←
IV.2.3.1, Tab. 29) wie z. B. Einzelformen, einer Variante wie z. B. Rechteck mit Einblendung
der Abmessungen und der konkreten Abmessungen des Beugungsobjekts erzielt. Für einen
direkten Vergleich von Beugungsobjekt und Beugungsmuster wird unterhalb des Webcambildes das gewählte Beugungsobjekt dargestellt. Der Button Screenshot erlaubt das Speichern des Beugungsmusters zur weiteren Auswertung. Der Button Experiment neu ausrichten kalibriert die Scanner neu.
122
IV.2.5
Eigenschaften der Fourier-Transformation
IV.2.5.1
Verschiebung, Skalierung und lineare Transformation des Arguments
Im Folgenden werden Eigenschaften der Fourier-Transformation veranschaulicht, die Aussagen über die Veränderung der Fourier-Transformierten bei Änderung der Argumente x und
y der Blendenfunktion f(x,y) machen:
 Argumentverschiebung
Ist f um ein reelles x0 in x- und ein reelles y 0 in y-Richtung gegenüber g verschoben, dann
gilt:
f(x, y) =g(x − x 0 , y − y 0 )
F(k x ,k y ) =e−ik x x0 ⋅ e
− ik y y0
⋅ G(k x ,k y )
IF (k x ,k y ) = IG (k x ,k y )
Da sich F und G nur um einen Phasenfaktor unterscheiden, sind I F und I G identisch. Eine
Verschiebung des Beugungsobjekts bei gleicher Ausleuchtung ergibt auf dem Schirm das
gleiche, lediglich verschobene Beugungsmuster. Die Argumentverschiebung wird unter
der Eigenschaft Linearität thematisiert (→ IV.2.5.2, ▪ Linearität), weil kleine seitliche Verschiebungen des Beugungsobjekts im RCL nicht beobachtet werden können.
 Argumentskalierung
Geht f durch Skalierung der Argumente x und y mit den reellen Faktoren r und s aus g
hervor dann gilt:
x y
f(x, y)
= g( , )
F(k x ,k y=
) rs ⋅ G(rk x ,sk y )
r s
IF (k x ,k y ) ~ (rs)2 ⋅ IG (rk x ,sk y )
Wird die Blendenfunktion g um den Faktor |r| in x- und den Faktor |s| in x-Richtung gestaucht (|r|,|s| > 1) oder gestreckt (0 < |r|,|s| < 1), dann ist I F in X- bzw. Y-Richtung gegenüber I G gestreckt (0 < 1/|r|,1/|s| < 1) oder gestaucht (1/|r|,1/|s| > 1). Die Argumentskalierung wird in Abb. 48 am Beispiel des Beugungsmusters eines Quadrates mit Kantenlänge
a überprüft:
a = 40 μm
a = 50 μm
a = 60 μm
Abb. 48: Abstände zwischen den Minima 6. Ordnung für verschiedene Kantenlängen a des quadratischen Beugungsobjekts.
123
Für die Streckungsfaktoren r = 40/50 = 0,80 und r = 40/60 = 0,66 des Quadrates erhält
man aus Messungen des Abstands der Minima 6. Ordnung in den Beugungsmustern r´ =
5,98/7,65 = 0,78 und r´ = 4,98/7,65 = 1,65. Qualitativ ist in Abb. 48 erkennbar, dass wegen 0 < r < 1 und nach der Formel für I F die Lichtintensität des Beugungsmusters mit zunehmender Kantenlänge des Quadrats abnimmt.
 Lineare Argumenttransformation
Geht f aus g durch lineare Transformation der Argumente hervor, dann geht F aus G auch
durch eine lineare Transformation der Argumente hervor. Mit reellem r 1 , r2 , s 1 , s 2 und D ≠
0 gilt:
f(x, y) =
g(r1x + s1y,r2 x + s2 y)
D=
r1s2 − r2 s1
F(k
=
x ,k y )
1 1
1

G
(s2k x − r2k y ), ( −s1k x + r1k y ) 
D  D
D

IF (k x ,k y ) ~
1 1
1

I
(s2k x − r2k y ), ( −s1k x + r1k y ) 
2 G
D
D
D

Für s 1 = r 2 = 0, r 1 = 1/r, s 2 = 1/s, D = 1/(rs) ergibt sich der Spezialfall der Argumentskalierung. In Abb. 49 ist die Transformation der Blendenfunktion eines Quadrates der Kantenlänge a in eine Raute mit den Diagonalen e und f dargestellt:
x y
g(x, y) = rect( , )
a a
a
a
IG (k x ,k y ) ~ a4 ⋅ sinc 2 ( k x ) ⋅ sinc 2 ( k y )
2
2
a
a a
a
f(x, y) = rect( − x + y, x + y)
e
f e
f
fe 2
e
f
) ⋅ sin c 2 ( − k x + k y ) ⋅
2
4
4
f
2 e
⋅ sin c ( k x + k y )
4
4
IF (k x ,k y ) ~ (
Abb. 49: Transformation der Blendenfunktion und der Intensitätsverteilung eines Quadrats der Kantenlänge a = 50 μm in die einer Raute mit den Diagonalen e = 50 μm
und f = 37,5 μm.
124
Die Transformation bildet 90°-Innenwinkel der quadratischen Blende auf Innenwinkel der
Raute ab. Im Beugungsmuster der Raute stimmt daher der Winkel zwischen den zwei
Reihen der hellsten Maxima von 75° mit einem Innenwinkel α = 2⋅arctan(f/e) = 74° der
Raute überein.
IV.2.5.2
Linearität, Separabilität und Symmetrie
Im Folgenden werden die Eigenschaften Linearität und Separabilität der FourierTransformation sowie Zusammenhänge zwischen der Symmetrie der Beugungsobjekte und
der Beugungsmuster behandelt:
 Linearität
Wird f als Linearkombination von g und h mit den reellen Faktoren r und s dargestellt,
dann ist F eine Linearkombination von G und H mit den Faktoren r und s:
f(x, y) = r ⋅ g(x, y) + s ⋅ h(x, y)
F(k x ,k y ) = r ⋅ G(k x ,k y ) + s ⋅ H(k x ,k y )
ˆ ,k )H(k
ˆ ,k )cos[ϕ (k ,k ) − ϕ (k ,k )]
IF (k x ,k y ) ~ r 2IG (k x ,k y ) + s2IH (k x ,k y ) + 2rsG(k
x
y
x
y
H
x
y
G
x
y
Die Linearität ist das Superpositionsprinzip: Auf dem Schirm addieren sich die komplexen
Amplituden bzw. Vektoren der elektrischen Feldstärken der einzelnen Feldstärkeverteilungen bzw. Blendenfunktionen. Bereits die Superposition zweier Felder führt im Allgemeinen wegen des dritten Interferenz-Summanden von I F (mit ∧ sind Beträge der komplexen Amplituden bezeichnet) zu komplizierten, nicht mehr anschaulich interpretierbaren Intensitätsverteilungen. Deshalb wird die Linearität mit Beugungsobjekten aus zwei gleichen
Einzelformen im Abstand c überprüft:
c
c
f(x, y) = fE (x − , y) + fE (x + , y)
2
2
Linearität
}
c
c
F(k x ,k y ) =
F[fE (x − , y)] + F[fE (x + , y)]
2
2
Argumentverschiebung
c
c
}
i kx
−i k x
c
= e 2 ⋅ FE (k x ,k y ) + e 2 ⋅ FE (k x ,k y ) =
2 ⋅ FE (k x ,k y ) ⋅ cos( k x )
2
c
IF (k x ,k y ) ~ 4 ⋅ IE (k x ,k y ) ⋅ cos2 ( k x )
2
Abb. 50 zeigt für die Einzelformen Kreis mit Durchmesser a und Quadrat mit Kantenlänge
a die Beugungsmuster:
125
Abb. 50: Beugungsmuster von Beugungsobjekten aus zwei Kreisen mit Durchmesser a
= 30 μm (links) und zwei Quadraten mit Kantenlänge a = 30 μm (rechts) im Abstand c = 60 μm.
Die Intensitätsverteilung I F (k x ,k y ) ist eine kosinusquadratförmig, in X-Richtung modulierte
Intensitätsverteilung der Einzelform. Da der Kosinusterm maximal 1 werden kann, betragen die maximalen Intensitäten im Beugungsmuster das 4-fache wie die der Einzelform.
Das Beugungsmuster des Doppelquadrats zeigt, dass die Kosinusquadrat-Modulation
zum Wegfall von Maxima in X-Richtung des Beugungsmusters eines Quadrats führen
kann. Variation der Abmessung a der Einzelformen und des Abstands c zwischen Einzelformen zeigen die Unabhängigkeit der Intensitätsverteilungen von Einzelform und Kosinusquadrat-Modulation. Messungen wie bei der Argumentskalierung (← IV.2.5.1, Abb. 48)
bestätigen die Lage der Minima der Kosinusquadrat-Modulation bei X n = λs(2n - 1)/(2c)
mit natürlichem n.
 Separabilität
Lässt sich f als Produkt einer nur von x abhängigen Blendenfunktion g und einer nur von y
abhängigen Blendenfunktion h schreiben (f ist separabel), dann ist auch F separabel in G
und H:
f(x, y) =
g(x) ⋅ h(y)
F(k x ,k y ) =
G(k x ) ⋅ H(k y )
IF (k x ,k y ) ~ IG (k x ) ⋅ IH (k y )
Die Intensitätsverteilung I F ist dann auch separabel. Geometrisch gedeutet ist eine zweidimensionalen Blendenfunktion separabel, wenn für einen Wert y = y 1 = konstant ein eindimensionales Funktionsprofil z = f(x,y 1 ) = g(x)⋅h(y 1 ) betrachtet wird und alle weiteren
Funktionsprofile z = f(x,y) bei y ≠ y 1 = konstant sich durch Streckung/Stauchung in zRichtung aus f(x,y 1 ) ergeben. Abb. 51 zeigt als Beispiel die separierbare Blendenfunktion
f einer quadratischen Blende als Beugungsobjekt:
126
Abb. 51: Separierbare Blendenfunktion einer quadratischen Blende mit Kantenlänge a
(links) und separierbare Intensitätsverteilung des Beugungsmusters (rechts).
Der Faktor zwischen Funktionsprofilen in x- und y-Richtung der Blendenfunktion ist immer
1 oder 0. Im Beugungsmuster ist qualitativ erkennbar, das Intensitätsprofile in X- und YRichtung durch Multiplikation mit einem Faktor auseinander hervorgehen. Wenn eine
zweidimensionale Blendenfunktion separierbar ist, kann die Berechnung der FourierTransformierten bzw. der Intensitätsverteilung auf die Berechnung bekannter eindimensionaler Fourier-Transformationen zurückgeführt werden. Für die quadratische Blende
ergibt sich mit FT[rect(x)] = sinc(k x /2):
x y
x
y
=
f(x, y) rect(=
, ) rect( ) ⋅ rect( )
a a
a
a
Argument-
skalierung
}
}
x
y
a
a
=
FT[rect( )] ⋅ FT[rect( )] =⋅
a2 sin c( k x ) ⋅ sin c( k y )
a
a
2
2
a
a
IF (k x ,k y ) ~ a4 ⋅ sin c 2 ( k x ) ⋅ sin c 2 ( k y )
2
2
Separabilität
F(k x ,k y )
 Symmetrie
Ist f z. B. achsensymmetrisch zur y-Achse, dann ist F achsensymmetrisch zur Y-Achse:
f(x, y) =
f( − x, y)
F(k x ,k y ) =
F( −k x ,k y )
IF (k x ,k y =
) IF ( −k x ,k y )
I F ist dann auch achsensymmetrisch zur Y-Achse. Eine Drehung des Beugungsobjekts
um den Winkel α dreht auch das Beugungsmuster um den Winkel α und eine Verschiebung des Beugungsobjekts hat keinen Einfluss auf das Beugungsmuster (← IV.2.5.1,
▪ Argumentverschiebung): I F ist daher zu allen Achsen symmetrisch zu denen auch f
symmetrisch ist. Ein Kreis als einzige rotationssymmetrische Figur in der Ebene muss ein
rotationssymmetrisches Beugungsmuster haben. In Abb. 52 werden diese Aussagen anhand von 8 Beugungsobjekten und der dazugehörigen Beugungsmuster bestätigt:
1
2
3
4
127
n=2
n=2
n=4
n=∞
n=2
n=2
n=4
n=∞
5
6
7
8
n=1
n=1
n=3
n=5
n=2
n=2
n=6
n = 10
Abb. 52: Anzahl n der Symmetrieachsen bzw. Zähligkeit n der Drehachse (senkrecht zur Bildebene) von Beugungsobjekten und deren Beugungsmuster.
In den Beispielen 5 - 8 ist die Anzahl n der Symmetrieachsen bzw. die Zähligkeit n der Drehachse der Beugungsmuster doppelt so groß wie die der Beugungsobjekte. Das Phänomen
kann anschaulich an den Beugungsmustern eines V mit n = 1 und eines X mit n = 2 und der
gut erfüllten Annahme, dass die Beugungsmuster der Strecken bzw. Spalte der Buchstaben
sich unabhängig voneinander überlagern (kein Interferenzterm): Jeder Buchstabe erzeugt als
Beugungsmuster zwei sich kreuzende Beugungsmuster der Spalte mit n = 2.
IV.2.5.3
Faltungs- und Multiplikationssatz
Der Faltungs- und Multiplikationssatz (Umkehrung des Faltungssatzes) sind die wesentlichen
Sätze zum Verständnis der Struktur von Beugungsmustern. Anhand von Grenzfällen wird im
Folgenden schrittweise die allgemeine Struktur periodischer zweidimensionaler Beugungsobjekte erklärt:
 Faltungssatz
128
Die Fourier-Transformierte F der Faltung zweier Blendenfunktionen g und h ist das Produkt der Fourier-Transformierten G und H:
f(x, y) =
g(x, y) ∗ h(x, y)
F(k x ,k y ) =
G(k x ,k y ) ⋅ H(k x ,k y )
IF ~ IG (k x ,k y ) ⋅ IH (k x ,k y )
Die Blendenfunktion f eines unendlich ausgedehnten, rechtwinkligen Gitters mit Gitterpunktabständen c > 0 in x- und d > 0 in y-Richtung, das mit einer einheitlichen Einzelform
besetzt ist, kann als Faltung der Blendenfunktion f E mit der zweidimensionalen, skalierten
und auf 1 normierten Kammfunktion comb(x,y) dargestellt werden:
Definition der
Kammfunktion
}
1
x y
f(x,=
y) fE (x, y) ∗ ⋅ comb( , ) =
cd
c d
Argumentskalierung
=
}
fE (x, y) ∗
∞
∑
fE (x, y) ∗
∞
1
x
y
⋅ ∑ δ( − n, − m)
cd n,m= −∞ c
d
Eigenschaft der Faltung
mit Deltafunktion
δ(x − nc, y − md)
=
}
n,m = −∞
∞
∑
n,m = −∞
fE (x − nc, y − md)
Da f E eine Null-Eins-Funktion ist, ergibt die Summation, wenn c und d hinreichend groß
gegenüber den Abmessungen der Einzelform gewählt wurden, die Wiederholung der
Blendenfunktion f E an den Stellen xn = nc und y m = md. Die Anwendung des Faltungssatzes, des Skalierungssatzes und von FT[comb(x,y)] = comb(k x ,k y ) ergibt:
}
Faltungssatz
=
F(k
x ,k y )
Skalierungssatz und
FT der Kammfunktion
=
}
x y
FE (k x ,k y ) ⋅ FT[comb( , )]
c d
Definition der
Kammfunktion
=
FE (k x ,k y ) ⋅ comb(ck x ,dk
y)
Eigenschaft
der Deltafunktion
}
=
}
FE (k x ,k y ) ⋅
∞
∑
n,m = −∞
δ(ck x − n,dk y − m)
n m
FE ( , ) ⋅ δ(ck x − n,dk y − m)
c d
n,m = −∞
∞
∑
Die Intensitätsverteilung kann nicht angegeben werden, weil das Quadrat der δ-Funktion
nicht definiert ist. Abb. 53 zeigt die Intensitätsverteilung eines näherungsweise aus unendlich vielen Kreisen bestehenden rechtwinkligen Gitters mit c = d:
Abb. 53: Beugungsmuster eines mit Kreisen (a = 15 μm) besetzten, quadratischen 50 x 50-Punktgitter (c = d = 60 μm).
129
In Übereinstimmung mit der Herleitung ist das Beugungsmuster ein mit der Intensitätsverteilung des Kreises moduliertes reziprokes Punktgitter. Die Abstände des reziproken
Punktgitters liegen auf dem Schirm bei X n = sn/(kc) und Y m = sm/(kd).
Als weiteres Beispiel zum Faltungssatz werden nochmals Beugungsobjekte aus zwei gleichen Einzelformen (← IV.2.5.2, Abb. 50) betrachtet. Die Blendenfunktion f kann alternativ
auch dargestellt werden als
c
c
=
f(x,
y) fE (x, y) ∗ δ(x − , y) + fE (x, y) ∗ δ(x + , y)
2
2
Distributivgesetz
der Faltung
=
}
c
c
fE (x, y) ∗ [δ(x − , y) + δ(x + , y)]
2
2
.
Die Anwendung des Faltungssatzes, der Argumentverschiebung, von FT[δ(x,y)] = 1 und
der komplexen Darstellung des Kosinus ergibt die gleiche Intensitätsverteilung:
}
Faltungssatz
F(k=
x ,k y )
Argumentverschiebung
=
}
FE (k x ,k y ) ⋅ (e
− ik x
c
2
c
c
FE (k x ,k y ) ⋅ FT[δ(x − , y) + δ(x + , y)]
2
2
⋅ FT[δ(x, y)] + e
ik x
c
2
FT der Deltafunktion
und komplexe Darstellung des Cosinus
⋅ FT[δ(x, y)])
=
}
c
IF (k x ,k y ) ~ 4 ⋅ IE (k x ,k y ) ⋅ cos2 ( k x )
2
c
2 ⋅ FE (k x ,k y ) ⋅ cos( k x )
2
 Multiplikationssatz
Ist f das Produkt von g und h, dann ist F die Faltung von G und H:
f(x, y) =
g(x, y) ⋅ h(x, y)
F(k x ,k y ) =
G(k x ,k y ) ∗ H(k x ,k y )
IF (k x ,k y ) = G(k x ,k y ) ∗ H(k x ,k y ) ⋅ (G(k x ,k y ) ∗ H(k x ,k y ))∗
In Abb. 54 wird das beim Faltungssatz betrachtete Beugungsobjekt in der Ausdehnung
durch eine Einzelform z. B. Raute als Fenster (Blendenfunktion f E,F ) begrenzt. Vereinfachend wird zunächst angenommen, dass die Einzelformen an den Gitterpunkten sehr viel
kleiner als die Abstände c und d der Gitterpunkte sind und als Punktstrahler angenommen
werden können. Die Blendenfunktion f kann dann dargestellt werden als
f(x,=
y) fE,F (x, y) ⋅
1
x y
⋅ comb( , ) .
cd
c d
Anwendung des Multiplikationssatzes und weiterer Eigenschaften ergibt:
}
Multiplikationssatz
F(x, y)=
FE,F (x, y) ∗ FT[
Argumentskalierung und
FT der Kammunktion
=
}
1
x y
⋅ comb( , )]
cd
c d
Eigenschaft der Faltung
mit Deltafunktion
FE,F (k x ,k y ) ∗ comb(ck x ,dk y )
=
}
∞
1
n
m
⋅ ∑ FE,F (k x − ,k y − )
cd n,m= −∞
c
d
130
Die Fourier-Transformierte F ist ein unendlich ausgedehntes rechtwinkliges Punktgitter mit
den reziproken Abständen 1/c in X- und 1/d in Y-Richtung mit der Fourier-Transformierten
bzw. Intensitätsverteilung der Blendenfunktion f E,F (Beugungsmuster der Raute in Abb.
54) an den Gitterpunkten.
Abb. 54: Zusammenhang zwischen der Struktur von Beugungsobjekt (mit
Einzelform besetztes quadratisches und durch Einzelform begrenztes quadratisches Gitter) und dem Beugungsmuster.
Ein Beugungsobjekt, das aus einem mit einer Einzelform besetzten rechtwinkligem und
durch eine Einzelform begrenztem Gitter besteht, kann je nachdem, ob zuerst begrenzt
oder besetzt wird, durch zwei Blendenfunktionen f beschrieben werden:
x y
f(x, y) =
[fE,F (x, y) ⋅ comb( , )] ∗ fE (x, y)
c d
x y
f(x, y) =
[fE (x, y) ∗ comb( , )] ⋅ fE,F (x, y)
c d
Für die Fourier-Transformierten F(x,y) erhält man aus den bisherigen Darstellungen durch
Anwendung des Faltungssatzes bzw. der Umkehrung des Faltungssatzes:
F(k x=
,k y ) FE (k x ,k y ) ⋅
∞
1
n
m
⋅ ∑ FE,F (k x − ,k y − )
cd n,m= −∞
c
d
=
F(k x ,k y ) FE,F (k x ,k y ) ∗
n m
FE ( , ) ⋅ δ(ck x − n,dk y − m)
c d
n,m = −∞
∞
∑
Nach Abb. 54 ergibt sich das Beugungsmuster aus dem reziproken Gitter mit dem Beugungsmuster der begrenzenden Einzelform an den Gitterpunkten und einer Modulation
dieses Beugungsmusters mit dem Beugungsmuster der besetzenden Einzelform. Da die
Abmessungen der begrenzenden Einzelform größer als die Abstände der Gitterpunkte
131
und diese größer als die Abmessungen der besetzenden Einzelform sind, sind die Abmessungen des Beugungsmusters der begrenzenden Einzelform kleiner als die Abstände
der Gitterpunkte des reziproken Gitters und diese kleiner als die Abmessungen der Modulation mit dem Beugungsmuster der besetzenden Einzelform.
IV.2.6
Vergleich von Intensitätsverteilungen
IV.2.6.1
Analytisch berechnete und experimentelle Intensitätsverteilung
Mit dem Fourier-Integral (← IV.2.2) und Eigenschaften der Fourier-Transformation (← IV.2.5)
sind in Tab. 30 Funktionen I(k x ,k y )/I 0 der Intensitätsverteilungen von Beugungsmustern
zweidimensionaler Beugungsobjekte des RCLs hergeleitet:
Experimentelle Intensitätsverteilung
Nr.
Geometrie des
Beugungsobjekts
Beugungsmuster
Analytisch berechnete Intensitätsverteilung
Graph
Funktion
I(k x ,k y )
=
I0
2
1
 1
2
2 
 J1( 2 a k x + k y ) 


 1a k 2 +k 2 
x
y
 2

2
a
b

 

 sin( 2 k x )   sin( 2 k y ) 

 ⋅

 ak
  bk

x
y
 2
  2

3
c
IE (k x ,k y ) ⋅ [(2 cos( k x ) +
2
3c
3c
2
+ cos(
k y )) + sin2 (
k y )]
2
2
4
c
d

 

 sin(N 2 k x )   sin(M 2 k y ) 
IE (k x ,k y ) ⋅ 
 ⋅

c
d
 sin( k x )   sin( k y ) 
2
2

 

2
2
2
2
Tab. 30: Experimentelle und theoretische Darstellung der Intensitätsverteilung von Beugungsmustern
(zu 1.: J 1 ist Besselfunktion 1. Ordnung).
132
Die Richtigkeit analytisch berechneter Intensitätsverteilungen kann auf drei Arten mit der experimentellen Intensitätsverteilung überprüft werden:
 Vergleich von Funktion und Beugungsmuster
Eigenschaften der Funktion werden im Beugungsmuster erkannt: Die Funktion der Intensitätsverteilung eines Kreises und das Beugungsmuster weisen eine radiale Abhängigkeit
auf (← IV.2.6.1, Tab. 30, Nr. 1), Funktionen und Beugungsmuster sind zur X- und YAchse symmetrisch (← IV.2.6.1, Tab. 30, Nr. 2, Nr. 3, Nr. 4) oder die Multiplikation zweier
Funktionen für Intensitätsverteilungen in I(k x ,k y ) zeigt, dass die Gitterstruktur im Beugungsmuster mit der Intensitätsverteilung I E der Einzelform moduliert wird (← IV.2.6.1,
Tab. 30, Nr. 3, Nr. 4).
 Vergleich von Graph und Beugungsmuster
Mit Computeralgebraprogrammen erstellte zweidimensionale Graphen von I(X,Y)/I 0 stimmen qualitativ mit dem Beugungsmuster überein (← IV.2.6.1, Tab. 30, Nr. 1, Nr. 2, Nr.
3, Nr. 4).
 Vergleich berechneter und gemessener Koordinaten von Maxima oder Minima
Aus der Formel für die Intensitätsverteilung bestimmte Koordinaten von Maxima oder Minima stimmen im Rahmen der Messgenauigkeit mit denen des Beugungsmusters überein.
Koordinaten von Maxima oder Minima können im Screenshot des Beugungsmusters mit
einem kostenlosen Grafikprogramm das Koordinaten in Pixel anzeigt 139 gemessen werden. Einfacher ist die Verwendung eines Videoanalyseprogramm 140 mit dem wie in Abb.
55 ein kalibriertes Koordinatensystem ins Webcambild gelegt und Messpunkte aufgenommen werden können:
Abb. 55: Bestimmung der X-Koordinaten der Minima im
Beugungsmuster eines Kreises mit Durchmesser a = 60 μm.
139
Vgl. z. B. Paint in Betriebssystemen von Microsoft.
140
Vgl. Universität Amsterdam, Centre for Microcomputer Applications, Coach 6 Studio MV.
133
Ordnung |n|
1
2
3
4
5
6
7
|X exp | in mm
5,1
9,6
13,8
18,4
22,5
27,0
31,5
X theo in mm
5,3
9,7
14,1
18,4
22,8
27,1
31,5
Tab. 31: Vergleich von theoretisch und experimentell bestimmten X-Koordinaten der
Minima im Beugungsmuster von Abb. 55.
Theoretische Werte X theo in Tab. 31 wurden anhand der tabellierten Nullstellen der Besselfunktion 1. Ordnung 141 und der Parameterwerte s = 49,5 cm, λ = 532 nm und a = 60
μm ermittelt. Experimentelle Werte X exp stimmen im Rahmen der Messgenauigkeit von ± 1
mm mit den theoretischen Werten X theo überein.
IV.2.6.2
Numerisch berechnete und experimentelle Intensitätsverteilung
In Simulationen wird die zweidimensionale Fourier-Transformierte einer Blendenfunktion mit
Hilfe des FFT-Algorithmus numerisch berechnet. Unter den sechs im Internet gesichteten
Simulationen sind vier 142,143,144,145 nicht geeignet, weil die Streuung von Strahlung an Atomen
und Kristallen simuliert wird, die Anzahl mit dem RCL übereinstimmender Blendenfunktionen
zu klein ist oder die Nutzerfreundlichkeit zu gering ist. Eine weitere Simulation 146 erlaubt als
einzige die Fourier-Transformation von Bildern aus dem Internet, was voraussetzt dass Bilder der Beugungsobjekte in einheitlicher und hoher Qualität vorhanden sind. Darüber hinaus
ist die Auflösung der Fourier-Transformierten zu gering und die Filterung von Bildern geht zu
weit über den Inhalt des RCLs hinaus. Die beste in Abb. 56 dargestellte Simulation 147 hat
folgende Funktionen:
141
Vgl. RCL-Portal, RCLs/Optische Fourier-Transformation/Theorie, Tab. 3.
142
Vgl. S. Weber, Applet JFourier1.
143
Vgl. S. Weber, Applet JFourier2.
144
Vgl. S. Weber, Applet Jfourier3.
145
Vgl. Universität Tübingen, Applet 2D Fourier transformation.
146
Vgl. R. Fisher u. a., Applet Fourier Transform Experimentation.
147
Vgl. École polytechnique fédérale de Lausanne, Applet Fourier transform.
134
Abb. 56: Fast-Fourier-Transformation (FFT) eines quadratischen mit
Kreisen besetzten Gitters, das mit einer Rechteckfunktion auf
5 x 3 Kreise eingeschränkt wurde.
 Zu transformierende Bilder können individuell erstellt, aus vorgegebenen Formen ausgewählt (Draw) oder Bilder von der Festplatte geladen (Advanced) werden. Mit individuellen
oder vorgegebenen Formen besetzte recht- und schiefwinklige Gitter können erzeugt
werden (Cell parameters).
 Bilder können auf einen in der Größe wählbaren rechteckigen oder elliptischen Ausschnitt
eingeschränkt werden (Mask).
 Amplitudenquadrat, komplexe Amplitude, Realteil, Imaginärteil und Phase (Show) der
Fourier-Transformierten eines Bildes können numerisch angezeigt und graphisch dargestellt werden.
 Hin- und Rück-Transformation (Transform) eines Bildes können ausgeführt werden.
Der Mehrwert der Simulation kann nicht in Konkurrenz, sondern nur in Bezug zum RCL beurteilt werden. Zwischen den Inhalten der Simulation und dem RCL sollte eine hinreichend
große Schnittmenge bestehen und im RCL nicht abbildbare Inhalte, sollten durch die Simulation sinnvoll ergänzt werden:
 In der Einstellung Magnitude2 (Show) kann qualitativ überprüft werden, ob gleiche Beugungsobjekte im Experiment und in der Simulation gleiche Intensitätsverteilungen erzeugen. Dies ist nicht immer möglich, weil in der Simulation bei manchen Beugungsobjekten
die Bildauflösung der Intensitätsverteilung nicht ausreicht.
 Mit frei erstellten Bildern können nicht nur Symmetrien des Amplitudenquadrats, sondern
auch der Phase, des Real- und des Imaginärteil der Fourier-Transformierten untersucht
werden.
135
 Die Rücktransformation des Betragsquadrats der Fourier-Transformierten (FFT-1) ergibt
aufgrund der fehlenden Phaseninformation nicht mehr die ursprüngliche Blendenfunktion.
 Die Phasendarstellung einer Fourier-Transformierten (Show Phase) zeigt in der Simulation im Gegensatz zur Amplitudenquadratdarstellung ein wesentlich komplexeres Bild mit
Phasensprüngen.
IV.2.6.3
Experimentelle Intensitätsverteilungen
Umfang und Vielzahl der Beugungsobjektserien erlauben durch Vergleich der Strukturen
zweidimensionaler Beugungsmuster ein rein exploratives, qualitatives Experimentieren auch
ohne umfassende theoretische Kenntnisse zur Fourier-Transformation. Unterstützend wirkt,
dass Strukturen zweidimensionaler Beugungsmuster vermutlich schneller als die eindimensionaler Beugungsmuster erkannt werden. Anhand qualitativer Experimente können mit dem
RCL folgende Zusammenhänge und Strukturen erkannt werden:
 Antiproportionaler Zusammenhang zwischen Abmessungen im Beugungsobjekt und im
Beugungsmuster (← IV.2.5.1, ▪ Argumentskalierung).
 Zusammenhänge zwischen der Symmetrie von Beugungsobjekt und Beugungsmuster (←
IV.2.5.2, ▪ Symmetrie).
 Erkennen der Struktur von Beugungsmustern periodischer Beugungsobjekte (← IV.2.5.3).
 Die Anzahl der Nebenmaxima in Beugungsmustern von Beugungsobjekten der Gruppe
"Kreise in durch Rechteck begrenzten quadratischen Gitter" beträgt in X-Richtung N - 2
und in Y-Richtung M - 2 (← IV.2.6.1, Tab. 30, Nr. 4).
Zur Begründung von Hypothesen und Darstellung von Zusammenhängen können einzelne
Screenshots und Screenshotserien angefertigt werden. Ein selbsttätiges Zusammenstellen
von Beugungsobjektserien (→ IV.2.8, ▪ Zusammenstellung von Beugungsobjektserien) unterstützt ein qualitatives Experimentieren mit dem RCL.
IV.2.7
Konzeption des RCLs
Im Folgenden wird das RCL Optische Fourier-Transformation anhand der Qualitätsmerkmale
des Qualitätskriteriums Konzeption (← III.1.5, Tab. 15) bewertet:
 Zielgerichtetheit: Richtziel, Schulstufe/Studienabschnitt und Lehrplan
Das RCL ist exemplarisch dafür physikalische Vorgänge wie die Beugung von Licht an
Beugungsobjekten mathematisch mit der Fourier-Transformation zu beschreiben und um-
136
gekehrt mathematische Eigenschaften der Fouriertransformation physikalisch zu visualisieren.
Zielgruppe des RCLs sind Studierende im Grundstudium der Physik oder der Ingenieurwissenschaften.
Die Fourier-Transformation ist kein Inhalt der Lehrpläne des Physik- oder Mathematikunterrichts der Sekundarstufe II, weil die Mathematikkenntnisse der Schüler noch nicht ausreichend sind. Außerhalb des Lehrplans kann Schülern in einem Leistungskurs Physik die
Struktur von Beugungsmustern zweidimensionaler, periodischer Beugungsobjekte vermittelt werden. Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften lernen die FourierTransformation in Vorlesungen des Grundstudiums oder in Praktika des Grund- und
Hauptstudiums kennen. Weiterhin werden im Hauptstudium an einigen Universitäten Vorlesungen zur Fourier-Optik 148 angeboten.
 Experimente: Fachliche Richtigkeit, Mehrwert, Vernetzung und Vollständigkeit
Die Auswertungen von Beugungsmustern (← IV.2.5.1, ← IV.2.5.2, ← IV.2.5.3, ←
IV.2.6.1) belegen die fachlich Richtigkeit des RCLs Optische Fourier-Transformation.
Das RCL Optische Fourier-Transformation verfügt über Mehrwerte in den Bereichen experimentelle Features und Inhalt (← III.3.1, Tab. 22, RCL Optische FourierTransformation).
Die einzelnen Experimente des RCLs Optische Fourier-Transformation sind über das
Fourier-Integral miteinander vernetzt.
Das RCL Optische Fourier-Transformation kann durch zusätzliche Beugungsobjekte weiter vervollständigt werden (→ IV.2.8).
IV.2.8
Optimierung des RCLs
Eine Optimierung des RCLs hat zum Ziel, dass Besucher Beugungsmuster länger beobachten und besser die Inhalte des RCLs verstehen. Folgende Anpassungen der Beugungsobjekte des RCLs Optische Fourier-Transformation sind dazu sinnvoll:
 Beugungsobjektserien mit größerem Variationsbereich der Abmessungen, einheitlich nicht
über 7 - 8 Beugungsobjekte in einer Serie und größere Abstände zwischen den Abmessungen der Beugungsobjekte, um im Webcambild qualitative Veränderungen des Beugungsmusters besser zu erkennen.
 Speziell in der Gruppe "Kreise in durch Rechteck begrenztem quadratischen Gitter" (←
IV.2.3.1, Tab. 29, Nr. 3) muss die Anzahl der Beugungsobjekte von 33 auf ungefähr 10 15 reduziert werden, um die Motivation qualitative Veränderungen des Beugungsmusters
zu beobachten nicht zu verlieren.
148
Vgl. Technische Universität Illmenau, Vorlesung Fourieroptik.
137
 In der Gruppe "Kreise in durch Einzelformen begrenztem quadratischem Gitter" (←
IV.2.3.1, Tab. 29, Nr. 4) sind Beugungsobjekte mit kleinerer begrenzender Einzelform des
Gitters notwendig, damit Beugungsmuster der begrenzenden Einzelformen im Beugungsmuster größer und besser erkennbar sind (← IV.2.5.3, Abb. 54).
 Zur Untersuchung der linearen Argumenttransformation (IV.2.5.1, ▪ Lineare Argumenttransformation) fehlen Beugungsobjektserien aus Rauten und Parallelogrammen mit variierbaren Innenwinkeln.
 Es fehlen Beugungsobjekte mit zwei verschiedenen Einzelformen, um die Komplexität der
entstehenden Beugungsmuster aufgrund des Interferenzterms zu zeigen (← IV.2.5.2,
▪ Linearität).
 Für Symmetriebetrachtungen (← IV.2.5.2, Abb. 52) fehlen Beugungsobjekte mit keiner
oder nur einer Symmetrieachse. Weiterhin fehlt eine Beugungsobjektserie mit einer um
unterschiedliche Winkel gedrehten Einzelform.
 Zur Fourier-Transformation eines Punktgitters in das reziproke Punktgitter ohne dass die
Modulation mit dem Beugungsmuster der Einzelform dargestellt wird (← IV.2.5.3, Abb.
53), fehlen Beugungsobjekte mit Quadraten von Kantenlänge kleiner als 5 μm an den Gitterpunkten (Quadrate können elektronenlithographisch präziser hergestellt werden als
Kreise) und hoher Anzahl von Quadraten (für ausreichende Intensität des Beugungsmusters) und variablen Gitterpunktabständen c in x- und d in y-Richtung (bisher nur Spezialfall
c = d).
Die folgenden technischen Optimierungen erhöhen die Qualität der Beugungsmuster, die
Qualität des Webcambildes, die Authentizität oder die Interaktivität des RCLs.
 Positionierungsgenauigkeit der Beugungsobjekte
Bei diesem RCL reicht die Positionierungsgenauigkeit der beiden Scanner für Beugungsobjekte nicht aus. Deshalb müssen die Scanner durch neue Positionierungseinheiten ersetzt werden (← III.3.3, ▪ Translatorische Positionierungseinheiten).
 Steuerung der Lichtintensität der Beugungsmuster
Die Lichtintensität der Hauptmaxima im Beugungsmuster ist proportional zu N2 und
schwankt bei Beugungsobjekten der Gruppe "Kreise in durch Rechteck begrenztem quadratischem Gitter" (← IV.2.3.1, Tab. 29, Nr. 3) zwischen (1 x 1)2 = 1 und (50 x 50)2 =
6250000. Keine einfache Webcam kann solche Intensitätsunterschiede verarbeiten. Bilder
der Webcam sind je nach Einstellung des Webcam-Treibers entweder zu hell oder zu
dunkel. Deshalb muss zwischen Laserdiode und Beugungsobjekt ein vom Besucher steuerbares Graufilterrad positioniert werden.
 Qualität des Schirms
Der Schirm aus Transparentpapier hat keine optimalen Wiedergabeeigenschaften für das
Beugungsmuster, das Papier altert und Änderungen der Luftfeuchtigkeit können Wellen
138
im Transparentpapier und damit verzerrte Beugungsmuster zur Folge haben. Deshalb
sollte das Transparentpapier durch Leinwandmaterial für die Rückprojektion von Videos
mit Beamern ersetzt werden. Voraussichtlich kann das Leinwandmaterial kostengünstig
bei einem Leinwandhersteller ohne den Kauf einer teuren Leinwand bezogen werden.
 Webcambilder von Ausschnitten der Beugungsmuster
Besonders bei Beugungsobjekten der Gruppe "Kreise in durch Einzelform begrenztem
quadratischem Gitter" (← IV.2.3.1, Tab. 29, Nr. 4) müssen große Strukturen (Modulation
des Gitters mit Beugungsmuster der Einzelform) und genauso kleine Strukturen (Beugungsmuster der begrenzenden Einzelform an den Gitterpunkten) im Beugungsmuster
gut beobachtbar sein. Dazu muss der derzeit feste Abstand der Webcam vom Schirm mit
einer Positionierungseinheit variierbar gestaltet werden oder eine Webcam mit Zoom eingesetzt werden (← III.3.3, ▪ Webcams).
 Größe des Webcambildes der Beugungsmuster
Das RCL Optische Fourier-Transformation lebt von der Ästhetik und Qualität der Beugungsmuster. Daher sollte die Größe des Webcambildes von 320 px x 240 px auf 640 px
x 480 px erhöht werden (← III.3.3, ▪ Webcams). Die Verschlechterung der Bildqualität
durch Übertragung des Beugungsmusters vom Schirm des Experiments mit einer
Webcam auf die Laborseite fällt damit weniger ins Gewicht.
 Webcambild vom Versuchsaufbau
Besucher können wegen der ungewohnten Qualität der Beugungsmuster und trotzt beobachtbarer Übergänge zwischen Beugungsmustern beim Beugungsobjektwechsel die
Beugungsmuster für gespeicherte Bilder oder das RCL für eine Simulation halten. Es fehlt
zur Steigerung der Authentizität des RCLs ein Webcambild vom Versuchsaufbau in dem
das Einschalten der Laserdiode sowie die Positionierung der Beugungsobjekte und des
Graufilterrades beobachtet werden kann.
 Zusammenstellung von Beugungsobjektserien
Derzeit werden dem Besucher Beugungsobjekte in Gruppen und Beugungsobjektserien
vorsortiert angeboten. Eine anspruchsvollere Variante ist, Besucher aus allen verfügbaren
Beugungsobjekten z. B. bis zu 5 in einer bestimmten Reihenfolge auswählen zu lassen,
um dann eine Beugungsmusterserie im Webcambild automatisiert dargestellt zu bekommen. Das Zusammenstellen der Serien setzt physikalische Kenntnisse bzw. das Erkennen von Strukturen der Beugungsmuster voraus (Lernaspekt), die Serien sind für den Unterricht und bei Vorträgen hilfreich (Präsentationsaspekt) und die Beugungsmuster werden dynamisiert (Medienaspekt).
IV.3
139
Zusammenfassung
Im Folgenden werden die wesentlichen Punkte der RCLs Weltpendel und Optische FourierTransformation zusammenfassend dargestellt:
 RCL Weltpendel
Die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung ist als globales Phänomen prädestiniert dafür mit einem RCL gemessen zu werden. An fünf Orten unterschiedlichen Breitengrads kann mit dem RCL Weltpendel durch Fernmessung über das Internet die Erdbeschleunigung ohne an die Orte reisen zu müssen bestimmt werden. Die Wahl fiel auf
Pendel als Erdbeschleunigungsmesser wegen der erforderlichen Genauigkeit von Δg =
0,005 m/s2, der Eignung von Pendeln als Versuchskomponente in einem RCL und weil die
Bestimmung der Erdbeschleunigung mit einem Fadenpendel ein Standardthema des
Physikunterrichts der Sekundarstufe II ist.
Die Bestimmung der Erdbeschleunigung mit einem Fadenpendel als physischem Pendel
und der Schwingungsdauerformel eines mathematischen Pendels hat immer einen systematischen Fehler in der Bestimmung der Erdbeschleunigung zur Folge. Deshalb und
weil das physische Pendel kein Thema der Sekundarstufe II ist, wurden die Pendel des
RCLs Weltpendel so dimensioniert, dass eine Auswertung im physischen und mathematischen Pendelmodell zum gleichen Wert der Erdbeschleunigung führt. Auswertungen von
Messungen an den Pendelstandorten zeigen dies in überzeugender Weise und auch dass
die Erdbeschleunigung an allen Pendelstandorten auf mindestens 0,0032 m/s2 genau bestimmt werden kann. Die experimentell bestimmten Werte der Erdbeschleunigung stimmen im Rahmen der Messgenauigkeit mit der um mindestens den Faktor 10 genaueren
Vorhersage nach der Welmec-Formel überein. Obwohl die Pendel nicht streng exponentiell gedämpft sind, wird bei einer Bestimmung der Erdbeschleunigung im realen Pendelmodel mit geschwindigkeitsproportionaler Reibung eine ausreichende Genauigkeit der
Erdbeschleunigung erzielt. Zu beachten ist, dass eine Vernachlässigung der Auftriebskraft
einen Fehler der Erdbeschleunigung von 0,0015 m/s2 zur Folge hätte.
Das RCL Weltpendel ist mit 5,7 Besuchen/Tag hinter dem RCL Millikan-Versuch das am
häufigsten besuchte RCL (← II.6.2, Abb. 17), wobei die Besuche der einzelnen Pendelstandorte summiert wurden. Da bisher mit dem Besucher-Tracking nicht festgestellt werden kann, ob ein und derselbe Besucher an mehreren Pendelstandorten Messungen
durchgeführt hat, kann nicht festgestellt werden wie oft die Breitengradabhängigkeit der
Erdbeschleunigung untersucht wurde.
 RCL Optische Fourier-Transformation
Mit dem RCL Optische Fourier-Transformation werden in viel konsequenterer und umfassenderer Weise als in derzeitigen Praktikumsversuchen Eigenschaften der FourierTransformation visualisiert und die Struktur von Beugungsmustern thematisiert. Anhand
von 156 Beugungsobjekte können Eigenschaften der Fourier-Transformation wie Argumentskalierung, lineare Argumenttransformation, Separabilität, Linearität, Symmetrie sowie der Faltungs- und Multiplikationssatz studiert werden. Die Qualität der elektronen-
140
strahllithographisch hergestellten Beugungsobjekte ist so hoch, dass trotz des Qualitätsverlustes bei der Bildübertragung kleinste räumliche Strukturen im Beugungsmuster beobachtet werden können.
Das RCL Optische Fourier-Transformation ist mit 0,9 Besuchen/Tag das am wenigsten
besuchte RCL (← II.6.2, Abb. 17). Gründe sind, dass das RCL bisher keine stabilen Beugungsmuster geliefert hat (← IV.2.8, ▪ Positionierungsgenauigkeit der Beugungsobjekte),
die Nutzung von RCLs in Hochschulen noch nicht so verbreitet wie in Schulen ist und bisher ein Tutorial als Lernumgebung zum RCL (→ VI.2.5) noch fehlt.
Das RCL Optische Fourier-Transformation ordnet sich in eine Reihe aufeinander aufbauender RCLs ein: Beugung und Interferenz II (eindimensionale Beugung am Gitter), Optische Fourier-Transformation (Eigenschaften der Fourier-Transformation und Struktur
zweidimensionaler Beugungsmuster) und Optische Kristallographie (Modellexperiment zur
Kristallographie von Übergängen zwischen Ordnung und Unordnung in Kristallen). Zum
noch zu realisierenden RCL Optische Kristallographie (→ III.3.6, Tab. 27, RCL Optische
Kristallographie) liegen Vorversuche149,150 und eine Staatsexamensarbeit 151 bereits vor.
149
Vgl. Gröber 2007c.
150
Vgl. Gröber 2007d.
151
Vgl. Thijs 2008.
V TECHNIK von RCLs
V
141
TECHNIK von RCLs
Die Dokumentation der RCL-Technik in diesem Kapitel ist eine überarbeitete und ergänzte
Fassung eines ersten Tutorials 152 zur RCL-Technik im Jahr 2006. Gründe ein Tutorial zur
RCL-Technik anzubieten sind:
 Im Rahmen der RCL-Recherche konnte kein RCL-Anbieter gefunden werden, der in vergleichbarer Form Informationen zur gewählten RCL-Technik anbietet und das eigene
technische Know-how offenlegt. Insbesondere konnten keine Zeitschriftenartikel mit konkreteren Beschreibungen der verwendeten RCL-Technik gefunden werden, weil vermutlich ein zu kleiner Leserkreis angesprochen wird.
 Am Selbstbau von RCLs interessierten Schülern, Studierende, Dozenten und Lehrkräften
soll das Tutorial einen Einstieg in die RCL-Technik bieten. Insbesondere soll Staatsexamenskandidaten in Physik, die ein RCL entwickeln wollen, die Einarbeitungszeit in die
Technik der RCLs des RCL-Portals verkürzt werden. In mündlicher Form ist die Technik
von RCLs nicht vermittelbar.
 Der Umfang an technischen Fähigkeiten (Programmierung in HTML/PHP und einer weiteren Programmiersprache, Elektronikkenntnisse zu Mikrocontrollern, Sensoren und Aktoren) und Fertigkeiten (Bestückung der Platine des Interface, mechanischer Aufbau eines
RCLs) zur Realisation eines RCLs ist groß. Zu wenige RCL-Interessierte verfügen über alle Fähigkeiten und Fertigkeiten.
Das Tutorial führt in die technische Konzeption der RCLs des RCL-Portals ein und die Wahl
der RCL-Technik wird begründet (→ V.1). In zwei Schritten "Lokal gesteuertes RCL" (→ V.2)
und "Ferngesteuertes RCL" (→ V.3) wird die Realisation eines RCLs am Beispiel des RCLs
Elektronenbeugung beschrieben.
Der Anhang zu diesem Kapitel enthält Anleitungen zum Selbstbau des Interface (→ Anhang
XI.1), einer Steuerung von Schrittmotoren (→ Anhang XI.2.2) und eines einfachen elektronischen RCLs (→ Anhang XI.6). Weiterhin enthält der Anhang Quellcodes zum RCL Elektronenbeugung (→ Anhang XI.3), Beschreibungen der Installation und Konfiguration von Entwicklungsumgebungen zur Programmierung des Mikrocontrollers (→ Anhang XI.4) sowie
Beschreibungen der Installation und Konfiguration von Programmen des RCL-Servers (→
Anhang XI.5).
152
Vgl. Tutorial Selbstbau eines RCLs.
V TECHNIK von RCLs
V.1
Technische Konzeption
V.1.1
Einführung
142
Am Beispiel des RCLs Elektronenbeugung wird in die technische Konzeption der RCLs des
RCL-Portals eingeführt. Abb. 57 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines RCLs aus RCL-Server,
Interface und Experiment:
Abb. 57: Aufbau eines RCLs am Beispiel des RCLs Elektronenbeugung.
Das Experiment Elektronenbeugung ist ein Standardversuch mit Hochspannungsnetzgerät 153
und Elektronenbeugungsröhre 154. Eine Webcam, Interface und RCL-Server erweitern den
Versuch zum RCL. Die nummerierten Kabelverbindungen in Abb. 57 haben folgende Funktionen: Kommunikation zwischen RCL-Server und Interface über serielle Schnittstellen (1), 12
V-Spannungsversorgung des Interface vom Steckernetzteil (2), geschaltete Netzspannung
des Hochspannungsnetzgeräts (3), Steuerung der Ausgangsspannung des Hochspannungsnetzgeräts bzw. der Beschleunigungsspannung über das Interface (4), Heizspannung
für Glühkathode der Elektronenkanone (5), Beschleunigungsspannung für die Elektronenkanone (6), USB-Anschluss der Webcam am RCL-Server (7) und Internetanschluss des RCLServers (8). Um ohne störendes Fremdlicht mit der Webcam das Beugungsmuster auf dem
Szintillationsschirm beobachten zu können, befindet sich das gesamte Experiment im Betrieb
unter einem Verdunklungskasten.
Das RCL Elektronenbeugung kann auf dem RCL-Portal nach der Wahl des Menüpunkts
RCLs aufgerufen werden. Die Wahl des Menüpunkts Labor aus der Standard-Lernumgebung
ruft die Laborseite des RCLs in Abb. 58 auf:
153
Vgl. LD Didactic, Hochspannungsnetzgerät 10 kV.
154
Vgl. LD Didactic, Elektronenbeugungsröhre.
V TECHNIK von RCLs
143
Abb. 58: Laborseite des RCLs Elektronenbeugung in einem Webbrowser.
Im Bedienfeld kann die Glühkathode der Elektronenkanone mit dem Button Elektronenröhre
einschalten eingeschaltet werden. Durch Eingabe von Werten zwischen 0 und 4,3 kV kann
eine variable Beschleunigungsspannung an die Elektronenkanone angelegt, das auf dem
Szintillationsschirm entstehende Beugungsmuster im Webcamfeld beobachtet und mit dem
Button Screenshot das Webcambild auf dem Computer gespeichert werden.
Die Realisation eines RCLs erfolgt in zwei Schritten. Als lokal gesteuertes RCL kann das Experiment ohne Internetzugang vom RCL-Server aus gesteuert werden, als ferngesteuertes
RCL kann mit dem RCL zusätzlich weltweit über das Internet experimentiert werden. Abb. 59
zeigt dazu als Blockdiagramm die für alle RCLs einheitlichen Funktionsgruppen von RCLServer, Interface und Experiment. Pfeile zwischen den Funktionsgruppen geben Kommunikations- oder Abhängigkeitsrichtungen an:
Abb. 59: Funktionsgruppen von RCL-Server, Interface und Experiment eines RCLs.
V TECHNIK von RCLs
144
 Lokal gesteuertes RCL
Damit das Experiment fernbedienbar wird, muss der Versuchsaufbau mit Sensoren (z. B.
für Temperatur), Aktoren (z. B. Schrittmotor) oder anderen gesteuerten Geräten (z. B.
Hochspannungsnetzgerät in Abb. 57) ausgestattet werden. Das Interface besteht aus einer für alle RCLs identischen Basisschaltung und aus RCL-spezifischen Erweiterungsschaltungen (→ V.2.1.2) für die Sensoren, Aktoren und gesteuerten Geräte.
Wichtigster elektronischer Baustein der Basisschaltung ist ein mit einem externen
Schwingquarz getakteter, programmierbarer Mikrocontroller (→ V.2.1.1) zur Steuerung
des Experiments. Für die Programmentwicklung wird eine Entwicklungsumgebung auf
dem RCL-Server oder alternativ auf anderen Computern verwendet. Die Programmübertragung vom RCL-Server auf den Mikrocontroller erfolgt über einen USB-ISP-Programmer
und die ISP-Schnittstelle des Mikrocontrollers (→ V.2.1.3). Danach werden die in Abb. 59
gestrichelt dargestellten Funktionsgruppen und Verbindungen nicht weiter benötigt und
das RCL kann lokal über ein Terminal (→ V.2.2) bedient werden.
 Ferngesteuertes RCL
Um auf das RCL weltweit zugreifen zu können, wird auf dem RCL-Server ein Webserver
installiert und ein Internetzugang benötigt (→ V.3.1). Befehle von der Laborseite wie z. B.
Parametereingaben, werden von einem PHP-Programm interpretiert und über die RS232Schnittstelle (alternativ über USB-Seriell-Adapter) des RCL-Servers an die RS232Schnittstelle des Mikrocontrollers zur Ausführung an das Experiment übermittelt. In umgekehrter Richtung übermittelt das PHP-Programm bzw. der Mikrocontroller Zustände des
Experiments oder Messergebnisse an die Laborseite (→ V.3.2.1). Zur Übertragung von
Videobildern einer oder mehrerer Webcams, die visuelle Rückmeldungen über den Zustand des Experiments geben, wird ein Videoserver benötigt (→ V.3.2.2). Der RCL-Server
stellt Besuchern außer der dynamisch generierten Laborseite auch die statischen Webseiten der Standard-Lernumgebung (← V.1.1, Abb. 57) des RCLs bereit (→ V.3.3).
V.1.2
Wahl der RCL-Technik
Es existiert eine nur schwer im Detail zu überblickende und zu beherrschende Vielzahl von
Hard- und Softwaretechnologien (Interfaces und Programmiersprachen), um ein Experiment
über das Internet fernbedienbar zu machen. 155 Im Folgenden wird die Wahl der Technik von
RCLs des RCL-Portals begründet:
 Interface
155
Vgl. Gravier 2008, S. 21.
V TECHNIK von RCLs
145
Zu Beginn des RCL-Projekts war es naheliegend auf vorhandene technische Lösungen
zum Interface zurückzugreifen: Das RCL Elektronenbeugung wurde zunächst mit dem
Power-Cassy 156 und dem Sensor-Cassy 157 von Leybold zur Steuerung und Messung der
Beschleunigungsspannung betrieben. Der heutige Preis für beide Komponenten zusammen liegt bei ungefähr 1700 €. Ein Datenaustausch zwischen dem RCL-Server und dem
Sensor-Cassy wurde über das Common Gate Interface (CGI) realisiert.
Bei den nicht mehr existierenden Versionen der RCLs Beugung und Interferenz und
Computertomographie wurde das Intelligent Interface158 von FischerTechnik eingesetzt:
Für 130 € wurden 4 umpolbare, kurzschlussfeste digitale Ausgänge mit 0,25 A Dauerbelastbarkeit für Gleichstrommotoren, Elektromagneten oder Lampen geboten. Digitale Sensoren wie z. B. Taster konnten an 8 digitale Eingänge angeschlossen werden. Für Potentiometer, Temperatur- oder Helligkeitssensoren mit variablem Widerstand als Ausgangsgröße waren 2 analoge Eingänge mit Eingangswiderstand zwischen 0 und 5 kΩ und
einer Abtastrate von 50 Hz verfügbar. Programmiert werden konnte das Interface mit C++,
Visual Basic oder als Einstieg in die Technik des Programmierens mit der graphisch orientierten Programmiersprache LLWin. Ein nutzerspezifisches im RAM des Interface gespeichertes Programm ging ohne Spannungsversorgung verloren.
Die Nachteile dieser Interfaces wie zu hohe Kosten, zu geringe Flexibilität beim Anschluss
von Sensoren und Aktoren - insbesondere von Schrittmotoren - und zu geringe Messraten
wurden erst durch das programmierbare Eigenbau-Interface159 (→ V.2.1) für ungefähr 50
€ (→ Anhang XI.1.1) und eine modular gestaltete, an das jeweilige RCL anzupassende,
PHP-Basisprogrammierung160 (→ V.3.2.1) gelöst. Zur Programmierung des Interface wird
ein USB-ISP-Programmer für ungefähr 30 € benötigt.
 Software für RCL-Server, Mikrocontroller und Standard-Lernumgebung
Tab. 32 enthält eine Übersicht der Programme für den RCL-Server und einem weiteren
Computer. Die Links führen auf die Webseite zum Download des Programms und Preise
sind angegeben. Auf Installation und Konfiguration von Programmen wird in den einzelnen Abschnitten des Tutorials eingegangen:
156
Vgl. LD Didactic, Power-Cassy.
157
Vgl. LD Didactic, Sensor-Cassy.
158
Vgl. Fischertechnik, Intelligent Interface, nicht mehr lieferbare Art.-Nr. 30402 bei Knobloch GmbH.
159
Entwicklung durch M. Vetter.
160
Programmierung durch U. Schläpfer und P. Schmidt.
V TECHNIK von RCLs
Typ
146
Hersteller, Name und Version
RCL-Server
 Microsoft, Windows XP Professional mit Service Pack 3
Betriebssystem und Terminal  Microsoft, Hyperterminal in Windows XP Professional
Start/Programme/Kommunikation/Hyperterminal
Webserver und PHP
Videoserver
unter
≈ 20 €
 Apache Friends, XAMPP 1.7.4 für Windows, Installer-Version
-
 The PHP Group, PHP 5.3.1 (enthalten in XAMPP 1.7.4)
 Moonware Studios, webcamXP 5 Free (eine Videoquelle)
 Moonware Studios, webcamXP 5 Private (bis zu 5 Videoquellen)
44,95 €
RCL-Software
 Technische Universität Kaiserslautern, RCL-Ordner htdocs
-
Virenscanner
 Avira, AntiVir Personal
-
 TeamViewer GmbH, TeamViewer 6 Host
-
 Notepad++ team, Notepad++ 5.9
-
 ATMEL, AVR-Studio 4.18
-
 Sourceforge, WinAVR
-
 MCS Electronics, BASCOM-AVR Demoversion (maximal 4 kB Programmcode)
-
Fernwartung- und
Desktop-Sharing
Webeditor
Computer
Preis
Entwicklungsumgebung für
Mikrocontroller ATmega16
 MCS Electronics, BASCOM-AVR Vollversion
 MikroElektronika, MikroPascal Pro for AVR
Webeditor
Fernwartung- und
Desktop-Sharing
89 €
≈ 140 €
-
 Notepad++ team, Notepad++ 5.9
 Adobe, Dreamweaver CS5.5 161
≈ 115 €*
 TeamViewer GmbH, Teamviewer 6 Vollversion
-
Tab. 32: Programme für den RCL-Server und weiteren Computer (Links führen auf
Webseite zum Download, Stand Mai 2010).
Für den RCL-Server wird als stabiles Betriebssystem Windows XP Professional eingesetzt. Microsoft vertreibt seit Dezember 2008 Windows XP nicht mehr, Sicherheitspatches
werden noch bis April 2014 bereitgestellt, ein Bezug ist z. B. über Ebay 162 möglich. Das
Hyperterminal-Programm zur Kommunikation mit dem Interface ist Teil von Windows XP
Professional. Vom Open-Source-Paket XAMPP wird der Apache Webserver und der
PHP-Interpreter eingesetzt. Da in der Regel bei RCLs zwei Webcambilder über das Internet übertragen werden müssen, ist der Videoserver webcamXP 5 nicht kostenlos. Im
RCL-Ordner htdocs befindet sich die Basissoftware, die noch an das zu realisierende RCL
anzupassen ist. Ein kostenloser Virenscanner wie z. B. Antivir Personal ist erfahrungsgemäß ausreichend. Als Fernwartungssoftware für den RCL-Server wird Teamviewer empfohlen. Es genügt der Teamviewer Host, weil vom RCL-Server kein Remote-Zugriff auf
den Computer erfolgen muss. Für kleinere Arbeiten an der RCL-Software oder der Standard-Lernumgebung während der Fernwartung sollte ein kostenloser Webeditor wie z. B.
Notepad++ installiert werden.
Auf einem weiteren Computer kann zur Programmierung des Mikrocontroller eine Entwicklungsumgebung für folgende Programmiersprachen installiert werden: Mit dem AVRStudio kann in Assembler und nach der Installation von WinAVR in C bzw. C++ programmiert werden. Für Einsteiger wird eine Programmierung in Basic mit BASCOM-AVR emp-
161
Vgl. Adobe, Dreamweaver CS5.5.
162
Vgl. Ebay, Windows XP Professional.
V TECHNIK von RCLs
147
fohlen. Falls der Programmcode größer als 4 kB ist, muss die Vollversion erworben werden. Eine Programmierung in Pascal ist für ungefähr 140 € mit dem Pascal-Compiler von
MikroElektronika möglich.
Mit Notepad++ steht ein kostenloser und guter Webeditor zum Erweitern der PHPBasissoftware und zum Erstellen von Webseiten der Standard-Lernumgebung bereit. Als
professionellerer Editor kann z. B. Dreamweaver verwendet werden. Für die Fernwartung
des RCL-Servers muss auf dem zugreifenden Computer die Vollversion von Teamviewer
installiert werden.
Die gewählte Hard- und Software für RCLs bietet folgende Vorteile:
 Geringe Hard- und Softwarekosten
Interface mit Erweiterungsschaltungen (≈ 70 €), USB-ISP-Programmer (≈ 30 €), AVRStudio zur Programmierung in C (0 €), Betriebssystem Windows XP Professional (≈ 20 €),
webcamXP 5 für ein Webcambild (0 €) können zusammen für 120 € erworben werden. Mit
einem nicht mehr benötigtem, älteren Computer, Tastatur und Maus (0 €), einem ausgedientem Monitor (0 €), einer einfachen USB-Webcam (≈ 20 €) und der Positionierungsmechanik eines nicht mehr benötigten, älteren Scanners (0 €) kann ein RCL schon ab 140 €
realisiert werden.
 Einfache Adaptierbarkeit des Interface und der PHP-Basissoftware an das Experiment
Der Mikrocontroller des Interface kann frei programmiert werden. Mit der Aufteilung der
Schaltung des Interface in eine für alle RCLs gleiche Basisschaltung und RCL-spezifische
Erweiterungsschaltungen (→ V.2.1.2) ist das Interface leicht an das Experiment anpassbar. Durch die im Mikrocontroller integrierten Peripheriebausteine genügen meist wenige
Bauelemente und die unterschiedlichsten Mess- und Steuergrößen können verarbeitet
werden. Die PHP-Basissoftware braucht nur um wenige Programmblöcke erweitert zu
werden.
 Einfacher Zugang zu Ressourcen der RCL-Technik
Die weite Verbreitung des Mikrocontrollers ATmega16 im Hobbybereich korrespondiert
mit einem umfangreichen, kostenlosen Informationsmaterial zur Hardware und Software
des Mikrocontrollers im Internet. In Tab. 33 sind unter Mikrocontroller Links zu Datenblättern, Portalen und Foren mit praxisnahen Lösungen für Probleme der MikrocontrollerProgrammierung zusammengestellt. Ein stärker strukturiertes Erlernen der Funktionen
und Programmierung von AVR-Mikrocontrollern ist über die genannten Tutorials im Internet und Bücher möglich.
V TECHNIK von RCLs
148
Ressource
Mikrocontroller
Mikrocontroller
mega16A, Mikrocontroller
Summary
Kurzbeschreibung
ATmega16A
Ausführliches und zusammenfassendes Datenblatt des Mikrocontrollers ATmega16
www.microcontroller.net
Portal für Mikrocontroller
RoboterNETZ
Portal für Robotik, Mikrocontroller und Elektronik
AVR-Tutorial
Tutorial zur AVR-Familie auf microcontroller.net
BASCOM-AVR
Online-Hilfe zur Entwicklungsumgebung BASCOM-AVR
myAVR
Mikrocontrollerlösungen für Ausbildung und Selbststudium
BASCOM-Forum
Forum von MCS BASCOM
RoboterNETZ-Forum
Forum von RoboterNETZ
myAVR-Forum
Forum von myAVR
AVR-Forum
Forum von Atmel
Roland Walter: AVR Mikrocontroller LehrBuch zur Programmierung von AVR-Mikrocontrollern mit Basic
buch
Günter Schmitt: Mikrocomputertechnik mit Buch zur Programmierung von AVR-Mikrocontrollern in Assembler und C
Controllern der Atmel AVR-RISC-Familie
Claus Kühnel: Programmierung der AVR Buch zur Programmierung von AVR-Mikrocontrollern in BASRISC Mikrocontroller mit BASCOM-AVR
COM-AVR (Basic)
Schrittmotoren
Elektronik
HTML/PHP
Frank Sichla: Schaltungssammlung Mikro- Buch mit praktischen Anwendungsschaltungen und Einsatzmögcontroller und USB
lichkeiten von Mikrocontrollern
SELFHTML
Portal zum Erstellen von Webseiten mit HTML
SELTPHP
Portal zum Programmieren von Webseiten mit PHP
PHP
Entwicklerseite von PHP
Kleines Tutorial
PHP-Tutorial
PHP-Handbuch
PHP-Handbuch
reichelt elektronik
Elektronikversand
Conrad
Elektronikversand
ELV Elektronik
Elektronikversand
Datasheet Catalog.com
Datenbank für Datenblätter elektronischer Bauelemente
Datasheet Archive
Datenbank für Datenblätter elektronischer Bauelemente
Pegelwandler Max232 für serielle SchnittDatenblatt des ICs Max232 von Texas Instruments
stelle
Spannungsregler L7805
Datenblatt des ICs L7805 von STMicroelectronics
Schrittmotormodul TMC222
Datenblatt des ICs TMC222 von Trinamic
Minebea Hybrid Stepping Motors
Datenblätter von 12 Hybrid-Schrittmotoren
Trinamic Stepper Motors
Datenblätter und Bezugsquellen von 6 Hybrid-Schrittmotoren
Quality Motors
Auf TMC-Module und -ICs abgestimmte Schrittmotoren
Nanotec Schrittmotor-Animation
Animation von unipolarem und bipolarem Schrittmotor
Nanotec Glossar
Glossar mit Erklärungen zu wichtigen Begriffen aus der Schrittmotor-Antriebstechnik
Erich Rummich: Elektrische SchrittmotoBuch zum Erwerb von Kenntnissen zum Aufbau und zur Funktiren und -antriebe- Funktionsprinzip- Beonsweise von Schrittmotoren
triebseigenschaften - Messtechnik
Tab. 33: Ressourcen zur Realisation eines RCLs.
Die seit 1996 zunehmende Bedeutung der kostenlosen Skriptsprache PHP und das
Wachstum des Internets korrespondieren mit einer Zunahme an kostenlosem Informationsmaterial zur PHP/HTML-Programmierung. Neben den unter PHP/HTML in Tab. 33
genannten Ressourcen sind wegen des großen Marktes keine Bücher zu PHP genannt.
Die teuren und schnell veraltenden Bücher sollten in Bibliotheken geliehen werden.
Unter Elektronik sind in Tab. 33 Links zum Versandhandel elektronischer Bauelemente,
zu Datenbanken mit Datenblättern elektronischer Bauelemente und zu Datenblättern der
V TECHNIK von RCLs
149
wichtigsten ICs des Interface zu finden. Unter Schrittmotoren sind Links zu Schrittmotoren
wichtiger Anbieter zusammengestellt, die über den Elektronikhandel leicht bezogen werden können. Das Buch von Erich Rummich erklärt Zusammenhänge zwischen Bauform
und Funktionsweise von Schrittmotoren, die über Informationen zu Schrittmotoren im Tutorial (→ V.2.3.1) gegebenen Informationen hinausgehen.
 Programmierung des Mikrocontrollers in Basic
Besonders die Möglichkeit der Programmierung des Mikrocontrollers in der Hochsprache
Basic mit Bascom AVR (← V.1.2, Tab. 32) erleichtert den Einstieg in den Selbstbau von
RCLs. Darüber hinaus besteht analog zur PHP-Programmierung die MikrocontrollerProgrammierung aus einer an das jeweilige RCL lediglich anzupassende Basisprogrammierung (→ V.3.2.1).
 Betriebssystemunabhängigkeit
Das Interface kommt ohne betriebssystemspezische Treiber aus. PHP und HTML sind betriebssystemunabhängige Sprachen. Der Apache Webserver XAMPP ist außer für
Windows für die Betriebssysteme Linux, Mac OS X und Solaris 163 erhältlich.
 Wartung von Programmierung und Interface
Änderungen der PHP/HTML-Programmierung können leicht über einen Fernzugriff auf
den RCL-Server vorgenommen werden. Da der PHP/HTML-Quellcode im RCL-Betrieb
stets in einer lauffähigen Form vorliegt, führen Wechsel von Personen die Zugriff auf die
Programmierung haben nicht zu Ausfällen des RCLs. Änderungen und Reparaturen an
den Ergänzungsschaltungen des Interface können aufgrund des Lochrasteranteils der
Platine (→ Anhang XI.1.2) leicht durchgeführt werden.
 Zerstörungssichere Versuchskomponenten
Versuchskomponenten sind durch die Programmierung des Mikrocontrollers vor Fehlbedienungen des RCLs geschützt. Da der Mikrocontroller die Zulässigkeit von Parameterwerten überwacht, ist kein Missbrauch des Experiments durch Dritte möglich. Abstürze
des RCL-Servers führen nicht zu undefinierten Zuständen des Experiments, weil der Mikrocontroller das Experiment steuert. In der Lebensdauer stärker begrenzte Versuchskomponenten wie z. B. die Elektronenbeugungsröhre beim RCL Elektronenbeugung (← V.1.1,
Abb. 57) können durch eine programmierte Standby-Funktion des Mikrocontrollers bei
Nichtgebrauch ausgeschaltet werden.
 Keine Installation von Zusatzsoftware
Besucher benötigen zum Experimentieren mit RCLs lediglich einen kostenlos verfügbaren
Webbrowser wie z. B. die auf Funktionsfähigkeit für die RCLs getesteten Internet Explorer, Opera, Firefox, Safari oder Konquerer mit aktivierter Javaskript-Funktion. Es muss
keine weitere Zusatzsoftware installiert werden.
163
Apache friends, XAMPP.
V TECHNIK von RCLs
150
Eine alternative technische Lösung für RCLs wäre LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument
Engineering Workbench) von National Instruments (NI)164 gewesen. LabVIEW ist eine sehr
umfangreiche, mittlerweile als Industriestandard geltende, grafische Programmierumgebung
zum Messen, Steuern und Regeln von Systemen. Über umfangreiche Treiber-Bibliotheken
lassen sich fast alle gängigen mit einer entsprechenden Schnittstelle ausgestatteten Geräte
in LabVIEW einbinden. LabVIEW wurde als technische Lösung im RCL-Projekt aus mehreren Gründen nicht eingesetzt:
 Besucher müssen einmalig vor dem Experimentieren mit RCLs die LabVIEW Run-Time
Engine165 installieren.
 Es existieren nur wenige Schulgeräte mit den erforderlichen Schnittstellen.
 Die Kosten von ungefähr 1300 € für die Basisversion und ungefähr 2800 € für die Vollversion sind zu hoch.
 LabVIEW ist für die zu entwickelnden RCLs bzw. die Zielgruppe aus Schülern und Studierende überdimensioniert. Der Nachbau von RCLs durch interessierte Schüler und Studierende wäre aus Kosten und Anforderungsgründen nur schwer möglich.
 Trotz der graphischen Programmieroberfläche von LabVIEW müssen im Programmcode
immer noch Anpassungen in der speziell für LabVIEW entwickelten Programmiersprache
G vorgenommen werden.
 Die Einarbeitung in LabVIEW ist vom Zeitaufwand und den Anforderungen her mindestens genauso hoch wie die für Mikrocontroller- und PHP-Programmierung.
 Eine mit fertigen LabVIEW-Elementen gestaltete Laborseite ist nicht unbedingt nutzerfreundlicher als eine mit PHP/HTML erstellte Laborseite (← III.2.1, Tab.
18, Nutzerfreundlichkeit RCL Single and double Slit).
V.2
Lokal gesteuertes RCL
V.2.1
Interface
V.2.1.1
Mikrocontroller
Zentrales Bauelement des Interface ist ein ATMEL AVR 8-bit RISC Mikrocontroller ATmega16. Dieser enthält im Vergleich zu einem Mikroprozessor außer dem Prozessor auch periphere Module wie z. B. Speicher, digitale und analoge Ein- und Ausgänge oder Timer für Zusatzfunktionen. Dadurch kommen Anwendungen von Mikrocontrollern wie z. B. RCLs meist
mit wenigen zusätzlichen Bauelementen aus. Tab. 34 enthält eine Übersicht der wichtigsten
Features des Mikrocontrollers zum Prozessor, zur Programmierung und Datenspeicherung,
zu peripheren Modulen und erläutert einige Fachbegriffe:
164
Vgl. National Instruments.
165
Vgl. National Instruments, LabVIEW Run-Time Engine.
V TECHNIK von RCLs
151
Feature
Erläuterung
 ATMEL: US-amerikanischer Hersteller von Mikrocontrollern
Prozessor
 AVR: Familie von Mikrocontrollern
 8 bit: Breite des internen Datenbusses des Mikrocontrollers
ATMEL AVR 8 bit RISC Mik-  RISC steht für Reduced Instruction Set Computer (Rechner mit reduziertem Befehlsrocontroller ATmega16
satz): Designphilosophie von Mikrocontrollern mit Befehlssatz aus möglichst einfachen Befehlen und höherer Effizienz des Prozessors
 ATmega: Eine der Mikrocontroller-Serien von ATMEL
 16 steht für 16 MHz: Maximale Taktfrequenz des Mikrocontrollers
131 Befehle mit 1-2 Taktzyk-  Die ATmega-Serie besitzt unter den Mikrocontroller-Serien von ATMEL den größten
len/Befehl
Befehlssatz. Die meisten Befehle benötigen zur Ausführung nur einen Taktzyklus.
Programmierung und Datenspeicherung
Variabel wählbare Taktfre-  Ein externer Schwingquarz legt die Schwingungsfrequenz einer Oszillatorschaltung
quenzen bis zu 16 MHz
und damit die Taktfrequenz des Mikrocontrollers fest.
 ISP steht für In System Programming: Der Mikrocontroller kann ohne aus der Schaltung entfernt zu werden programmiert werden. Es wird kein teures Programmiergerät, sondern nur ein Programmieradapter benötigt.
ISP über SPI-Bus in 16 kB  SPI steht für Serial Peripheral Interface (Serielles Peripheres Interface): Nach dem
Master-Slave-Prinzip arbeitender synchroner serieller Datenbus zur Kommunikation
Flash-ROM
Programmzwischen digitalen Schaltungen
Speicher
 Flash-ROM: Kann zur Speicherung des Programmcodes ca. 1000 neu beschrieben/gelöscht - geflashed - werden, aber beliebig oft gelesen werden. Daten bleiben
auch ohne Versorgungsspannung erhalten
 EEPROM steht für Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
(Elektrisch löschbarer und programmierbarer Nur-Lese-Speicher): Nichtflüchtiger
Speicher, der beliebig oft gelesen und mindestens 100000 mal beschrieben werden
kann. Kann z. B. zum Speichern von Messwerten und Konfigurationsdaten verwendet und über ISP programmiert werden.
512 B EEPROM
1 kB internes SRAM
 SRAM steht für Static Random Access Memory: Flüchtiger Speicher der beliebig oft
gelesen und beschrieben werden kann. Wird z. B. zur Speicherung von Variablen
und des Stacks verwendet.
32 programmierbare Ein- und  Der Mikrocontroller ist 40-polig. Davon können 32 Pole entweder als Ein- oder AusAusgänge
gang programmiert werden.
Periphere Module
Zwei 8-bit- und ein 16-bit-  Die vom Quarzoszillator gesteuerten Timer erlauben z. B. präzise Zeitmessungen
Timer mit Vorteilern und Veroder Interrupts bei bestimmten Zählerständen. Die maximalen Zählerstände sind bei
gleichs-Modus
8 bit 255 und bei 16 bit 1023. Vorteiler erlauben eine Verringerung der Zählrate.
Programmierbare USART
 USART steht für Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter: Serielle Schnittstelle, die zur Datenübertragung zwischen Mikrocontroller und Computer
benutzt wird.
I2C Interface
 I2C ist ein synchroner, serieller Zweidraht-Bus mit einer Daten- und einer Taktleitung
zur Kommunikation zwischen ICs. Nach dem Master-Slave-Prinzip kann ein Master
bis zu 128 Slaves ansprechen. Die Übertragungsrate liegt im Standard-Mode bei 100
kbit/s.
Externe und interne Interrupts
 Interrupts unterbrechen das Hauptprogramm des Mikrocontrollers, um kurzfristige
und zeitkritische Verarbeitungen durchzuführen. Externe Interrupts werden durch am
Mikrocontroller angeschlossene Hardware gesteuert, interne Interrupts durch die
Programmierung des Mikrocontrollers.
4 PWM-Ausgänge
 PWM steht für Pulse Width Modulation (Pulsweitenmodulation): Timer stellen an 4
Ausgängen Rechteckimpulse der Dauer t und Unterbrechungsdauer T-t mit variablem Tastverhältnis t/T zur Verfügung.
8 10-bit ADC
 ADC steht für Analog to Digital Converter (A/D-Wandler): Integrierte Schaltung, die
analoge Eingangsspannung U e in digitale Ausgangsspannung (Zahl) umwandelt.
 10-bit: Auflösungsvermögen des A/D-Wandlers. Kleinster auflösbarer Spannungsunterschied ist (U e,max - U e,min )/210.
Tab. 34: Features des Mikrocontrollers ATmega16.
V TECHNIK von RCLs
V.2.1.2
152
Basisschaltung und Erweiterungsschaltungen
Abb. 60 zeigt am Beispiel des RCLs Elektronenbeugung die Platine des Interface mit den
Funktionsgruppen 1 - 5 der Basisschaltung und den Funktionsgruppen 6 und 7 der Erweiterungsschaltungen (← V.1.1, Abb. 59):
Abb. 60: Platine des Interface des RCLs Elektronenbeugung.
Abb. 61 zeigt den dazugehörigen Schaltplan mit den Nummern der Funktionsgruppen und
die Pinbelegung des Mikrocontrollers ATmega16:
Abb. 61: Schaltplan des Interface des RCLs Elektronenbeugung (links) und Pinbelegung
des Mikrocontrollers ATmega16 (rechts).
V TECHNIK von RCLs
153
 Basisschaltung
Die Spannungsversorgung (1) des Interface erfolgt über ein Universal-Steckernetzteil mit
der Betriebsspannung U b = 12 V. Eine Diode SB140 schützt die Elektronik des Interface
vor falscher Polung der Spannungsversorgung. Der Spannungsregler L7805 wandelt die
Betriebsspannung am Hohlstecker in eine Gleichspannung von 5 V für die Spannungsversorgung der elektronischen Bauelemente des Interface um. Die Betriebsspannung
kann im Interface kann auch direkt zur Ansteuerung von Relais oder zur Spannungsversorgung kleinerer Motoren verwendet werden. Bei Bedarf kann unter Beachtung der Kühlung des L7805 das Interface mit höheren Betriebsspannungen z. B. für stärkere Schrittmotoren betrieben werden.
Die nicht hinreichend stabile und temperaturabhängige Frequenz des internen RCOszillators im Mikrocontroller (2) kann bei Verwendung der USART zu Problemen führen.
Daher wird ein externer 11,0592 MHz Schwingquarz (3) eingesetzt. Der IC MAX232 ist
ein Pegelwandler, der die 0V/+5 V-Signale der seriellen Schnittstelle (4) des Mikrocontrollers an die ±12 V-Signale der seriellen Schnittstelle des Computers anpasst. Über den
ISP-Stecker kann der Mikrocontroller programmiert werden (5). Das Interface in der Basisschaltung kann im Selbstbau angefertigt werden (→ Anhang XI.1).
 Erweiterungsschaltungen
Nur die wenigsten Aktoren, Sensoren, gesteuerte Geräte und Bauelemente eines RCLs
lassen sich direkt vom Mikrocontroller ansteuern. Beim RCL Elektronenbeugung wird die
Heizspannung der Elektronenkanone mit einem Relais zum Schalten der Netzspannung
des Hochspannungsnetzgerätes einund ausgeschaltet (6). Liefert der Mikrocontroller am
Port PA0 die Spannung 5 V (high), so wird die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
BC 337 niederohmig, fast die gesamte Betriebsspannung U b = 12 V fällt über dem Relais
ab und es fließt ein Strom durch das Relais. Die Diode 1N4001 schützt den Transistor vor
Induktionsspannungsspitzen beim Ein- und Ausschalten induktiver Verbraucher wie z. B.
Spulen, Relais oder Motoren.
Am Steuereingang des Hochspannungsnetzgeräts kann durch Anlegen einer Steuerspannung U S zwischen 0 V und 5 V die Beschleunigungsspannung der Elektronenkanone
zwischen 0 und 4,3 kV im belasteten Zustand bei eingeschalteter Glühkathode variiert
werden. Die analoge Steuerspannung U S erzeugt ein 8-bit Digital-Analog-Wandler
PCF8591, der über den I2C-Bus des Mikrocontrollers (Ports PC0 und PC1) mit Binärcodes zwischen 0 und 255 angesteuert wird (7). Die Ausgangsspannung des D/AWandlers liegt in 256 Stufen zwischen 3,70 mV und 4,97 V. Dieser Schaltung wurde der
Vorzug gegenüber der Erzeugung einer Steuerspannung mit Hilfe eines der Pulsweitenmodulationsausgänge des Mikrocontrollers gegeben, weil der Programmieraufwand geringer und die Steuerspannung keine Restwelligkeit aufweist.
Eine Übersicht zu Erweiterungsschaltungen für Sensoren und Aktoren (→ Anhang XI.2.1)
zeigt die Anpassungsfähigkeit des Interface an die unterschiedlichsten Experimente.
V TECHNIK von RCLs
V.2.1.3
154
Programmierung des Mikrocontrollers
Im Folgenden wird die Programmstruktur des Mikrocontroller-Programms und die Übertragung des Programmcodes in den Mikrocontroller beschrieben:
 Programmstruktur166
Der Mikrocontroller ist mit einem Programm (Firmware) ausgestattet, um die Aufgaben
des Interfaces abzuarbeiten. Hierzu zählen im Wesentlichen Programmteile zur Kommunikation mit dem RCL-Server und zur Steuerung des Experiments, da das Interface eine
Schnittstelle zwischen Experiment und RCL-Server darstellt. Weitere Programmteile sind
beispielsweise zur Initialisierung des Versuchsaufbaus und der Steuerparameter sowie
zur Konfiguration des Interfaces realisiert. Abb. 62 zeigt ein Flussdiagramm der Programmteile zur Kommunikation mit dem RCL-Server und zur Steuerung des Experiments:
Abb. 62: Flussdiagramm der Programmierung des Mikrocontrollers.
Der Programmteil zur Kommunikation mit dem RCL-Server besteht im Wesentlichen aus
einer Schleife, die unablässig auf Steuerzeichen des RCL-Servers wartet, diese gegebenenfalls empfängt und auswertet. Soll mittels eines empfangenen Steuerzeichens der
Versuchsaufbau angesteuert werden, wird vom Kommunikations-Programmteil eine entsprechende Anweisung für den Steuerungs-Programmteil generiert. In der Schleife werden auch Antworten wie z. B. Messergebnisse des Steuerungs-Programmteils entgegengenommen und an den RCL-Server ausgegeben.
Der Kommunikations-Programmteil kann Kommandos mit und ohne Parameter entgegennehmen und verarbeiten. So lassen sich einfache Befehle wie Start und Stopp eines Motors, aber auch speziellere Anweisungen wie "Messe über den Bereich von a nach b mit
166
Text von M. Vetter.
V TECHNIK von RCLs
155
einer Schrittweite c" ausführen. Auch Messergebnisse oder Statusinformationen in Form
einzelner Daten wie Zahlen oder Listen können vom Kommunikations-Programmteil an
den RCL-Server übertragen werden. Ferner übernimmt der KommunikationsProgrammteil auch den Austausch von Konfigurationsdaten für das Interface, beispielsweise Motorparameter oder Zeitvorgaben für eine Standby-Funktion. Schließlich gibt der
Kommunikations-Programmteil auch Fehlermeldungen an den RCL-Server aus, etwa bei
einem Fehlerzustand im Experiment oder bei fehlerhaften Anweisungen des Besuchers
bzw. des RCL-Servers.
Im Programmteil zur Steuerung des Experiments erfolgt die Ansteuerung von Aktoren und
das Auslesen von Sensoren mittels elektronischer Aus- und Eingänge (Ports) des Mikrocontrollers. Gegebenenfalls sind zwischen den Ports des Mikrocontrollers und dem Experiment Erweiterungsschaltungen erforderlich (← V.2.1.2, ▪ Erweiterungsschaltungen).
Der Steuerungs-Programmteil ist als Interrupt-Routine implementiert. Interne Zeitgeber
des Mikrocontrollers rufen den Programmteil zyklisch z. B. alle 1 oder 10 Millisekunden
auf, wobei die zuvor beschriebene Schleife des Kommunikations-Programmteils kurzzeitig
für die Abarbeitung des Steuerungs-Programmteils unterbrochen wird. Hierdurch wird die
Steuerung als Real-Time-Prozess 167 ausgeführt und es können insbesondere zeitkritische
Steueraufgaben mit einer Auflösung von ungefähr 1 - 10 ms zuverlässig erledigt werden.
Ferner ist im Mikrocontroller und dem Programm ein sogenannter Watchdog installiert,
der das Programm bei einem Programmabsturz automatisch neu startet. Der Watchdog
als elektronische Baugruppe im Mikrocontroller führt einen Neustart des Mikrocontrollers
(Reset) durch, sofern er nicht mehr über das Programm in vorgegebenen Zeitintervallen
angesteuert wird.
Je nach RCL gibt es noch weitere Interrupt-Routinen, die unabhängig vom Zeittakt des
Mikrocontrollers auf externe Ereignisse wie z. B. Ausgangsspannungsänderungen eines
Sensors reagieren. Damit kann besonders schnell auf Erfordernisse des Experiments reagiert oder es können Zeitmessungen mit einer Genauigkeit von ungefähr 10-6 s durchgeführt werden. Im Anhang (→ Anhang XI.3.1) ist der Pascal-Quellcode für den Mikrocontroller des RCLs Elektronenbeugung verfügbar.
 Programmübertragung
Nach der Kompilierung des Assembler-, Basic-, C+-, C++- oder Pascal-Programms liegt
eine Hexadezimaldatei vor, die vom Computer in den Mikrocontroller übertragen werden
muss (Flashen des Programms). Zur Programmübertragung muss das AVR-Studio installiert und konfiguriert sein (→ Anhang XI.4.1). Abb. 63 zeigt wie die Programmübertragung
durchgeführt wird:
167
Real-Time bedeutet hier, dass die maximale Dauer eines Vorgangs vorhersehbar und gewährleistet ist, dass eine Steueraufgabe nach einer vorhersehbaren Zeit abgeschlossen ist.
V TECHNIK von RCLs
156
Abb. 63: Programmübertragung zwischen Computer und Mikrocontroller im Interface des RCLs Elektronenbeugung über USB-Seriell-Adapter und ISPProgrammer.
Das Interface braucht nicht mit dem Experiment verbunden zu sein. Auch Erweiterungsschaltungen innerhalb oder außerhalb des Interface müssen nicht mit dem Mikrocontroller
verbunden sein. Das Interface ermöglicht über die ISP-Schnittstelle die Programmierung
mit einem preisgünstigen ISP-Programmer ohne ein teureres Experimentierboard 168. Zur
Übertragung des Programms muss in folgenden Schritten vorgegangen werden:
(1) Spannungsversorgung des Interface zur Sicherheit unterbrechen, weil beim Verbinden
mehrpoliger Steckerverbindungen es zu Kurzschlüssen kommen kann.
(2) 10-poligen ISP-Stecker des ISP-Programmers an die ISP-Schnittstelle des Interface
anschließen.
(3) ISP-Programmer an die serielle Schnittstelle oder über USB-Seriell-Adapter an die
USB-Schnittstelle des Computers anschließen.
(4) Spannungsversorgung des Interface wieder herstellen.
(5) AVR-Studio unter Start/Programme aufrufen und nach Abb. 64 in der Registerkarte
Program unter Flash die zu übertragende Hexadezimal-Datei z. B. Elektronenbeugung.hex auf der Festplatte auswählen und Program wählen.
168
Vgl. ATMEL STK 500 Entwicklerkit bei Reichelt Elektronik.
V TECHNIK von RCLs
157
Abb. 64: Übertragung der Hexadezimaldatei Elektronenbeugung.hex in den Mikrocontroller.
(6) Spannungsversorgung des Interface unterbrechen, ISP-Programmer vom Interface
trennen, AVR-Studio beenden und den ISP-Programmer vom Computer trennen.
V.2.2
Hyperterminal
Nach der Programmübertragung kann das Experiment über das konfigurierte Hyperterminal
(→ Anhang XI.5.4) lokal gesteuert werden. Mit dem Hyperterminal können als Text eingegebene Befehle über einen Com-Port des Computers an den Mikrocontroller gesendet oder
von diesem empfangen werden. Der Computer muss wie bei der Programmübertragung mit
dem Interface per Null-Modem-Kabel über die serielle Schnittstelle oder einen USB-SeriellAdapter verbunden sein. Das Interface muss an die Versorgungsspannung anschlossen sein
und braucht nicht mit dem Experiment verbunden zu sein. Abb. 65 zeigt nach Eingabe von ?
und von param? im Hyperterminal die Befehlsliste des Mikrocontrollers für das RCL Elektronenbeugung:
V TECHNIK von RCLs
158
Abb. 65: Befehlsliste des Mikrocontrollers
im Hyperterminal für das RCL
Elektronenbeugung.
Tab. 36 gibt Erläuterungen zur Befehlsliste:
Befehl
Erläuterung
DA x
 Am Eingang des D/A-Wandlers wird die Zahl x (0 - 255) im Binärcode
angelegt und die Ausgangsspannung des Hochspannungsnetzgeräts
bzw. die Beschleunigungsspannung der Elektronenkanone eingestellt
On/Off
 Hochspannungsnetzgerät und Glühkathode der Elektronenkanone einoder ausschalten. Beim Einschalten wird die Steuerspannung des Interface am Hochspannungsnetzgerät auf ≈ 0 V einstellt
Standby
 Ausgabe der eingestellten Standbyzeit von 300 s
setSB x
 Standbyzeit einstellen
next Standby in
 Ausgabe der verbleibenden Standbyzeit (254 s) bis das Experiment
ausgeschaltet wird. Eine negative Standbyzeit gibt die Zeit seit dem Ablauf der Standbyzeit an
Power On Delay
 Ausgabe der Verzögerungszeit (2 s) bis das Hochspannungsnetzgerät/Elektronenbeugungsröhre nach Ablauf der Standbyzeit erneut eingeschaltet werden kann
setPOD x
 Verzögerungszeit einstellen
power on enabled in
 Ausgabe wie lange Hochspannungsnetzgerät nicht eingeschaltet werden kann. Zeiten unter 0 bedeuten, dass Power-On-Delay-Zeit ablaufen
ist
Tab. 35: Erläuterung der Befehle in Abb. 65.
V.2.3
Positionieren von Objekten
In fast allen RCLs des RCL-Portals außer den RCLs Elektronenbeugung und Oszilloskop
müssen Objekte rotatorisch oder translatorisch positioniert werden. Eingesetzt werden Hybrid-Schrittmotoren als Aktoren, eine Schrittmotorsteuerung von Trinamic als Erweiterungsschaltung (TMC222-Modul), die Positionierungseinheit ausgedienter Flachbrett-Scanner und
ein Referenz-Taster als Sensor.
V TECHNIK von RCLs
V.2.3.1
159
Hybrid-Schrittmotoren
Abb. 66 zeigt den vereinfachten schematischen Aufbau eines zweiphasigen Schrittmotors
mit getrennten magnetischen Kreisen des Stators und einem permanent magnetisierten
zweipoligen Rotor (Polpaarzahl 1):
Abb. 66: Funktionsprinzip von Schrittmotoren: Unipolare (links) und bipolare Schaltung (rechts)
169
von Schrittmotoren
mit Bestromungstabellen für Voll- und Halbschrittbetrieb. Dargestellt ist der Schritt 0.
Der Rotor verfügt bei der dargestellten Polreihenfolge S-S-N-N des Stators über eine stabile
Stellung, bei einer hypothetischen Polreihenfolge N-S-N-S magnetischer Monopole gäbe es
mit diesem Aufbau des Stators nur instabile Stellungen des Rotors. Um den Rotor in Bewegung zu setzen, muss die Polreihenfolge S-S-N-N im oder entgegen den Uhrzeigersinn
(Rechts- oder Linksdrehung) weitergeschaltet und der Rotor vom magnetischen Schrittfeld
mitgenommen werden.
Die magnetische Polarität eines magnetischen Kreises lässt sich entweder durch zwei Spulen konstanter elektrischer Polarität mit unterschiedlichem Wicklungssinn (herstellungstechnisch zu aufwendig), durch eine Spule mit Mittelanzapfung und konstanter elektrischer Pola-
169
Modifizierte Abbildung aus Traeger 2007, Abb. 3.13, S. 81.
V TECHNIK von RCLs
160
rität der beiden Teilspulen (unipolare Schaltung) oder durch eine Spule mit wechselnder
elektrischer Polarität (bipolare Schaltung) realisieren. In Abb. 66 sind für uni- und bipolare
Schaltung die Bestromungstabellen für eine Rechtsdrehung des Rotors dargestellt. Für eine
Linksdrehung des Rotors muss die Schrittfolge in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen werden.
Es wird zwischen Vollschrittbetrieb (graue Zeilen der Tabellen in Abb. 66) mit Schrittwinkel
90° bzw. Schrittzahl 4 und Halbschrittbetrieb (alle Zeilen der Tabellen in Abb. 66) mit Schrittwinkel 45° bzw. Schrittzahl 8 unterschieden. Beim Vollschrittbetrieb werden immer beide
magnetische Kreise bestromt und die N-S-Polachse des Rotors nimmt nur Stellungen zwischen den Statorpolen an. Beim Halbschrittbetrieb wird zwischen den Vollschritten nur einer
der magnetischen Kreise bestromt und die N-S-Polachse des Rotors kann zusätzlich 4 Stellungen in Richtung der Statorpole einnehmen. Der Hybrid-Schrittmotor ist die am häufigsten
vertretene Bauform von Schrittmotoren. Abb. 67 zeigt den Aufbau eines HybridSchrittmotors:
Abb. 67: Aufbau eines Hybrid-Schrittmotors für unipolare und
bipolare Schaltung. Daten: Schrittwinkel 1,8°, max.
Drehmoment 15,5 Ncm.
Der Stator besteht aus zwei Strängen mit je 4 in Reihe geschalteten Spulen. Der Wicklungssinn der Spulen ist in beiden Strängen so, dass sich die Polfolge N-S-N-S über den
Umfang ergibt. Beide Stränge zusammen ergeben unabhängig von der Stromrichtung eine Polfolge N-N-S-S-N-N-S-S über den Umfang. Ein zweipoliger Rotor (Polpaarzahl 1)
kann im Vollschrittbetrieb 4 Stellungen annehmen. Der Rotor des Hybridschrittmotors besteht aber aus axial magnetisierten Permanentmagneten, deren Polpaarzahl durch axial
versetzte weichmagnetische Zahnscheiben auf 50 erhöht wurde. Dadurch erhöht sich die
Schrittzahl auf 4 ⋅ 50 = 200 und der Schrittwinkel verkleinert sich auf 360°/200 = 1,8°. Um
V TECHNIK von RCLs
161
stabile Rotorstellungen zu erhalten, müssen die Statorsegmente ebenfalls gezahnt ausgeführt werden.
Ein solcher Hybrid-Schrittmotor vereint die Vorteile des Reluktanz- und des permanenterregten Schrittmotors: Ein kleiner Schrittwinkel wird durch das von Reluktanzschrittmotoren
bekannte Prinzip der Erzeugung einer Vielzahl von Polen des Rotors durch Zahnscheiben
erzielt. Ein hohes Drehmoment wird durch das von permanenterregten Schrittmotoren bekannte Prinzip der Ausführung des Rotors als Permanentmagnet erzielt. Aufgrund der bifilaren Wicklung besteht jede Statorwicklung aus zwei Teilspulen und der Schrittmotor
kann in unipolarer (alle 6 Anschlüsse verwendet) und bipolarer Schaltung (nur 4 Anschlüsse verwendet, gemeinsamer Anschluss der Teilspulen bleibt unverwendet) wie in
Abb. 67 dargestellt verwendet werden.
Schrittmotoren erlauben nicht nur das Bewegen, sondern innerhalb der Leistungsgrenzen
(keine Schrittverluste) auch ein genaues Positionieren von Objekten. Bei bekannter
Schrittzahl auf einer gemessenen Strecke oder Schrittzahl für den Vollwinkel können ausgehend von einer Referenzstellung Objekte translatorisch oder rotatorisch positioniert
werden.
V.2.3.2
Schrittmotorsteuerung und Positionierungsmechanik
Im Folgenden wird die bei allen RCLs mit Schrittmotoren eingesetzte Schrittmotorsteuerung,
die Mechanik zur translatorischen Positionierung von Objekten und die Funktionsweise eines
Referenztasters beschrieben:
 Schrittmotorsteuerung
Abb. 68 zeigt das Blockschaltbild und das im Selbstbau herstellbare TMC222-Modul (→
Anhang XI.2.2.1, → Anhang XI.2.2.2) mit dem IC TMC222 von Trinamic zur Steuerung bipolarer 2-phasiger Hybrid-Schrittmotoren:
Abb. 68: Blockschaltbild (links) und Platine des TMC222-Moduls (rechts) mit IC TMC 222 auf
der Lötseite der Platine.
V TECHNIK von RCLs
162
Der IC TMC222 enthält ein I2C-Interface zum Anschluss an den I2C-Bus des Mikrocontrollers (Ports PC0 und PC1). Die 10 kΩ-Pull-up-Widerstände heben die Takt- (SCL,
clock) und Datenleitung (SDA, data) auf ein Potential von 5 V. Der IC TMC222 enthält einen Motortreiber für Spulenströme bis zu 800 mA und einen Motor-Controller zur Steuerung der Spulenströme. Ein Vorteil des TMC-Moduls ist der relativ geringe Programmieraufwand für den Mikrocontroller (→ Anhang XI.2.2.3), da der IC TMC222 nach Übergabe
der Steuerungsparameter (Drehrichtung, Drehzahl, …) vom Mikrocontroller die Ansteuerung des Schrittmotors übernimmt. Der IC TMC222 unterstützt das Beschleunigen und
Abbremsen des Schrittmotors, enthält einen Schrittpositionszähler und unterstützt Mikrostepping (variable Spulenströme zur elektronischen Verkleinerung des Schrittwinkels und
größerer Laufruhe).
Falls in RCLs Gleichstrommotoren mit höheren Drehzahlen als Schrittmotoren benötigt
werden, kann eine andere Erweiterungsschaltung (→ Anhang XI.2.4) eingesetzt werden.
 Positionierungsmechanik und Referenz-Taster
Die Mechanik zur rotatorischen Positionierung von Objekten kann meist kostengünstig
selbst oder durch Personal in einer Werkstatt angefertigt werden. Abb. 69 zeigt eine kostengünstige Lösung zur translatorischen Positionierung von Objekten:
Abb. 69: Positionierungseinheit eines FlachbrettScanners. Schrittmotor (1), Getriebe (2), Linearführung (3), Antriebsriemen (4) und ergänzter Referenz-Taster (5).
Falls der geometrische Aufbau und die geforderte Positionierungsgenauigkeit des RCLs
es zulassen, kann die Schrittmotor-Positionierungs-Einheit ausgedienter FlachbrettScanner zur translatorischen Positionierung von Objekten verwendet werden. In Einzelfällen wie dem RCL Weltpendel kann die Positionierungsmechanik auch selbst angefertigt
werden. Der Referenz-Taster in Abb. 69 wird eingesetzt, um abzufragen, ob ein vom
Schrittmotor bewegtes Objekt die Position des Tasters erreicht hat und um diese Position
zu referenzieren. Ohne eine solche Referenzierung kann die Positionierung eines Objekts
langfristig ungenau werden. So kann z. B. beim RCL Weltpendel das Auftreffen der Kugel
V TECHNIK von RCLs
163
auf den Magneten zum Überspringen von Schrittmotorstellungen führen. Der Zustand des
Referenz-Tasters in Abb. 70 wird z. B. über den Port PA0 des Mikrocontrollers abgefragt:
Abb. 70: Referenz-Taster zum referenzieren der
Position des bewegten Objekts.
Zu Problemen können undefinierte Zustände der Eingänge des Mikrocontrollers führen,
wie sie beim Prellen, dem zeitlich begrenzten schwingen eines Tasters beim Öffnen oder
Schließen entstehen. Abhilfe schafft ein passend dimensionierter, parallel zum Taster geschalteter Kondensator: Bei geöffnetem Taster ist der Kondensator aufgeladen. Beim
Schließen hält der Kondensator die Spannung über die Schwingphase trotz kurzzeitig
wieder geöffnetem Schalter noch aufrecht. Analoges gilt für den Übergang vom geschlossenen zum geöffneten Taster.
V.3
Ferngesteuertes RCL
V.3.1
RCL-Server
Für den Betrieb eines RCLs wird ein RCL-Server benötigt (← V.1.1). Vorausgesetzt wird,
dass bei einem neuen Computer alle notwendigen Treiber (Ethernet, Video, Audio, …) zum
Betrieb der Hardware des Computers und Windows XP Professional mit Service Pack 3 installiert sind. Ein Benutzerkonto braucht nicht angelegt zu werden.
Der RCL-Server benötigt einen Internetzugang mit statischer IP-Adresse und Uploaddatenrate von mindestens 200 kbit/s (DSL 2000) für die flüssige Wiedergabe von Bewegungen in
Webcambildern. Die statische IP-Adresse wird von der Institution am Standort des RCLs
vergeben oder kann von Privatpersonen bei einem Provider beantragt werden. Mit folgenden
Schritten wird der RCL-Server eingerichtet:
 Internetzugang einrichten (→ Anhang XI.5.1) und im Browser testen
 Checken, ob die Windows Firewall aktiviert ist
 Virenschutzproramm Avira Antivir Personal herunterladen (← V.1.2, Tab. 32), installieren
und aktualisieren
 Über Windows Update alle Updates von Windows XP Professional installieren
V TECHNIK von RCLs
164
 Fernwartungssoftware TeamViewer 6 Host herunterladen und installieren (→ Anhang
XI.5.5). Dabei ID und vergebenes Passwort notieren. Auf anderem Computer mit Internetzugang die TeamViewer 6 Vollversion herunterladen (← V.1.2, Tab. 32), installieren und
mit ID und Passwort den Zugriff auf den RCL-Server testen
 Webeditor Notepad++ herunterladen, installieren und aktualisieren (← V.1.2, Tab. 32)
 Videoserver WebcamXP 5 herunterladen und installieren (→ Anhang XI.5.3)
 Paket XAMPP herunterladen und installieren (→ Anhang XI.5.2). Verknüpfungen mit den
Dateien ../xampp/htdocs/apache_start.bat und ../xampp/htdocs/apache_stop.bat auf dem
Desktop oder in der Schnellstartleiste erstellen und Webserver mit erstgenannter Verknüpfung starten. Webserver durch Eingabe von 127.0.0.1 oder localhost ins Adressfeld
des Browsers testen. Bei erfolgreichem Test werden die im Ordner ../xampp/htdocs abgelegten Webseiten von XAMPP dargestellt. Statische IP-Adresse des RCL-Servers im
Browser eines anderen Computers mit Internetzugang eingegeben. Bei erfolgreichem
Test werden die Webseiten von XAMPP dargestellt. In der Datei ../xampp/php/php.ini unter Resource Limits die max_execution_time mit dem Windows-Editor von 60 auf 300 erhöhen und die Datei speichern, damit PHP bei Befehlen mit längerer Ausführungsdauer
keine Fehlermeldung liefert.
 Ordner ../xampp/htdocs mit den Webseiten von XAMPP in ../xampp/htdocs_xampp umbenennen und für spätere Testzwecke nicht löschen. RCL-Ordner htdocs herunterladen
(← V.1.2, Tab. 32), extrahieren und in das Verzeichnis ../xampp verschieben.
Abb. 71 zeigt die Struktur des RCL-Ordners htdocs:
Abb. 71: Struktur des RCL-Ordners htdocs. RCL-spezifisch anzupassende Dateien sind grau
hinterlegt.
Der geöffnete Ordner Labor enthält alle PHP- und HTML-Dateien bzw. Programmierungen
für die Funktionalität des Bedienfelds der Laborseite (← V.1.1, Abb. 58). An das RCL anzupassen sind die portalsprachenunabhängigen Dateien config.php und experiment.php sowie
V TECHNIK von RCLs
165
für jede Portalsprache die Dateien default.conf und experiment.tpl in den Ordnern eng, fra,
ger und ita:
 Datei config.php: Zeit bis zum automatischen Logout beim Experimentieren mit dem RCL
eintragen
 Datei experiment.php: PHP-Basisprogrammierung um
Programmierung erweitern (→ V.3.2.1)
die RCL-spezifische PHP-
 Datei default.conf: Name des RCLs (z. B. Elektronenbeugung) in jeder Portalsprache eingetragen
 Datei experiment.tpl: HTML-Basisprogrammierung um RCL-spezifische Ein- und Ausgabefelder erweitern (→ V.3.2.1)
V.3.2
Laborseite
V.3.2.1
Steuerung des RCLs über das Bedienfeld
Das Bedienfeld der Laborseite (← V.1.1, Abb. 58) wird von der Datei experiment.tpl erzeugt.
Befehle wie das Anklicken von Buttons, Eingaben und Auswahl aus Listen werden in ein
HTML-Formular mit Formularfeldern geschrieben. Die Daten werden von der PHP-Datei experiment.php ausgewertet und über die serielle Schnittstelle dem Mikrocontroller-Programm
zur Steuerung des Experiments übergeben. Die Dateien experiment.tpl und experiment.php
wurden getrennt angelegt, um Code und Design zu trennen und nur die kleinere Datei experiment.tpl an die Portalsprachen anpassen zu müssen.
Tab. 36 enthält Ausschnitte der HTML-Datei experiment.tpl (→ Anhang XI.3.3), der Datei experiment.php (→ Anhang XI.3.2) und des Mikrocontroller-Programms (→ Anhang XI.3.1) für
das RCL Elektronenbeugung:
V TECHNIK von RCLs
166
experiment.php
experiment.tpl
Code mit Erläuterung
18,21: Tag <form></form> definiert ein Formular.
18:
Attribut "action" legt fest, dass Formulardaten in der Datei "index.php" verarbeitet werden. Übertragen
werden die Session-ID ($sid) und ($portal). "post" ist eine Übertragungsmethode zwischen Browser und
Webserver.
20:
Erzeugt im Bedienfeld den Sendebutton ("submit") mit der Aufschrift "Elektronenröhre einschalten" ("value").
19:
Unsichtbares Feld ("hidden") mit Variablennamen "action" und Wert "RöhreAn". Der Variablenname "action" stimmt nur zufällig mit "action" in Zeile 18 überein.
37:
Für den Fall, dass die Variable "$action" den Wert "RöhreAn" hat, wird die Funktion "power_on()" aufgerufen.
Quellcode Mikrocontroller
59:
Schreibt in die Logdatei "log.txt" den Text "RöhreAn".
60,61: Öffnet den in der Datei config.php angegebenen Com-Port und gibt Fehlermeldung "Can not access file
system" im Bedienfeld aus, falls der Com-Port sich nicht öffnen lässt. "w+" setzt den Dateizeiger auf den
Anfang der "Datei".
62:
Sendet die Zeichenfolge "On" und "chr(13) ≡ Return" an den Mikrocontroller.
63:
Schließt serielle Schnittstelle.
166:
167:
168:
169:
171:
Wird über die serielle Schnittstelle der Befehl "on" empfangen und sind Zeiten für PowerOnDelay und
Standby abgelaufen, dann wird Elektronenbeugungsröhre eingeschalten
Elektronenbeugungsröhre einschalten
Der DA-Wandler PCF8591 wird unter seiner Adresse PCF8591 = 01001000 angesprochen. Parametereinstellungen mit 01000000 und Ausgangsspannung auf 0 V einstellen
Setzt Standby auf vorgegebene Standbyzeit zurück
Gibt Meldung aus, wie lange PowerOnDelay noch dauert.
Tab. 36: Übertragung des Befehls "Elektronenröhre einschalten" vom Bedienfeld zum Experiment.
Anhand der Erläuterungen der Programmcodes können die Abläufe zwischen dem Drücken
des Buttons "Elektronenröhre einschalten" und dem Einschalten der Elektronenbeugungs-
V TECHNIK von RCLs
167
röhre oder der Eingabe einer Beschleunigungsspannung und dem Anlegen einer Beschleunigungsspannung verfolgt werden. Über das Bedienfeld können nur die Befehle on und da
der insgesamt implementierten Befehle (→ V.2.2, Abb. 65) aufgerufen werden.
V.3.2.2
Videoübertragung im Webcamfeld
Zur Aufnahme von Livebildern des Experiments können USB-Webcams und IP-Kameras
(Netzwerkkameras) eingesetzt werden. Bei USB-Webcams sollten bevorzugt von Windows
XP Professional per Plug & Play erkennbare eingesetzt werden. Teurere IP-Kameras müssen eingesetzt werden, wenn die Kamera wie z. B. beim RCL Roboter im Labyrinth zu weit
vom Computer entfernt ist oder eine besonders lichtempfindliche Kamera aus der Überwachungstechnik wie z. B. beim RCL Millikan-Versuch benötigt wird. W-LAN-Kameras kommen
zum Einsatz, wenn Bilder von einem beweglichen Objekt aus, wie z. B. beim RCL Roboter
im Labyrinth, übertragen werden sollen.
Das Videoserverprogramm webcamXP 5 erkennt beim Aufrufen automatisch an den RCLServer angeschlossenen USB-Webcams. Vor dem Kauf einer IP-Kamera ist zu prüfen, ob
das Modell unterstützt wird. 170 IP-Kameras müssen im Kontextmenü der Videoquelle konfiguriert werden. Abb. 72 zeigt das Webcambild einer USB-Webcam vom Szintillationsschirm der
Elektronenbeugungsröhre:
Abb. 72: Webcambild des Szintillationsschirms der Elektronenbeugungsröhre
einer
USB-Webcam
in
webcamXP 5 beim RCL Elektronenbeugung.
170
Vgl. Moonware Studios, webcamXP, IP-cameras for webcamXP.
V TECHNIK von RCLs
168
Zum Einbinden des Webcambilds in die Laborseite des RCLs wird die laborsprachenabhängige Datei video.htm (→ Anhang XI.3.4) in den Ordnern eng, fra, ger und ita verwendet.
Standardmäßig werden zwei Webcambilder und Screenshots unterstützt, der Code für weitere Webcambilder kann durch copy and paste hinzugefügt werden.
Unter den Technologien Java, Javaskript, Flash und Windows Media für die Wiedergabe eines Livestreams auf eine Webseite wurde Javaskript gewählt, weil die anderen Technologien
die Installation des Java Runtime Environments (JRE), des Flash- oder Windows Media
Players durch den Besucher eines RCLs voraussetzen. Die Wiedergabe des Livestreams mit
einem Java-Applet startet zudem erst verzögert nachdem das Applet geladen ist und verfügt
über eine zu geringe Wiedergabegeschwindigkeit.
V.3.3
Bestandteil der Entwicklung eines RCLs ist die Erstellung einer Standard-Lernumgebung
zum RCL. Abb. 73 zeigt exemplarisch für die deutschen Webseiten im Ordner ger das Menü
(← V.1.1, Abb. 58) und die Dateistruktur der Standard-Lernumgebung:
Abb. 73: Deutschsprachiges Menü und Dateistruktur der Standard-Lernumgebung.
RCL-spezifisch anzupassende Dateien sind grau hinterlegt.
Die englischen Dateinamen introduction.htm, setup.htm, … im Ordner ger korrespondieren
mit den deutschen Menüpunkten. Wird das RCL unter dem Menüpunkt RCLs des RCLPortals aufgerufen, dann ruft die Frameset-Datei index.htm die Dateien menü.htm und introduction.htm auf und das Menü wird zusammen mit der Webseite Einstieg dargestellt. Die
Wahl weiterer Menüpunkte ruft jeweils die korrespondiere Datei im Ordner auf. Bei Wahl des
Menüpunkts Labor werden mit der Frameset-Datei laboratory.htm die Dateien video.htm für
das Webcamfeld und die Datei labor/index.php für das Bedienfeld aufgerufen.
V TECHNIK von RCLs
169
Im Ordner ../docs/material werden alle Dokumente für die Webseite Material, im Ordner
../docs/others die Dokumente anderer Webseiten abgelegt. Im Ordner ../docs/originals sind
die Originale von Dokumenten wie z. B. Word-Dateien und der verwendeten Bilder abgelegt.
Grafikdateien der Webseiten Einstieg, …, Auswertung, …, Betreuung werden in gleichnamigen Ordnern wie z. B. ../images/analysis abgelegt. Bei sprachenunabhängigen Grafikdateien
wird unter dem Dateinamen abbx.*, bei sprachenabhängigen unter dem Dateinamen
abbx_lan.* mit lan = eng, fra, ger und ita gespeichert. Analoges gilt für die als gif-Grafiken
forx.gif oder forx_lan.gif zu speichernden Formeln. Originale von Bildern werden im Ordner
../images/originals abgelegt. Die Webseite zur Datei htdocs/index.htm enthält zum lokalen
Aufrufen der Standard-Lernumgebung Links zu den vier Index-Dateien in den Ordnern eng,
fra, ger und ita. Die Stylesheet-Datei htdocs/rcl_style.css enthält die Styles der Webseiten.
In der Regel werden Standard-Lernumgebungen der RCLs des RCL-Portals von verschiedenen Personen erstellt. Fehlende Gestaltungs- und Formatierungsregeln führen zu einem uneinheitlichen, inattraktivem Erscheinungsbild des RCL-Portals. Tab. 37 gibt einen Überblick
der wichtigsten Gestaltungs- und Formatierungsregeln:
Element
Richtlinien
 Die Webseiten Einstieg, Aufbau, Aufgaben, Diskussion, Material und Support enthalten vorgegebene
Gliederungspunkte, teilweise mit ausgeführten Überschriften.
Gliederung
 Die umfangreicheren Webseiten Theorie und Auswertung enthalten ein Inhaltsverzeichnis mit internen
Links zu Gliederungspunkten. Zwischen Punkten der ersten Gliederungsebene (1., 2., …) ist ein zweizeiliger Abstand (<p> </p><p> </p>), zwischen Punkten der zweiten (1.1, 1.2, …) und
Punkten der nur falls unbedingt notwendig dritten 1.1.1, 1.1.2, …) Gliederungsebene ein einzeiliger
Abstand zu wählen. Nach Abbildungen und Tabellen folgt ein einzeiliger Abstand zum nachfolgenden
Text.
 Keine internen Links zwischen den Webseiten der Lernumgebung.
 Externe Links werden prinzipiell in einem neuen Browserfenster geöffnet (blank).
Links
Abbildung
Tabellen
Formeln
 Alle Abbildungen erhalten fortlaufend beginnend mit 1 nummerierte Abbildungsunterschriften der Form
Abb. x: … .
 Abbildungen sind möglichst spachenunabhängig, d. h. ohne Texte in der Abbildung zu erstellen. Zur
Beschriftung können z. B. Zahlen verwendet werden, die in der Abbildungsunterschrift oder im Text erläutert werden.
 Tabellen werden in jeder Webseite fortlaufend beginnend mit 1 nummeriert
 Tabellen sind zu zentrieren, Rahmenstärke 1.
 Formeln sind nicht als Textzeichen oder Grafik im laufenden Text einzufügen, sondern stets zentriert in
einer eigenen Zeile als gif-Grafik.
 Zum Erstellen der Formel-Grafiken eignet sich z. B. der Formel-Editor MathType 171 mit der AuflösungsEinstellung 120 dpi für Internet/Gif.
 Formeln brauchen im Rahmen des begrenzten Umfangs der Webseiten nicht nummeriert zu werden.
Größensymbole
 Griechische Größensymbole und mathematische Symbole sind nicht als Grafiken im laufenden Text,
sondern als HTML-Code einzufügen. Eine Zeichenreferenz findet sich bei Selfhtml. 172
Styles
 Zur Formatierung der Webseiten werden aus der Stylesheet-Datei nur die drei Styles Überschrift für
die Überschriften, Bildunterschrift für Abbildungs- und Tabellenunterschriften und Tabellentext für Texte in Tabellen benötigt.
Tab. 37: Richtlinien zur Gestaltung und Formatierung der Standard-Lernumgebung.
171
Vgl. Design Science, MathType.
172
Vgl. Selfhtml, HTML-Zeichreferenz.
V TECHNIK von RCLs
170
Detailliertere Informationen zum Layout der Standard-Lernumgebung können dem RCLOrdner und den Webseiten von RCLs in Browsern entnommen werden.
V.4
Zusammenfassung
Das Tutorial führt in die technische Konzeption der RCLs des RCL-Portals ein und die Wahl
der RCL-Technik wird begründet. Vorteile der gewählten RCL-Technik sind das kostengünstige, flexibel in Hard- und Software an Experimente anpassbare Interface, der Einsatz von
Open-Source-Software und die vielfältigen Ressourcen im Internet zur Elektronik und Programmierung des verwendeten Mikrocontrollers sowie zur Programmierung in PHP/HTML.
Am Beispiel des RCLs Elektronenbeugung werden in einem ersten Schritt "Lokal gesteuertes
RCL" die Baugruppen des Interface beschrieben sowie in die Programmierung des Mikrocontrollers und in die Technik der Steuerung von Schrittmotoren eingeführt. In einem zweiten
Schritt "Ferngesteuertes RCL" wird die Installation der Programme des RCL-Servers angeleitet sowie die Ordnerstruktur der RCL-Software zur Anpassung der Programmierung an ein
spezifisches RCL und der Erstellung einer Standard-Lernumgebung erläutert.
Der umfangreiche Anhang enthält Anleitungen zum Selbstbau des Interface, einer Schrittmotorsteuerung und eines einfachen elektronischen RCLs. Weiterhin enthält der Anhang die
Quellcodes der Mikrocontroller- und PHP/HTML-Programmierung sowie Anleitungen zur Installation und Konfiguration zweier Entwicklungsumgebungen zur Programmierung des Mikrocontrollers und fast aller Programme des RCL-Servers.
Die erste, erst nach dem Summercamp (→ VI.4.1) erstellte Version des Tutorials wurde nicht
bei der Realisation von RCLs durch Staatsexamenskandidaten eingesetzt und nicht auf
Tauglichkeit als Selbstbauanleitung überprüft. Diese zweite, überarbeitete Version sollte von
Staatsexamenskandidaten zum Selbstbau von RCLs eingesetzt werden und durch Rückmeldungen zur Verständlichkeit und Unvollständigkeit fortlaufend verbessert werden.
Schriftlich sind in einem Tutorial Fertigkeiten zur Realisierung des mechanischen Aufbaus
des Experiments im RCL nicht vermittelbar. Im Hinblick auf eine hohe technische Stabilität
von RCLs ist dieser Bereich für die Realisation eines RCLs von gleicher Bedeutung wie eine
funktionierende Programmierung des Mikrocontrollers. Den Rahmen eines Tutorials zum
Selbstbau von RCLs sprengen würden Inhalte zu Programmiersprachen bzw. Programmiertechniken. Generell tritt beim Selbstbau von RCLs das Problem auf, dass nur wenige Schüler, Studierende und Lehrkräfte über ausreichende Kenntnisse zur Mikrocontroller- und PHPProgrammierung verfügen. Lösungen für dieses Problem sind: Ein Mitarbeiter übernimmt wie
im RCL-Projekt die Programmierarbeit. Durch langfristige Planung der Entwicklung eines
RCLs kann vor und während des Selbstbaus eines RCLs die Programmierung erlernt werden. Die Mikrocontroller- und PHP-Programmierung wird mit Hilfe eines Tools so stark modularisiert, dass ein großer Anteil von RCLs ohne spezielle Programmierkenntnisse realisiert
werden kann.
VI DIDAKTIK mit RCLs
VI
171
DIDAKTIK mit RCLs
In diesem Kapitel werden aus medien-didaktischer Sicht Vor- und Nachteile von RCLs durch
Vergleich mit anderen Medien und mit Formen des Realexperiments herausgearbeitet (→
VI.1). Medien und Materialien als Lernumgebungen zur Unterstützung eines eigenständigeren Lernens mit RCLs werden vorgestellt (→ VI.2). Aus methodischer Sicht werden für den
Einsatz von RCLs in der Sekundarstufe II Rahmenbedingungen genannt (→ VI.3.1) und ein
auf RCLs abgestimmtes Spektrum von Lehr-Lernformen vorgestellt (→ VI.3.2). Aus unterrichtspraktischer Sicht wird exemplarisch der Einsatz des RCLs Weltpendel in einer Unterrichtseinheit zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung beschrieben (→ VI.3.3).
Abschließend werden Erfahrungen zum Selbstbau von RCLs durch Schüler (→ VI.4.1) und
Ergebnisse einer Befragung von Lehrkräften zum Selbstbau von RCLs präsentiert (→
VI.4.2).
VI.1
RCLs als Physikmedium und Realexperiment
VI.1.1
Einordnung unter Physikmedien
Medien für die Lehre von Physik können eingeteilt werden in experimentelle Medien, die Daten durch Messungen am Realexperiment gewinnen und in theoriebasierte Medien, die Daten anhand bekannter physikalischer Gesetzmäßigkeiten berechnen. Zur ersten Gruppe gehören rein software-, videobasierte Medien wie Messvideo, Videoanalyse und interaktives
Bildschirmexperiment (IBE) sowie hardwarebasierte, traditionelle Realexperimente und
RCLs. Zur zweiten Gruppe gehören Simulationen und die nicht weiter betrachtete Modellbildung mit Modellbildungsprogrammen. Abb. 74 zeigt exemplarisch Beispiele für videobasierte
Medien und RCLs:
Messvideo zum Druck in strömenden Flüssigkeiten 173
Videoanalyse des Korbwurfs beim Basketball 174
173
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Messvideo Druckverhältnisse einer strömenden realen Flüssigkeit unter Laminare Strömung.
174
Bildungsserver Rheinland-Pfalz, Physik, Funktionsprinzip der Videoanalyse.
172
IBE zum Schalten eines RLC-Gliedes
175
RCL zum Fotoeffekt
176
Abb. 74: Vergleich videobasierter Medien und RCLs.
Messvideos und Videos für die Videoanalyse arbeiten mit linearem Video. Videos können
nur in der während der Produktion festgelegten zeitlichen Reihenfolge von Bildern wiedergegeben werden. Bei IBEs werden in ihrer Reihenfolge nicht festgelegte Handlungsalternativen
wie z. B. in Abb. 74 das Ein- und Ausschalten von Funktionsgenerator und Oszilloskop und
das Einstellen des Widerstandswerts angeboten. Im Bild des Versuchsaufbaus in Abb. 74
werden mit der Maus an den entsprechenden Stellen alternative Bilder oder Bildsequenzen
aufgerufen, die teilweise über Mausbewegungen zeitlich gesteuert werden können.
Videobasierte Medien und RCLs unterscheiden sich in der Durchführung von Messungen: In
Messvideos und IBEs sind Messungen am Realexperiment ganz oder teilweise bereits vom
Produzenten durchgeführt, während bei der Videoanalyse und RCLs Messungen ausschließlich vom Nutzer durchführt werden. Die Videoanalyse ist abgesehen von der Auswertung
einzelner Bilder (← IV.2.6.1, Abb. 55) auf die Mechanik beschränkt. Mit einem Videoanalyseprogramm können im Video Ortsmessungen mit Maßstab und Koordinatensystem sowie
Zeitmessungen anhand der bekannten Bildfrequenz des Videos durchgeführt werden.
Traditionelle Realexperimente und RCLs unterscheiden sich in folgenden Punkten von videobasierten Medien:
 Zugriff mehrerer Nutzer
Traditionelle Realexperimenten und RCLs haben gegenüber videobasierten Medien den
Nachteil nicht von mehr als zwei Nutzern gleichzeitig genutzt werden zu können.
 Datengewinnung
Bei traditionellen Realexperimenten und RCLs ist die Durchführung des gleichen Experiments unter gleichen Bedingungen im Prinzip unendlich oft möglich, während im Video
die einmalige Durchführung eines Realexperiments konserviert ist. Technisch möglich,
aber nicht praktikabel und deshalb auch nicht verfügbar sind einzelne Videos einer mehr-
175
Vgl. FIPS Medienserver, Zugang nach Anmeldung, IBE Gedämpfte Schwingungen eines RLC-Gliedes.
176
Vgl. RCL-Portal unter RCLs/Fotoeffekt/Labor.
173
maligen Durchführung des gleichen Realexperiments. Bei videobasierten Medien entfällt
der Aspekt der Genauigkeit von Messungen als wichtiger Bestandteil experimenteller Erkenntnisgewinnung. Insbesondere Realexperimente z. B. zur Statistik des radioaktiven
Zerfalls oder der Millikan-Versuch mit vielen Messungen für ein aussagekräftiges Versuchsergebnis können mit videobasierten Medien nicht abgebildet werden.
 Live-Experiment
Traditionelle Realexperimente und RCLs werden live und nicht zeitversetzt wie videokonservierte Experimente durchgeführt. Messdaten werden in Echtzeit gewonnen. Experimente in denen Größen über längere Zeiträume gemessen werden müssen wie z. B. bei
Wetterstationen können mit videobasierten Medien nicht abgebildet werden.
 Interaktivität
Traditionelle Realexperimente und RCLs erlauben den wahlfreien Zugriff auf das Experiment. Experimentelle Aktivitäten (← III.1.6, Experimentelle Aktivitäten) können in einer
wählbaren zeitlichen Reihenfolge durchgeführt und der Besucher kann ein eigenes Messprogramm zusammenstellen. Die experimentellen Aktivitäten von IBEs sind im Vergleich
dazu gering: Überwiegend sind maximal 3 Größen steuer- oder messbar 177, weil Anzahl
und Umfang der Variation von Parametern durch den Produktionsaufwand, Kosten und
Dateigrößen begrenzt sind 178. Moderne Videoanalyseprogramme bieten bei der Versuchsauswertung eine große Anzahl experimenteller Aktivitäten. 179,180 Die maximal erzielbare Interaktivität experimenteller Physikmedien bei der Versuchsdurchführung nimmt in
der Reihenfolge Realexperiment, RCL, IBE, Videoanalyse und Messvideo ab.
 Authentizität
RCLs besitzen eine größere Authentizität zum traditionellen Realexperiment als IBEs, weil
im Webcambild ein Videostream des Realexperiments und nicht nur ein statisches Bild
mit steuerbaren dynamischen Anteilen wiedergegeben wird. Darüber hinaus erhält der
Nutzer im Bedienfeld einer nutzerfreundlichen Laborseite eines RCLs schnell einen Überblick der verfügbaren Interaktionen mit dem Experiment, während in vielen IBEs aktive
Bedienelemente mit der Maus im Bild gesucht werden müssen. Der geringe Anteil bedienbarer Elemente in den fotorealistischen Darstellung von Geräten der IBEs (← V.1.1,
Abb. 74) kann für Schüler der Sekundarstufe I sinnvoll, für Schüler der Sekundarstufe II
und Studierende enttäuschend sein.
177
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, FIPS Medienserver, IBEs.
178
Vgl. Roth 2001, S. 88.
179
Vgl. Phywe, Measure Dynamics.
180
VI.1.2
174
Einordnung unter Realexperimenten
Bei
Realexperimenten
können
traditionelle
Realexperimente
wie
LehrerDemonstrationsexperiment, Schülerexperiment, Freihandversuch und Hausexperiment und
RCLs unterschieden werden. Diese Formen sind in Abb. 75 nach dem Experimentator und
nach der Verwendung innerhalb oder außerhalb des Unterrichts geordnet:
Abb. 75: Einteilung von Formen des Realexperiments nach dem Experimentator
und der Verwendung innerhalb oder außerhalb des Unterrichts.
RCLs können von der Lehrkraft als Experimentator zu Lehrzwecken innerhalb des Unterrichts verwenden werden und Schüler können innerhalb und außerhalb des Unterrichts mit
RCLs experimentieren. In Klammern angegeben Formen werden aus folgenden Gründen
seltener als andere Formen eingesetzt und haben nur eine untergeordnete Bedeutung:
 Unter den traditionellen Realexperimenten ist das Demonstrationsexperiment für die
Lehrkraft die wichtigste Form zur Durchführung quantitativer Experimente. Lehrkräfte setzen ergänzend im Unterricht Schülerexperimente und qualitative Freihandexperimente
ein. Hausexperimente als qualitative Experimente werden wegen des Aufwands der Materialorganisation für alle Schüler einer Gruppe vernachlässigbar selten eingesetzt und nicht
weiter betrachtet.
 Das Experimentieren von Schülern mit RCLs außerhalb des Unterrichts ist die bedeutendste Form des Einsatzes von RCLs, weil Schüler eigenständig quantitative LehrerDemonstrationsexperimente durchführen können. Im Vergleich dazu ist der Einsatz von
RCLs durch die Lehrkraft im Unterricht von geringerer Bedeutung, weil LehrerDemonstrationsexperimente authentischer sind.
 Das Experimentieren von Schülern mit RCLs innerhalb des Unterrichts ist von vernachlässigender Bedeutung gegenüber dem Experimentieren mit RCLs außerhalb des Unterrichts, weil in eine Einzel- oder Doppelstunde nur wenige Schüler mit dem gleichen RCL
experimentieren könnten und der Organisationsaufwand für den Unterricht zu hoch ist.
In Tab. 38 werden die bedeutsamsten vier Formen des Realexperiments, zwei mit der Lehrkraft (L) und zwei mit Schülern (S) als Experimentator anhand von Fragen einander gegenübergestellt:
175
Demonstrations- Freihandexperiment
experiment
(L)
(L)
Schülerexperiment
(S)
RCL
(S)
Schüler bestimmt Experimentierort?
Nein
Nein
Nein
Ja
Schüler bestimmt Experimentierzeitpunkt?
Nein
Nein
Nein
Ja
Schüler bestimmt Experimentierdauer?
Nein
Nein
Nein
Ja
Materieller Aufwand für Experiment?
Mittel
Gering
Hoch
Keiner
Schutz gegen Zerstörung von Komponenten?
Nein
Nein
Nein
Ja
Gering - Hoch
Gering
Hoch
Keiner
Direkte Interaktion zwischen Schüler und Experiment?
Nein
Nein
Ja
Ja
Planung der Versuchsdurchführung durch Schüler?
Ja
Vorbereitungsaufwand für Lehrkraft?
Nein
Nein
Ja
Durchführung qualitativer Versuche?
Ja
Ja
Ja
Ja
Durchführung quantitativer Messungen?
Ja
Nein
Ja
Ja
Kombination von Experiment und Theorie?
Leicht
Schwer
Mittel
Leicht
Materielle und technische Voraussetzungen?
Hoch
Gering
Hoch
Gering
Paralleles Experimentieren mehrerer Schüler?
Nein
Nein
Ja
Nein
Ja
Ja
Ja
Nein
Mittel
Gering
Mittel
Nein
Personelle Betreuung der Schüler beim Experimentieren?
Variabilität des Versuchsaufbaus?
Aufbau des Experiments durch Schüler?
Nein
Nein
Ja
Nein
Zeitaufwand zur Versuchsdurchführung?
Gering - Hoch
Gering
Hoch
Mittel
Nähe zum Experiment in der Forschung?
Nein
Nein
Nein
Nein
Ja
-
Ja
Ja
Technischer Support bei Defekt von Komponenten?
Tab. 38: Vergleich von Formen des Realexperiments.
Antworten der Fragen sind als typisierende und damit vereinfachende Einschätzungen zu
verstehen, die einen Vergleich von RCLs gegenüber den drei anderen Formen des Realexperiments ermöglichen: Absolute Vorteile und Nachteile von RCLs gegenüber den anderen
Formen sind in grün und rot, gemeinsamen Vorteile von RCLs und anderen Formen des Realexperiments in blau markiert.
VI.1.3
Vor- und Nachteile von RCLs
Die genannten Vorteile von RCLs (← VI.1.2, Tab. 38) haben folgende Konsequenzen für das
Lernen von Physik:
 Zeit zum Experimentieren
Experimentierdauern von über einer Stunde und die Anzahl durchgeführter Aktionen mit
RCLs, die wenige experimentelle Aktivitäten zulassen (← III.2.2, Tab. 19), zeigt die Bedeutung eines zeitunabhängigen Experimentierens mit RCLs. Beim Demonstrationsexperiment in Schule und Hochschule ist die Experimentierdauer durch Lehrzeiten und die
Planung der Lehrenden begrenzt. In der Regel diktiert der Lehrende für alle Lernenden
gemeinsam den Zeittakt des inhaltlichen Voranschreitens im Experiment. Erfahreneren
Lehrkräften gelingt es in der Schule anhand der Rückmeldungen von Schülern Phasen
des Experimentierens zum besseren Verständnis der Inhalte zeitlich und inhaltlich richtig
176
zu gewichten. Trotzdem fehlt die Zeit für viele experimentiertypische Tätigkeiten und Verarbeitungsprozesse, wie sie mit RCLs potentiell möglich sind: Spielerisch das Experiment
kennen lernen, Strukturen erkennen, das Experimentieren für theoretische Betrachtungen
oder zur Informationsbeschaffung oder für Auswertungen zu unterbrechen, von quantitativen Messung zu qualitativen Beobachtungen zurückzukehren oder Messungen mehrfach
zu wiederholen.
 Wahl der Sozial- und Kommunikationsform beim Experimentieren
Die Durchführung von Demonstrationsexperimenten an der Hochschule ist gezwungenermaßen aufgrund der Anzahl Studierender ein kommentierendes Experimentieren
ohne Rückmeldung der Studierenden. Die Durchführung von Lehrer-Demonstrationsexperimenten in der Schule ist ein gemeinsames Experimentieren der Lehrkraft vor und
mit der Gruppe, bei denen in der Regel nur schnellere, die 1:n-Kommunikation dominierende Denker zum Zuge kommen. Schülerexperimente werden zwar in Kleingruppen,
aber dennoch im Kursverband durchgeführt. Die erhofften sozialen Effekte bleiben häufig
aus und das Bedürfnis mancher Schüler in Ruhe und alleine zu experimentieren bleibt
unbeachtet.
Fast alle deutschen Haushalte sind mit Internetanschluss und Computer ausgestattet, in
immer mehr Schulen und Universitäten ist W-LAN flächendeckend verfügbar und Lernende verfügen zunehmend über eigene, immer kostengünstigere Notebooks. Dies erlaubt
ein ortsunabhängiges Experimentieren der Lehrenden mit RCLs außerhalb von Lehrzeiten
zuhause oder in Schule und Hochschule sowie die Wahl der Sozial- und Kommunikationsform beim Experimentieren.
Den genannten Nachteilen von RCLs (← VI.1.2, Tab. 38) kann durch folgende Maßnahmen
begegnet werden:
 Experimentieren aller Schüler mit dem gleichen RCL
Prinzipiell ist die Durchführung einer experimentellen Hausaufgabe von einer Unterrichtsstunde zur nächste von allen Schülern einer Gruppe mit einem Buchungssystem (→
VIII.2) möglich. Diese Organisationsform des Experimentierens aller auf gleicher Front
wird in der Sekundarstufe II nur selten bei Schülerexperimenten durchgeführt.
 Betreuung beim Experimentieren mit RCLs
Einer fehlenden fachlichen und sozialen Betreuung insbesondere von Schülern während
des Experimentierens mit RCLs außerhalb des Unterrichts, kann in verschiedener Weise
entgegengewirkt werden: Das Experimentieren muss im Unterricht methodisch gut vorbereitet werden (→ VI.3.2, Tab. 44), Schüler müssen ausreichend Zeit erhalten experimentelle Ergebnisse in den Unterricht einzubringen, experimentelle Ergebnisse müssen von
der Lehrkraft als Lernergebnis geschätzt werden und experimentelle Hausaufgaben mit
RCLs müssen häufiger in Kleingruppen durchgeführt werden (→ VI.3.1, ▪ Experimentieren
mit RCLs in Kleingruppen).
177
 Variabilität des RCLs
RCLs müssen im Rahmen des Themas so viele und gut gewählte experimentelle Aktivitäten anbieten, dass Lernende alle relevanten Experimente des Themas durchführen können und nie der Eindruck eingegrenzter experimenteller Möglichkeiten entsteht.
Tab. 39 fasst alle diskutierten Nachteile von RCLs in den Bereichen Entwicklung von RCLs,
RCLs als Physikmedium, RCLs als Realexperiment und Einsatz von RCLs in Form von Behauptungen eines RCL-Kritikers und Stellungnahmen eines RCL-Befürworters unter Einbeziehung früherer Ergebnisse zusammen:
Behauptungen eines
RCL-Kritikers
Stellungnahmen eines
RCL-Befürworters
RCLs als
Physikmedium
Entwicklung von RCLs
 Die Entwicklungsdauer und Kosten von RCLs können durch Standardisierung des
Entwicklungsprozesses und der Technik minimiert werden (← III.3.3).
 RCLs sind gegenüber einem vergleichbaren traditionellen Realexperiment maximal
ungefähr 1,5-mal so teuer (← III.3.4). Ein realistischer Kostenvergleich muss die Kosten/Nutzer betrachten: Ein traditionelles Realexperiment wie z. B. die Elektronenbeugung wird an einer Schule maximal 5-mal im Jahr in Kursen mit ungefähr 20 Schülern
eingesetzt: 3089 €/(5·20) ≈ 20 €/Schüler. Das RCL Elektronenbeugung hatte in 2010
RCLs sind in der Entwickungefähr 2500 Besuche: ≈ 5000 €/2500 Besucher = 2 €/Besucher. Die Kosten/Nutzer
lung zu aufwendig und zu
sind um den Faktor 10 geringer.
teuer.
 RCLs, die wie z. B. das RCL Radioaktivität mehrere Teilversuche umfassen, sind in
der Regel kostengünstiger als die Summe einzelner Versuche traditioneller Realexperimente.
 Der Entwicklungsaufwand softwarebasierter Medien wird unterschätzt. Z. B. muss bei
IBEs der Versuch vorhanden sein oder zunächst entwickelt und realisiert werden, die
Produktion des Videos ist zeitaufwendig und IBEs sind teilweise nur kostenpflichtig erhältlich.
Auflösung, Größe und Bild-  Die derzeitige Qualität des Webcambildes reicht für die Durchführung der RCLs aus,
rate des Webcambilds von
ist aber zu gering. Optimierungen (← III.3.3, ▪ Webcams) sind besonders bei den
RCLs sind so gering, dass
RCLs in denen Bilder ausgewertet werden (z. B. RCLs Beugung und Interferenz,
die Authentizität zum RealElektronenbeugung, Optische Fourier-Transformation) oder Bewegungen verfolgt
experiment
unzureichend
werden (z. B. RCL Weltpendel) wünschenswert.
ist und schnellere Bewe
Schnellere, kostengünstigere Internetverbindungen und die voranschreitende Entwickgungen nicht beobachtet
lung der digitalen Videotechnik werden zur Lösung des Problems führen.
werden können.
RCLs sind durch interaktive  IBEs erlauben z. B. nicht die Generierung einer hinreichend großen Menge an MessBildschirmexperimente erdaten, wie es in vielen Versuchen für glaubwürdige experimentelle Ergebnisse essensetzbar, weil diese auch mit
tiell ist (← VI.1.1, ▪ Datengewinnung). Die Interaktivität von IBEs ist wesentlich kleiner
Messdaten arbeiten.
als die von RCLs (← VI.1.1, ▪ Interaktivität).
 RCLs können prinzipiell nicht durch Simulationen ersetzt werden, weil Simulationen
keine Messdaten, sondern berechnete Werte liefern (← VI.1.1).
RCLs können leicht durch
vielfältige Simulationen er-  Simulationen im Internet sind häufig lediglich Abbilder von Versuchen, die Nutzersetzt werden.
freundlichkeit ist schlecht und die Interaktionsmöglichkeiten sind zu gering oder unüberlegt (→ VI.2.2).
RCLs als Realexperiment
Das Experimentieren mit
RCLs besteht eigentlich nur  Das Besucher-Tracking von RCLs zeigt, dass systematisch und geplant mit RCLs experimentiert wird (← III.2.2, ▪ Qualität).
aus dem Anklicken von Buttons.
RCLs sind nur für quantitative Versuche geeignet.
Die Planung des Experiments, der Ausschluss ungewollter Effekte und der
handwerkliche Aufbau stecken bereits im RCL.
 Bei einer Vielzahl von RCLs mit Messungen zur Untersuchung quantitativer Zusammenhänge zwischen zwei Größen können auch qualitative Je-Desto-Aussagen gemacht werden.
 RCLs mit visuellen, in Webcambilder dargestellten Versuchsergebnissen, erlauben
qualitative Vergleiche zwischen Webcambildern (← IV.2.6.3).
 Demonstrationsexperimente erlauben den Schülern in der Regel auch nicht die Durchführung der genannten experimentellen Fertigkeiten und Fähigkeiten.
 In Vorversuchen zu RCLs als Experiment vor der Klasse oder als Schülerexperiment
können die genannten Fertigkeiten und Fähigkeiten ergänzt werden.
 Beim Selbstbau von RCLs in Arbeitsgemeinschaften (→ VIII.5.1) an der Schule oder
auf einem Summercamp (→ VIII.5.2) können Schüler solche Fähigkeiten erlernen.
RCLs sind im Vergleich
 Variablere, komplexere Demonstrationsexperimente der Lehrmittelhersteller sind entzum Demonstrations- und
178
RCLs im Einsatz
Schülerexperiment im Versprechend teurer.
suchsaufbau nicht mehr va-  RCLs mit gut gewählten oder vielen Interaktionsmöglichkeiten lassen beim Lernenden
riierbar.
nicht das Bedürfnis nach einer Veränderung des Versuchsaufbaus entstehen.
RCLs sind für die Präsenz-  Geeignete Lehr-Lernformen (→ VI.3.2) gleichen diesen Nachteil von RCLs mehr als
lehre ungeeignet, weil nur
nur aus.
ein Lernender mit einem

Mit einem RCL können auch zwei Lernende gemeinsam experimentieren.
RCL experimentieren kann.
RCLs sind so häufig defekt,
über das Internet nicht er-  Die Verfügbarkeit der RCLs des RCL-Portals liegt bei ungefähr 80 % (← III.1.1.1,
reichbar oder von einem
▪ Testdurchführung und -auswertung).
Besucher belegt, dass eine

Ein
Buchungssystem (→ VIII.2) zur Reservierung von RCLs stellt den Zugriff auf ein
sichere Verfügbarkeit in der
RCL sicher.
Lehre nicht gewährleistet
ist.
Tab. 39: Behauptungen eines RCL-Kritikers und Stellungnahmen eines RCL-Befürworters.
VI.2
Lernumgebungen von RCLs
Definitionen einer Lernumgebung sind weit gefasst und vielfältig. 181 Unter Lernumgebungen
von RCLs werden im Folgenden ausgewählte fremde oder selbst erstellte Medien und Materialien verstanden, die das Experimentieren mit RCLs und das Aneignen von Versuchsinhalten unterstützen. Ziel des Einsatzes von Lernumgebungen ist ein möglichst eigenständiges
Erlernen von Physik mit RCLs. Die Lernumgebungen von RCLs können sowohl von Lehrenden während Lehrzeiten oder von Lernenden im Selbststudium außerhalb von Lehrzeiten
eingesetzt werden.
VI.2.1
Kognitive Werkzeuge
Zu den bekanntesten kognitiven Werkzeugen gehören Textverarbeitungsprogramme oder in
der Physik die Kombination Papier-Stift-Taschenrechner. Kognitive Werkzeuge bieten keine
Lehrfunktionen 182. Deswegen verlangt das Arbeiten mit kognitiven Werkzeugen von den Lernenden eine hohe Eigenständigkeit, eine hohe Aktivität und das Setzen von Zielen. Andererseits entlasten kognitive Werkzeuge von Routinearbeiten. Tab. 40 zeigt eine Übersicht welche kognitiven Werkzeuge für welche RCLs des RCL-Portals geeignet sind:
181
Vgl. z. B. Learntec, Glossar, Lernumgebung.
182
Vgl. Telemap – Informationssystem zum Lehren und Lernen mit Neuen Medien, Lehr- und Lernfunktionen.
x
x
3
x
4
Radioaktivität
x
x
5
6
x
x
x
7
Weltpendel
x
x
x
8
Millikan-Versuch
9
x
10
11
Videoanalyse
z. B. Coach 6
Studio MV 187,
Measure Dynam188
ics
2
Grafik
z. B. Paint,
186
GIMP
1
Datenanalyse
185
z. B. Origin
Computeralgebra
z. B. Mathcad 183,
184
Mathematica
RCL
Tabellenkalkulation
z. B. Excel
Nr.
179
Papier, Stift und
Taschenrechner
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Windkanal
x
x
12
Oszilloskop
x
13
Elektronenbeugung
x
14
Fotoeffekt
x
15
Maut
16
Heißer Draht
17
x
x
x
x
x
x
Tab. 40: Einsatz kognitiver Werkzeuge bei RCLs des RCL-Portals.
Kognitive Werkzeuge werden zum Sammeln, Darstellen und Auswerten von Messdaten, zum
Vergleich von Messdaten mit der Theorie und zum Auswerten von Webcambildern eingesetzt:
 Fast alle RCLs können mit dem Standardwerkzeug Papier-Stift-Taschenrechner wie in einem Praktikum ausgewertet werden. Die RCLs Maut, Heißer Draht und Roboter im Labyrinth benötigen als spielerische RCLs zur Demonstration der RCL-Technik keine kognitiven Werkzeuge.
 Je nach Umfang der anfallenden Messdaten und ob Messdaten mit Funktionen verglichen
werden sollen, können Tabellenkalkulationsprogramme oder Computeralgebrasysteme
eingesetzt werden.
 Zur Streckenmessung in Webcambildern können Grafikprogramme, die wie z. B. Paint
Koordinaten der Curserposition im Bild anzeigen, eingesetzt werden. Für das Aufnehmen
vieler Koordinaten in mehreren Bildern sind Videoanalyseprogramme, die Einzelbilder
verarbeiten können, besser geeignet.
183
Vgl. PTC, Mathcad.
184
Vgl. Wolfram, Mathematica.
185
Vgl. OriginLab, Origin.
186
Vgl. The Gimp Team, Gimp.
187
188
180
Die Entscheidung für konkrete Programme hängt davon ab, ob Schüler oder Studierende mit
RCLs experimentieren sollen und ob an der Schule oder Hochschule im Rahmen einer Ausbildungskonzeption bereits geeignete Programme über mehrere Jahre eingesetzt werden.
VI.2.2
Simulationen
Für das RCL Optische Fourier-Transformation wurde eine geeignete ergänzende Simulation
gefunden und vorgestellt (← IV.2.6.2). Bisher wurden zu existierenden RCLs geeignete Simulation gesucht und nicht an fertige RCLs angepasste Simulationen entwickelt oder während der Entwicklung des RCLs bereits existierende gute Simulationen berücksichtigt (←
III.3.5, Tab. 26, RCL Optische Pinzette). Die Anzahl guter und zu existierenden RCLs passenden Simulationen im Internet ist gering. Zur Verdeutlichung dieser Problematik werden
drei in Abb. 76 dargestellte Simulationen exemplarisch auf ihre Verwendbarkeit für die RCLs
Millikan-Versuch, Weltpendel und Fotoeffekt geprüft:
Simulation zum RCL Millikan-Versuch
189
Simulation zum RCL Fotoeffekt
Simulation zum RCL Weltpendel 190
191
Abb. 76: Simulationen als Lernumgebung von RCLs.
189
Vgl. C. Groß, Applet Millikan-Versuch.
190
Vgl. E. Neumann, MyPhysicsLab – Physics Simulation, Applet Simple Pendulum.
191
Vgl. W. Fendt, Applet Der Photoeffekt.
181
 Simulation zum RCL Millikan-Versuch
Eine Simulation zum Millikan-Versuch ist sinnvoll, um das Messverfahren zur Bestimmung
der Ladung von Öltröpfchen entdecken und die Versuchsdurchführung mit dem RCL oder
dem Demonstrationsexperiment üben zu lassen. Die Simulation ist gut: Mehrere Versuchsvarianten zum Millikan-Versuch wie Steigen und Fallen mit und ohne elektrisches
Feld und Schweben sind durchführbar und es wird eine hohe Interaktivität erzielt. Die Simulation arbeitet mit konkreten Werten des Millikan-Versuchs von Leybold und die grafische Oberfläche ist auf die notwendigsten Elemente reduziert. Die Nutzerfreundlichkeit ist
nicht optimal, aber ausreichend.
 Simulation zum RCL Weltpendel
Die Simulation ist die einzige gefundene zu Schwingungen mit einem anharmonischen
Pendel und variierbarer Erdbeschleunigung. Die Simulation ist schlecht: Die Interaktivität
ist gering und die Simulation ist nahe an einer Animation. Die Nutzerfreundlichkeit ist
schlecht, weil die Größen keine Einheiten haben und die Zuordnung zwischen den Funktionen der Buttons und den dargestellten Graphen von Funktionen unklar bleibt. Erst eine
intensivere Betrachtung zeigt, dass Änderungen der Erdbeschleunigung nur bei erzwungenen Schwingungen einen Einfluss auf die dargestellten Graphen haben und damit die
Simulation für das RCL Weltpendel unbrauchbar ist.
Eine wünschenswerte Simulation zur Erklärung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung konnte im Internet nicht gefunden werden. Für einen rotierenden Ellipsoiden
variierbarer Abplattung, Dichteverteilung und Winkelgeschwindigkeit sollten die Vektoren
der Gravitationsbeschleunigung, Zentrifugalbeschleunigung und effektiven Gravitationsbeschleunigung für variierbaren Breitengrad graphisch dargestellt sowie Beträge und
Richtungen der Vektoren ausgegeben werden.
 Simulation zum RCL Fotoeffekt
Die Simulation ist schlecht: Die Interaktivität ist gering, weil durch die Gestaltung der Simulation und die Textanweisungen dirigistisch durch den Versuch geführt wird. Berechnete Werte werden als Messwerte bezeichnet und die automatisierte Darstellung und Auswertung vermittelt ein realitätsfernes Bild des Versuchs.
VI.2.3
Viele RCLs bieten außer Hinweisen zur Bedienung des RCLs keine weiteren Informationen
zum Inhalt des Experiments (← II.5.3, Abb. 19). Dies deutet darauf hin, dass die RCLs nicht
zum eigenständigeren Lernen in Lehr-Lernkontexten eingesetzt werden. Außerhalb von
Lehr-Lernkontexten können nur Experten als kleinem Teil potentieller Besucher systematisch
Experimentieren. Die RCLs sind dann technisch, aber nicht konzeptionell verfügbar.
182
RCLs des RCL-Portals verfügen deshalb über eine an Praktikumsversuchsanleitungen orientierte und an die Nutzung im Internet angepasste Standard-Lernumgebung aus Vorbereitung
(Einstieg, Aufbau, Theorie, Material), Durchführung (Labor, Aufgaben) und Nachbereitung
(Auswertung, Diskussion). Abb. 77 und Tab. 41 erläutern die Struktur und die Inhalte:
Abb. 77: Standard-Lernumgebung des RCLs Fotoeffekt mit aufgerufener
Webseite Aufgaben.
Webseite
Inhalt
Einstieg
 Motivation zur Versuchsdurchführung, Einordnung des Versuchs in einen größeren Kontext, Lerninhalte und Ziele des Versuchs
Aufbau
 Beschreibung des Versuchsaufbaus und Angabe von Versuchsdaten
Theorie
 Physikalisches Wissen zum Verständnis und zur Durchführung des Versuchs
Aufgaben
Labor
 Qualitative und quantitative Aufgaben zum Experimentieren mit dem RCL
 Experimentieren mit dem RCL
Auswertung
 Exemplarische Messergebnisse und deren Auswertung (meistens mit Fehlerdiskussion)
Diskussion
 Vertiefende Fragen und Aufgaben zu den Inhalten der Webseiten Aufbau, Theorie, Labor
und Auswertung
Material
 Angaben zum Versuchsmaterial (Gerätebezeichnungen und -beschreibungen, Firmenmanuale, Bezugsquellen), didaktisches Material (Unterrichtseinheiten, Aufgabensammlungen,
Medien), Literatur und Links (Ausgewählte Nicht-Standard-Literatur, Links zu inhaltlich guten Webseiten)
Betreuung
 Angaben zur inhaltlichen Verantwortung für das RCL
Tab. 41: Struktur und Inhalt der Standard-Lernumgebung der RCLs des RCL-Portals.
Die Struktur der Webseiten ist nahe am Printmedium gehalten: Untermenüpunkte fehlen, die
Webseiten sind intern nicht miteinander verlinkt und enthalten abgesehen von der Webseite
Material keine externen Links. Wenige interne Links führen wie z. B. beim RCL Weltpendel
und Rutherfordscher Streuversuch zu pdf-Dokumenten mit vertiefenden Informationen und
Herleitungen. Vereinzelt werden auf der Webseite Theorie z. B. bei den RCLs Elektronen-
183
beugung sowie Beugung und Interferenz II Applets eingesetzt. Weitere Gründe eine Standard-Lernumgebung zu RCLs anzubieten sind:
 Zeitaufwendiges Nachschlagen von Informationen in Büchern wird minimiert.
 Non-Standard-, komplexere und weniger bekannte Versuche (z. B. RCLs Weltpendel, Op-
tische Fourier-Transformation, Optische Computertomographie) machen Informationen
zur Durchführung und zum Verständnis des Versuchs zwingend erforderlich.
 Lehrende können die Standard-Lernumgebung als Lernmaterial oder Lernende zum
Selbststudium einsetzen.
VI.2.4
Aufgabensammlungen
In Schule und Hochschule werden zentrale Experimente, wie die auf dem RCL-Portal, in der
Lehre eingesetzt. Hierbei sind Aufgaben für Lehrende ein wichtiges Instrument um physikalische Inhalte zu vermitteln und für Lernende um sich Inhalte anzueignen. Deshalb wurden 4
größere Aufgabensammlungen in deutscher und englischer Sprache zu den RCLs Rutherfordscher Streuversuch, Elektronenbeugung, Millikan-Versuch, Weltpendel und zwei
kleinere in deutscher Sprache zu den RCLs Fotoeffekt und Windkanal erstellt. Abb. 78 zeigt
exemplarisch das Inhaltsverzeichnis der Aufgabensammlung zum RCL Rutherfordscher
Streuversuch und eine der Aufgaben:
Abb. 78: Inhaltsverzeichnis (links) und Aufgabe I.2 (rechts) der Aufgabensammlung zum RCL Rutherfordscher Streuversuch.
184
Die größeren Aufgabensammlungen bieten Aufgaben mit bis zu sieben Teilaufgaben zur
Theorie, zum Versuchsaufbau, zur Versuchsdurchführung und zur Versuchsauswertung mit
ausführlichen Lösungen. Alle Aufgabensammlungen können im RCL-Portal auf der Webseite
Material der Standard-Lernumgebung des RCLs heruntergeladen werden. Tab. 42 gibt eine
Übersicht zum Umfang der 6 Aufgabensammlungen:
Anzahl der Aufgaben (Teilaufgaben)
Nr.
RCL
Theorie
Versuchsaufbau
Versuchsdurchund -auswertung
Gesamt
Aufgaben +
Lösungen
(Seiten)
1
8 (28)
3 (8)
5 (21)
16 (57)
11 + 25 = 36
2
Elektronenbeugung
3 (8)
3 (7)
3 (9)
9 (24)
4 + 11 = 15
3
Millikan-Versuch
10 (31)
5 (16)
2 (7)
17 (54)
8 + 14 = 22
4
Weltpendel
4 (14)
3 (6)
3 (5)
10 (25)
5 + 15 = 20
5
Fotoeffekt
5 (14)
1 (4)
1 (5)
7 (23)
5+0=5
6
Windkanal
5 (17)
1 (4)
2 (5)
8 (26)
5 + 6 = 11
35 (117)
14 (45)
13 (52)
52 (209)
38 + 71 = 109
Gesamt
Tab. 42: Umfang der Aufgabensammlungen zu RCLs des RCL-Portals.
Insgesamt sind auf mehr als 100 Seiten 52 Aufgaben mit 209 Teilaufgaben und Lösungen
verfügbar. Etwa die Hälfte davon entfällt auf Aufgaben zur Theorie, die andere Hälfte auf die
restlichen Bereiche. Tab. 43 zeigt anhand der Anzahl von Teilaufgaben, dass die Aufgabensammlungen gleichermaßen für Schule und Hochschule geeignet sind:
Aufgabensammlung
zum RCL
Nr.
Schule
Schule/
Universität
Nur
Universität
Gesamt
1
20
16
21
57
2
Elektronenbeugung
14
8
2
24
3
Millikan-Versuch
21
20
13
54
4
Weltpendel
0
6
19
25
5
Fotoeffekt
15
8
0
23
6
Windkanal
15
7
4
26
Gesamt
85
65
59
209
Tab. 43: Eignung von Teilaufgaben der Aufgabensammlungen für Schule, Schule
oder Universität und nur Universität.
Folgende Punkte machen den Mehrwert der Aufgaben aus:
 Die großen Aufgabensammlungen enthalten Anregungen zum Unterrichtseinsatz der Aufgaben in der Schule (← VI.2.4, Abb. 78) und besitzen eine hohe Nützlichkeit für den praktizierenden Lehrer.
 Die Verständlichkeit der Lösungen ist durch ausführlichen Text, detaillierte Herleitungen
und reichlich Bilder und Diagramme gewährleistet.
 Fast die Hälfte der Teilaufgaben sind experimentbezogene Aufgaben, die für Lernende
meist motivierender als theoriegeleitete Aufgaben sind.
 Aufgrund der Lösungen sind die Aufgaben auch als Material zum Selbststudium geeignet.
185
 Nur wenige Aufgaben sind so konkret auf ein RCLs bezogen, dass ein Experimentieren
mit dem RCL Voraussetzung ist. In der Schule können die vielfältigen Aufgaben in Klausuren, im Unterricht, als Hausaufgabe, als Abituraufgabe, als Vorlage für Unterrichtsstunden und zur eigenen Weiterbildung der Lehrkraft eingesetzt werden. In der Hochschule
können die Aufgaben zur Vorbereitung eines Praktikums, in Übungen zur Experimentalphysik oder als Übungsmaterial in der Fernlehre eingesetzt werden.
 In den Aufgabestellungen und Lösungen werden in vielfältiger Weise Formeln, Gleichungen, Diagramme, Tabellen, Zeichnungen, Bilder und Texte als Mittel zur Darstellung physikalischer Inhalte verwendet.
VI.2.5
Tutorials
Das Internet stellt viele Tutorials in Form von schriftlichen Anleitungen für Computerprogramme und Programmiersprachen wie z. B. PHP bereit (← V.1.2, Tab. 33). Inhalte werden
Schritt um Schritt für einen weitgehend linearen Lernprozess dargestellt. Tutorials sollen auf
diese Weise einen fest umrissenen Lerninhalt ohne Lehrenden in effizienter Weise vermitteln. 192 Für Lernende sind Tutorials zu RCLs als Material zum Selbststudium unter Beachtung folgender Punkte relevant:
 Tutorial-geeignete RCLs
Geeignet für Tutorials sind RCLs deren Versuchsinhalte sich nicht innerhalb weniger Unterrichtsstunden oder an einem einzigen Vorlesungstermin vermittelt werden können, die
eine hinreichend große Anzahl experimenteller Aktivitäten bieten und keine Standardinhalte der anvisierten Zielgruppe sind. Dazu gehören die RCLs Optische FourierTransformation, Optische Computertomographie, Beugung und Interferenz II und Oszilloskop in einer verbesserten Version als voll ferngesteuertes Oszilloskop (← III.3.5, Tab.
25, RCL Oszilloskop).
Die Beugung an eindimensionalen Gittern ist in vielen Schul- und Hochschullehrbüchern
sowie Zeitschriftenartikeln umfassend dargestellt. Interessant ist ein Tutorial, in dem die
mathematische Beschreibung der Beugung vom Zeigerkonzept bis hin zur eindimensionalen Fourier-Transformation in enger Anbindung an das RCL Beugung und Interferenz II
entwickelt wird. Damit wäre ein Bindeglied zwischen Schule und Hochschule geschaffen.
 Fehlende personelle Betreuung
Mit einem Tutorial sollen sich Lernende im Selbststudium komplexere Inhalte aneignen
können. Deshalb müssen bei fehlender personeller Betreuung Maßnahmen zur Aktivie-
192
Vgl. Wikipedia, Tutorial.
186
rung des Lernenden und Kontrollen des Lernfortschritts wie Lernfragen, Übungsaufgaben,
Lösungsbeispiele, Selbsterklärungen 193 und Tests Bestandteil des Tutorials sein.
 RCL-Entwicklung und Tutorial
RCL und Tutorial müssen eng in den Inhalten aufeinander abgestimmt sein. Derzeit ist es
nur möglich zu bereits existierenden RCLs ein Tutorial zu erstellen. Am besten geeignet
sind die RCLs Optische Fourier-Transformation und Beugung und Interferenz II, weil deren Inhalte nachträglich durch Anpassung der Beugungsobjekte variiert werden können
(← IV.2.8). Das RCL Optische Computertomographie müsste für ein Tutorial voraussichtlich inhaltlich und technisch überarbeitet werden.
 Lernen mit RCL-Tutorial und im Hochschulpraktikum
Praktika an der Hochschule werden durchgeführt, indem Studierende in der Vorbereitung
die Theorie zum Versuch erarbeiten und dann den Versuch durchführen. Theorie und Experiment werden zeitlich getrennt nacheinander in Blöcken vermittelt. Die Kombination
von Tutorial und RCL erlaubt eine viel engere und kleinschrittigere Verzahnung von Theorie und Experiment. Mehrfache, wechselseitige Übergänge von Theorie zum Experiment
und vom Experiment zur Theorie sind möglich und die Gefahr einer Anhäufung von unverstandenen Inhalten wird gesenkt.
VI.3
Lehren und Lernen mit RCLs in der Sekundarstufe II
VI.3.1
Voraussetzungen
Voraussetzungen für einen erfolgreichen Einsatz von RCLs im Unterricht sind:
 Eigenschaften von RCLs wie z. B. dass RCLs ein Lernmedium für Schüler außerhalb des
Unterrichts sind, werden berücksichtigt (← VI.1.1, ← VI.1.2, ← VI.1.3).
 Bedingungen zum Lernen mit Medien werden berücksichtigt, z. B. dass Lerneffekte mit
RCLs umso eher eintreten, je langfristiger der Einsatz geplant und je umfassender der
Einsatz durchgeführt wird.
 Organisatorische Rahmenbedingungen des Unterrichts wie z. B. Kursgröße, Zahl der Unterrichtsstunden, verfügbare RCLs und Lehrplaninhalte werden berücksichtigt.
Eine Organisation des Einsatzes von RCLs muss deshalb frühzeitig zum Beginn der Sekundarstufe II erfolgen, das Lernen mit RCLs außerhalb des Unterrichts umfassen und auf die
Entwicklung langfristiger Arbeits- und Lernstrukturen der Schüler gerichtet sein:
193
Vgl. Seufert 2004, S. 55-56.
187
 Demonstrationsexperiment und RCL
Das Realexperiment ist in der Schule, mehr noch als in der universitären Lehre, zentral
als Methode der Physiklehre und zur Vermittlung von Lerninhalten. Der alleinige Einsatz
von Lehrer-Demonstrationsexperimenten bietet Schülern zu geringe Beteiligungsmöglichkeiten (← V.1.3, Zeit zum Experimentieren) und schöpft die intellektuelle Leistungsfähigkeit von Schülern im Alter zwischen 16 und 18 Jahren nicht genügend aus. Die Kombination von Lehrer-Demonstrationsexperiment als Lehrmedium und RCL als Lernmedium
sollte Leitmedium eines experimentell ausgerichteten Unterrichts in der Sekundarstufe II
sein.
 Inhaltliche Voraussetzungen zum Lernen mit RCLs
Schüler können erst eigenständig mit RCLs experimentieren und lernen, wenn dazu die
inhaltlichen Voraussetzungen geschaffen sind. Dazu gehören Kenntnisse zu experimentellen Fachmethoden (grafische und tabellarische Darstellung von Messwerten, Auswertungsverfahren, Fehlerrechnung, abhängige und unabhängige Variablen, …) und die Einführung von mindestens einem kognitiven Werkzeug wie z. B. Tabellenkalkulation oder
ein Computeralgebrasystem (← VI.2.1). In den Fächern Informatik oder Mathematik bereits eingeführte Programme sollten selbstverständlicherweise verwendet werden. Fachmethoden wie z. B. das Wechselspiel von Induktion und Deduktion sollten von der Lehrkraft anhand von Lehrer-Demonstrationsexperimenten eingeführt worden sein.
 Experimentieren mit RCLs in Kleingruppen
Experimentelle Hausaufgaben mit einem RCL für alle Schüler eines Kurses stellen kein
gemeinsames Voranschreiten in den Inhalten und im Lernen sicher. Bei älteren Schülern
genügt es, wenn nur ein Teil der Schüler mit einem RCL experimentiert und die Ergebnisse im Unterricht präsentiert werden. Dazu sind möglichst dauerhaft in der Sekundarstufe II
zusammenarbeitende, aus 3 - 4 Schülern bestehende Kleingruppen, zu bilden. Diese Organisationsform des Experimentierens bietet folgende Vorteile:
Dauerhaft außerhalb des Unterrichts mit digitaler Kommunikation zusammenarbeitende
Kleingruppen fördern Verantwortung und Vertrauen zwischen den Schülern und bereiten
auf Arbeitsformen im Berufsleben vor. Je nach RCL, Unterrichtsverlauf und experimenteller Zielsetzung können eine oder mehrere Kleingruppen themengleich oder -ungleich über
einen oder mehrere Unterrichtstermine hinweg experimentieren (→ VI.3.2). Der zeitliche
Mehraufwand der Schüler für experimentelle Hausaufgaben mit RCLs gegenüber traditionellen Hausaufgaben ist durch den Wechsel des Experimentierens von Kleingruppe zu
Kleingruppe akzeptabel.
 Lernen mit RCLs außerhalb des Unterrichts
Werden RCLs in der beschriebenen Weise eingesetzt, dann wandeln sich Hausaufgaben
für die Lehrkraft und Schüler vom additiven zum essentiellen Bestandteil des Unterrichts.
Es besteht die Gefahr, dass Schüler erst im Laufe der Zeit die damit verbundenen
Lernchancen sehen und eine notwendige positive Lernhaltung einnehmen. Eine Reduktion dominierender Lehrbuchhausaufgaben in den Naturwissenschaften und Mathematik
188
zugunsten experimenteller Hausaufgaben muss von den Schülern mitgetragen werden.
Es besteht wie beim Schülerexperiment die Gefahr, dass mancher Schüler beim Experimentieren mit RCLs außerhalb der Lehrzeiten den Kopf ausschaltet.
VI.3.2
Lehr-Lernformen
Unterrichtstermine
Lehr-Lernform
Zeit
Nr.
Experimentator
Einteilungen von Methoden im Physikunterricht wie z. B. in methodische Großformen, Konzepte, Unterrichtsschritte und Organisationsformen 194 sind wenig hilfreich bei der Aufgabe
RCLs methodisch geschickt im Unterricht einzusetzen. Diese beziehen sich ausschließlich
auf den Präsenzunterricht und berücksichtigen zu wenig den starken Zusammenhang zwischen Medium und Methode bei RCLs. Deshalb wird hier verallgemeinernd von LehrLernformen gesprochen. In Tab. 44 sind Lehr-Lernformen in der ungefähren Reihenfolge abnehmender Häufigkeit eines potentiellen Einsatzes im Physikunterricht angegeben:
Kommentare und Beispiele
RCL als Mittel zur Bildung von Hypothesen: Elektronenbeugung
S
1
aU
2
 Schüler kennen Beugungsmuster der Beugung von Röntgenstrahlung an polykristallinem Graphit
 Hypothese, dass sich Elektronen wie Wellen verhalten können
RCL zum Üben experimentellen Fachmethoden: Mehrere RCLs
2
S
aU
2
 Üben experimenteller Fachmethoden wird zu selten durchgeführt
 Wiederholen experimenteller Fachmethoden von Schülern zuhause mit RCL
RCL als Fortführung qualitativer Einstiegsversuche: Rutherfordscher Streuversuch
3
S
aU
2
 Schüler erhalten Aufgabe Streuung quantitativ zu untersuchen
Experimentelle
Hausaufgabe
4
 Streuung von Alphastrahlung an Metallfolien wird in Luft qualitativ gezeigt
Kooperatives Messen mit RCL: Millikan-Versuch, Rutherfordscher Streuversuch,
Weltpendel
S
aU
2
 Schüler tragen in Gruppen außerhalb des Unterrichts Messdaten zusammen
 Sinnvoll bei Versuchen die viele Messdaten erfordern
 Einsatz eines Kommunikationstools wie Wiki sinnvoll
5
S
iU
1
6
L
iU
1
7
194
Demonstrationsexperimentersatz
L
iU
Vgl. Kircher 2006, S. 171-228.
1
Präsentation experimenteller Hausaufgaben mit RCL vor der Gruppe: Mehrere
RCLs
 Schüler stellen mit dem RCL Ergebnisse experimenteller Hausaufgaben im Unterricht vor
RCL zur Vorbereitung experimenteller Hausaufgaben: Mehrere RCLs
 Lehrkraft führt im Unterricht in ein RCL für experimentelle Hausaufgabe ein
RCL als Ersatz für fehlende oder defekte Demonstrationsexperimente: Mehrere
RCLs
 Lehrkraft führt im Unterricht wie mit einem Demonstrationsexperiment einen Versuch durch
189
RCL als Experiment in einem Experimentalvortrag von Schülern: Mehrere RCLs
8
Experimentalvortrag
9
S
iU
1
 Einfacher und schneller für Schüler durchzuführen als mit Demonstrationsexperiment, weil Hantieren mit dem Experiment entfällt
 Vorbereitung auf Experimentalvortrag von Schülern mit Demonstrationsexperiment
S
aU
3
RCL als Mittel zum Einstieg in ein Themengebiet über mehrere Teilversuche: Radioaktivität
 Schülergruppen erhalten Aufträge jeweils einen Teilversuch des RCLs (Absorption von Strahlung, Ablenkung von Strahlung, …) durchzuführen
 Ergebnisse werden zusammengetragen, dann vertieftes Weiterexperimentieren
Experimenteller
Themeneinstieg
 Schüler machen zuerst experimentelle Erfahrungen und dann erst Behandlung
der Theorie
RCL als Mittel zum Einstieg in ein Themengebiet über qualitatives, explorierendes
Experimentieren: Beugung und Interferenz II
10
S
aU
3
 Schülern wird im Unterricht Phänomen der Beugung am Doppelspalt gezeigt
 Schüler erhalten Auftrag zu untersuchen von welchen Parametern die Beugung
abhängt und qualitative Zusammenhänge zu formulieren
RCL als Mittel zur Unterscheidung der theoretischen von der experimentellen Methode: Beugung und Interferenz II
11
Fachmethode
TheorieExperiment
S
aU
4
 Theoretische und experimentelle Methode werden von den Schülern im traditionellen Unterricht nur unzureichend erkannt, weil der Einsatz beider Methoden
stark durch die Lehrkraft gesteuert wird
 Im Unterricht arbeitet die Lehrkraft mit den Schülern nur theoretisch, außerhalb
des Unterrichts experimentieren die Schüler mit dem RCL
 Schüler bringen experimentelle Ergebnisse und Hypothesen in den Unterricht ein,
die durch Rechnung bestätigt werden sollen. Deduktiv im Unterricht hergeleitete
Vorhersagen werden von den Schülern experimentell bestätigt oder verworfen
RCL als zentrales Experiment eines Unterrichtsprojekts: Millikan-Versuch, Rutherfordscher Streuversuch
 Sinnvoll bei bedeutenden Experimenten
12
Unterrichtsprojekt
S
iU
aU
5
 Ziel des Projekts z. B. Ausstellung in der Schule mit Vortrag
 Kurs wird in Gruppen mit verschiedenen inhaltlichen Schwerpunkten zum Versuch aufgeteilt (Theorie, Historie, Versuchsdurchführung, Versuchsauswertung,
…)
 Während oder außerhalb der Unterrichtszeit führen alle Schüler neben ihrem
Gruppenauftrag Messungen mit dem RCL durch
RCL als Station in einem Lernzirkel: Fotoeffekt, Lichtgeschwindigkeit, Windkanal
13
Lernzirkel
S
iU
2
 Sinnvoll bei RCLs deren inhaltlicher Umfang sich leicht in einen Lernzirkel umsetzen lassen
 Kein Problem mit Mehrfachzugriffen auf ein RCL
14
15
Experimentalprüfung
SchülerDemonstrationsexperiment
RCL als Mittel zur Prüfung des physikalischen Verständnisses: Mehrere RCLs
S
iU
1
 Nachweis des Verständnisses durch Handlungen am Experiment
 Fragen zum Zusammenhang zwischen Versuchsaufbau und Experiment
RCL als Mittel zur Vorbereitung der Durchführung eines Demonstrationsexperiments durch Schüler: Elektronenbeugung, Fotoeffekt
S
aU
1
 Versuche die als Demonstrationsexperiment und RCL vorhanden sind
 Schüler bereiten sich mit RCL zuhause auf Durchführung des Demonstrationsexperiments im Unterricht vor
Unterstützung und Betreuung interessierter und begabter Schüler: Mehrere RCLs
16
S
aU
-
Facharbeit zu RCL: Mehrere RCLs
Selbststudium
17
 Schüler die an Themen interessiert sind, welche noch nicht oder gar nicht im Unterricht behandelt werden und zu denen ein RCL vorhanden ist, können sich mit
dem RCL außerhalb des Unterrichts auseinandersetzen
S
aU
-
 Durchführung von Messungen mit RCL für Facharbeit
 Für begabte Schüler Themen die außerhalb des Schulstoffes liegen wie z. B. Optische Computertomographie
 Keiner oder verringerter experimenteller Vorbereitungsaufwand für die Lehrkraft
Tab. 44: Lehr-Lernformen mit RCLs für den Physikunterricht.
190
Varianten von Lehr-Lernformen sind gekennzeichnet durch Lehrkraft (L) oder Schüler (S) als
Experimentator und danach, ob mit RCLs innerhalb (iU) oder außerhalb des Unterrichts (aU)
experimentiert wird (← VI.1.2, Abb. 75). Zusätzlich ist angegeben wie viele Unterrichtstermine in etwa zur Durchführung der Variante notwendig sind. Kommentare zur Durchführung
der Lehr-Lernform mit geeigneten RCLs sollen eine Vorstellung vom Unterrichtsverlauf vermitteln.
Die Anzahl der S- und aU-Einträge zeigt, dass RCLs überwiegend von Schülern außerhalb
des Unterrichts als Lernmedium einsetzbar sind. Lehr-Lernformen von kurzer Dauer (1 - 3
Unterrichtstermine) sind experimentelle Hausaufgaben, Lernzirkel, Demonstrationsexperimentersatz, Experimentalvortrag, Experimentalprüfung und Schüler-Demonstrationsexperiment. Lehr-Lernformen von mittlerer Dauer (3 - 5 Unterrichtstermine) sind experimenteller Themeneinstieg, Blended Learning und Unterrichtsprojekt. Von langfristiger Dauer ist
die Lehr-Lernform Selbststudium, weil die genannten Varianten während der gesamten Sekundarstufe II aktuell sind.
Mit den Lehr-Lernformen Experimentalvortrag (Schwerpunkt auf dem Vortragen) und Schüler-Demonstrationsexperiment (Schwerpunkt auf dem Experimentieren) können Schüler in
drei Schritten systematisch an einen Experimentalvortrag mit einem traditionellen Realexperiment als letztem Schritt herangeführt werden.
VI.3.3
Unterrichtseinheit zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung
Der Mehrzahl von Schülern ist zu Beginn der Sekundarstufe II die Breitengradabhängigkeit
der Erdbeschleunigung unbekannt. Mit dem RCL Weltpendel (← IV.1) können Schüler dieses Phänomen entdecken und erklären lernen. In der Unterrichtseinheit müssen folgende
vereinfachenden Annahmen gemacht und potentielle Lernschwierigkeiten berücksichtigt
werden:
 Vereinfachende Annahmen
Die Gravitationsfeldstärke bzw. Gravitationskraft zeigt bei einem homogenen Rotationsellipsoiden als Modell der Erde nur am Äquator und den Polen zum Mittelpunkt der Erde. Es
wird deshalb vereinfachend angenommen, dass die Gravitationskraft unabhängig vom
Breitengrad zum Mittelpunkt des Rotationsellipsoiden zeigt.
Je nach Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit der Pendelmasse wirkt auf die Pendelmasse auch die gegenüber den anderen Kräften zu vernachlässigende Corioliskraft.
 Umgang mit potentiellen Lernschwierigkeiten
Wird ein Pendel zur Messung der Erdbeschleunigung verwendet, findet eine Bewegung
der Pendelmasse im rotierenden Bezugssystem der Erde statt, was für ein Verständnis
der wirkenden Zentrifugalkraft hinderlich sein kann. Deshalb wird zur Erklärung der Breitengradabhängigkeit als Erdbeschleunigungsmesser eine Federwaage verwendet. In Abb.
191
80 kompensiert die Führung der Masse in der Federwaage die tangentiale Komponente
der Zentrifugalkraft. Durch die statische Messung tritt keine Corioliskraft auf.
Mit einer Federwaage kann der Begriff effektive Gewichtskraft (Gewichtskraft und Zentrifugalkraft) bei der Rotationsbewegung der Erde leichter in Analogie zur beschleunigten
Translationsbewegung eines Fahrstuhls (Gewichtskraft und lineare Trägheitskraft) eingeführt werden. Auf den Unterschied zwischen Gravitations- und (effektiver) Erdbeschleunigung muss eingegangen werden.
Hilfreich zum Verständnis der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung sind
Grenzfälle der effektiven Gewichtskraft für die Breitengrade φ = ± 90° (Pole) und φ = 0°
(Äquator), für die Winkelgeschwindigkeit ω = 0 s-1 der Erde (ruhende Erde) und für eine
Winkelgeschwindigkeit der Erde die so groß ist, dass die effektive Gewichtskraft Null wird.
Eine Analogie zu einer belasteten Federwaage in einem frei fallenden Fahrstuhl kann
leicht hergestellt werden.
In Tab. 45 sind für eine ungefähr 5-stündige Unterrichtseinheit zur Breitengradabhängigkeit
der Erdbeschleunigung in einem Leistungskurs die Schritte im (iU) und außerhalb des Unterrichts (aU), eine konkretisierende Beschreibung der Schritte und die Lernvoraussetzungen
angegeben:
Schritt
Zeit
Beschreibung
Lernvoraussetzung
 Lehrkraft startet auf der Laborseite des deutschen Weltpendels in
Kaisersesch eine Schwingung
Vorbereitung der Messungen mit RCL Weltpendel
Messungen mit RCL
Weltpendel
(Hausaufgabe)
iU
aU
 Schüler sollen anhand der Angaben auf der Laborseite heraus Formel für Schwinfinden, dass die Bestimmung der Erdbeschleunigung Ziel des
gungsdauer
eines
Versuchs ist
mathematischen
 Lehrkraft diskutiert mit Kurs, ob bei großen oder kleinen Winkeln
Pendels
gemessen werden soll und wozu eine Temperaturmessung erfor Pendel nur nähederlich ist
rungsweise für kleine
 Schüler bestimmen exemplarisch aus einer Temperatur- und eiWinkel ein harmoniner Schwingungsdauermessung mit Formel für Schwingungsscher Schwinger
dauer eines mathematischen Pendels bei kleinen Auslenkungen
 Gesetz zur thermidie Erdbeschleunigung
schen Längenände Lehrkraft stellt die weiteren Pendelstandorte an einem Globus
rung eines Drahtes
vor. Schüler formulieren Vermutungen, warum es sinnvoll sein
könnte die Erdbeschleunigung an mehreren Standorten der Erde
zu bestimmen
 Für jeden Pendelstandort bestimmt eine Kleingruppe die Erdbeschleunigung mit mehreren Messungen für einen kleinen und einen großen Auslenkwinkel

 Jede Kleingruppe muss eine Excel-Tabelle mit mindestens 10
Messungen für beide Auslenkwinkel anfertigen und die Erdbeschleunigung mit Angabe von Mittelwert und Standardabweichung für beide Auslenkwinkel bestimmen
Bestimmung von Mittelwert und Standardabweichung einer
Stichprobe
von
Messwerten
 Schüler sollen nur Laborseiten des RCL Weltpendel benutzen
und keine Informationen zur Theorie einholen
Notwendige Messgenauigkeit zum Nachweis der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung
 Jede Kleingruppe stellt kurz Messergebnisse vor und kommentiert sie. Zusammenfassung der Ergebnisse aller Kleingruppen in
einer Tabelle mit Standort, Erdbeschleunigung für großen und
kleinen Auslenkwinkel
iU
 Beobachtung, dass Schwingungsdauer bzw. Erdbeschleunigung  Abschätzung systebei großen Auslenkwinkeln immer größer bzw. kleiner als bei
matischer Fehler
kleinen ist. Diskussion mit Kurs, ob es zwei Erdbeschleunigungen
an einem Standort geben kann. Erklärung mit Anharmonizität des
Pendels und Berechnung von T(0°) = T(α)/k(α) (← IV.1.4,
▪ Anharmonizität) und Vergleich mit T bei kleinem Auslenkwinkel
 Beobachtung, dass die Erdbeschleunigung umso größer ist, je
192
nördlicher der Standort liegt. Hypothese zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung. Eine analoge Je-Desto-Aussage
für den Längengrad kann nicht beobachtet werden
 Unterrichtsgespräch zu systematischen Messfehlern: Lehrkraft
hinterfragt kritisch, ob der gemessene Unterschied von ungefähr
2
0,03 m/s nicht auf die Unterschiedlichkeit der Pendel zurückzuführen ist. Diskussion zu systematischen Fehlern der Erdbeschleunigung aufgrund zu ungenau gemessener Pendellänge
und Schwingungsdauer. Lehrkraft teilt Schülern Genauigkeit der
Längen- und Zeitmessung beim Pendel mit. Schüler ermitteln
maximalen systematischen Fehler der Erdbeschleunigungsbestimmung
 Optionales Unterrichtsgespräch zur Story von Richer (← IV.1.1).
Schüler sollen Beobachtung Richer´s. Diskussion, ob 2 min/Tag
Gangfehler der Pendeluhr nicht auch auf eine höhere Temperatur
des nahe am Äquator gelegenen Cayenne zurückzuführen sind.
Schüler berechnen an einem Beispiel, um wie viel die mit einem
Pendel ermittelte Erdbeschleunigung bei Temperaturänderung
um 10 °C schwankt
 Unterrichtsgespräch zu Ergebnis der bisherigen Betrachtungen:
Mit Sicherheit konnte experimentell eine geringe Abhängigkeit der
Erdbeschleunigung (Schwankung um weniger als 1 %) vom Breitengrad festgestellt werden.
Suche nach Erklärungen für Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung
(Hausaufgabe)
Qualitative Erklärung
der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung
aU
 Qualitative Erklärung des Phänomens als Hausaufgabe mit elektronischem Arbeitsblatt (→ VI.3.3, Abb. 79). Lehrkraft gibt Hinweise auf Quellen wie Standard-Lernumgebung des RCLs 195 und
Lehrbücher
 Jede Kleingruppen darf nur ein gemeinsam bearbeitetes Arbeitsblatt in der nächsten Unterrichtsstunde per Beamer präsentieren
iU
 Präsentation und Besprechung der Arbeitsblätter der Kleingruppen. Aufgreifen der Schülerbeiträge und Erarbeitung der Lösung  Gravitationskraft
(→VI.3.3, Abb. 79)
 Zentrifugalkraft
Trägheitskraft
 Unterrichtsgespräch zur qualitativen Erklärung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung unter Beachtung der
Lernschwierigkeiten der Schüler (→ VI.3.3, ▪ Umgang mit potentiellen Lernschwierigkeiten)
 Ziel: Schüler sollen erkennen, dass Breitengradabhängigkeit der
Erdbeschleunigung durch Überlagerung zweier in gleicher Richtung zusammenwirkender Effekte (Änderung der Gravitationsund der Zentrifugalkraft mit dem Breitengrad) entsteht
 Lehrkraft stellt für Hausaufgabe das Gravity Information Sys196
tem vor
Ausweitung der Messungen auf alle Breitengrade
(Hausaufgabe)
als
aU

 Vergleich der gemessenen Erdbeschleunigungen mit den Werten
im Gravity Information System und Eintragen in ein g(φ)Diagramm. Ergänzung des Diagramms um weitere "Messpunkte"

aus dem Gravity Information System
 Schüler formulieren anhand des Diagramms zusammenfassendes Ergebnis zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung
Darstellung
von
Messwerten in einem
Diagramm
Umsetzen eines Diagramms in physikalische Aussagen
 Lehrkraft diskutiert mit Kurs die Frage nach der Berechnung von
g(φ). Schüler sollen herausfinden was mit ihren Mitteln berechnet
werden kann.
Quantitative Modelle der
Breitengradabhängigkeit
der Erdbeschleunigung
iU
 Herleitung der Abhängigkeit der Zentrifugalkraftkomponente vom  Gravitationsgesetz
Breitengrad
 Formel für Zentrifu Vergleich dreier quantitativer Modelle zur Breitengradabhängiggalkraft
keit der Erdbeschleunigung (→ VI.3.3, Abb. 80)
 Kleingruppen tragen in Diagramm von g(φ) mit experimentellen
Werten der Erdbeschleunigung theoretischen Verlauf ein.
Tab. 45: Unterrichtseinheit zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung mit dem RCL
Weltpendel.
195
Vgl. RCL-Portal unter RCLs/Weltpendel/Theorie.
196
Vgl. Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Gravity Information System, Gravity.
193
 Arbeitsblatt zur qualitativen Erklärung der Breitengradabhängigkeit
Es gibt derzeit keine für schulische Zwecke geeignete Simulation (← VI.2.2, ▪ Simulation
zum RCL Weltpendel) und kein geeignetes Modellexperiment als Hilfe zur Erklärung der
Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung. Ein Modellexperiment in dem die vertikale Schwingungsebene eines Pendels um einen variablen Winkel φ zwischen 0° und 90°
gedreht und nur noch die Kraft F = mgcosφ das Pendel antreibt 197 ist wenig überzeugend,
weil das Modellexperiment in den Ursachen und der Funktion g(φ) der Breitengradabhängigkeit zu wenig mit der Realität übereinstimmt. Deshalb wird folgendes Arbeitsblatt verwendet:
Eine Kugel hängt unter den Breitengraden 0°, ≈ 30°, ≈
60° und 90° an einer Federwaage. Durch die reibungsfreie Führung der Kugel in der Federwaage werden zur
Erdoberfläche parallele Bewegungen der Kugel verhindert:
Tragt für die Breitengrade qualitativ richtig alle im rotierenden Bezugssystem der Erde an der Kugel angreifenden Kräfte ein (jede Kraft oder Kraftkomponente in einer
eigenen Farbe) und benennt die Kräfte. Erklärt die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung.
Abb. 79: Arbeitsblatt zur Erklärung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung (links).
Erwartete Lösung (rechts).
 Quantitative Modelle zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung
In Abb. 80 ist für drei geometrische Modelle der Erde die Breitengradabhängigkeit der
Erdbeschleunigung dargestellt:
197
Vgl. Phywe, Variables g-Pendel.
194
Abb. 80: Quantitative Modelle zur Beschreibung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung.
Der Modelle können als Abschluss der Unterrichtsreihe mit den Schülern diskutiert werden (← VI.3.3, Tab. 45).
VI.4
Selbstbau von RCLs
Der Selbstbau von RCLs durch Studierende für das Lehramt an Gymnasien wurde im RCLProjekt konsequent verfolgt. Zehn der heute 17 im RCL-Portal verfügbaren RCLs sind im
Rahmen von Staatsexamensarbeiten realisiert worden (← II.1.2, ▪ Kombiniertes Entwicklungs- und Ausbildungsprojekt). Erste Erfahrungen inwieweit Schüler in der Lage sind RCLs
zu realisieren konnten 2006 auf einem Summercamp gemacht werden (→ VI.4.1). Studierende konnten durch motivierte und kompetente Mitglieder des RCL-Projekts betreut werden.
Die Frage inwieweit Lehrkräfte motiviert und kompetent Schüler beim Selbstbau von RCLs
an der Schule betreuen können wurde untersucht (→ VI.4.2).
VI.4.1
Erfahrungen mit Schülern
In der Zeit vom 15.08 - 19.08.2005 wurde an der Technischen Universität München, organisatorisch und finanziell unterstützt von UnternehmerTUM 198, von Intel, von der Eberhard von
198
Vgl. Unternehmertum – Zentrum für Innovation und Gründung an der TUM.
195
Kuenheim Stiftung und vom Arbeitgeberverband Gesamtmetall, in den Schulferien ein Summercamp mit 15 Schülern der Klassen 10 bis 13 durchgeführt. Die Schüler waren mit einem
Eigenanteil von 100 € beteiligt und wurden von zwei Mitgliedern der Arbeitsgruppe 199, 4 Stipendiaten von UnternehmerTUM und einem Werkstattleiter betreut.
In 4 Gruppen sollten die Schüler nicht voll funktionstüchtig vorbereiteten RCLs Maut, Lichtgeschwindigkeit, Roboter im Labyrinth und Fotoeffekt bearbeiten. Dazu mussten je nach
RCL Programmierungen vervollständig, Webseiten erstellt, der Versuch aufgebaut und die
Mechanik vervollständigt werden. Ergebnisse wurden am letzten Tag im Deutschen Museum
in Form von Postern und Vorträgen der Öffentlichkeit präsentiert.
Abb. 81: Präsentation von Zwischenergebnissen in den Räumlichkeiten der Technischen Universität
München (links). Ein Schüler legt Hand an beim RCL Heißer Draht (rechts).
Zur Frage nach der Realisierbarkeit eines Selbstbaus von RCLs durch Schüler können anhand der durchgeführten Abschlussbefragung 200, der Feedbackgespräche201 und Gesprächen mit den durchführenden Mitgliedern der Arbeitsgruppe folgende Erfahrungen festgehalten werden:
 Das Zustandekommen des Summercamps in den Sommerferien unter finanzieller Beteiligung der Eltern zeigt das Interesse am Selbstbau von RCLs.
 Die Schüler schätzen Lernerautonomie, Komplexität der Aufgabestellung, Notwendigkeit
zur Zusammenarbeit und erkennen vorhandene Kompetenzen von Gruppenmitgliedern
an.
 Der hohe Vorbereitungsaufwand und die Nachbereitung der RCLs durch Mitglieder der
Arbeitsgruppe zeigt, dass eine Woche zur Durchführung eines Summercamps nicht ausreicht.
 Die Kombination von Physik und Technik beim Selbstbau von RCLs ist reizvoll, aber überfordert in einer Woche manche Schüler. Sowohl die Umsetzung von physikalischen Inhal199
H.-J. Jodl und M. Vetter.
200
Vgl. Technische Universität München Summercamp 2005, Abschlussbefragung.
201
Vgl. Technische Universität München Summercamp 2005, Zusammenfassung der Feedbackgespräche.
196
ten in ein Experiment als auch die technische Realisation eines RCLs stellen hohe Anforderungen an Lehrende und Lernende.
 Der offene Austausch von Beobachtungen, Erkenntnissen und Meinungen unter den Betreuern, Organisatoren und Schülern in der Abschlussbefragung, den Feedbackgesprächen und den Gesprächen mit den Betreuern beeindruckt und zeigt die Innovationskraft
derartiger Projekte.
VI.4.2
Befragung von Lehrkräften
Auf 5 Fortbildungen (→ VII.3) wurde anhand eines Fragebogens untersucht, inwieweit Lehrkräfte motiviert und in der Lage sind den Selbstbau von RCLs durch Schüler zu betreuen (→
Anhang X.14). Auf die Frage "Wie hoch ist Ihr Interesse mit Schülern einen Nachbau oder
Neubau eines RCLs zu realisieren?" antworteten von 101 Lehrkräften auf einer Antwortskala
zwischen -2 (gar kein Interesse) und +2 (hohes Interesse) 40,6 % mit -2, 10,9 % mit -1, 23,8
% mit 0, 11,8 % mit +1 und 12,9 % mit +2. Der Mittelwert liegt bei -0,55. Die Lehrkräfte wurden danach gefragt, ob sie keine Unterstützung, eine schriftliche Anleitung oder eine Fortbildung für Fähigkeiten zum Selbstbau von RCLs benötigen. Abb. 82 zeigt das Ergebnis:
Abb. 82: Selbsteinschätzung von Lehrkräften zu Fähigkeiten und Fertigkeiten
des Selbstbaus von RCLs (N = 101 Lehrkräfte).
In den mehr RCL-spezifischen Fähigkeiten Sensoren und Aktoren, MikrocontrollerProgrammierung und PHP-Programmierung benötigen jeweils nur ungefähr 9 % der Lehrkräfte keine Unterstützung. Für die Betreuung eines Selbstbaus von RCLs sollten diese
drei Fähigkeiten gemeinsam vorhanden sein: 4 % der Lehrkräfte brauchen für keine der
drei Fähigkeiten Unterstützung, 47 % brauchen höchstens drei schriftliche Anleitungen
und 49 % brauchen mindestens in einer Fähigkeit eine Fortbildung. Der hohe Anteil an
Lehrkräften ohne RCL-spezifische Fähigkeiten ist darauf zurückzuführen, dass diese Fä-
197
higkeiten nicht Bestandteil der Ausbildung von Lehrkräften für das Lehramt an Gymnasien
sind und nur ein geringer Teil der Physiklehrkräfte auch Informatik unterrichtet.
Überraschenderweise benötigt auch ein hoher Anteil der Lehrkräfte bei den mehr RCLunspezifischen Fähigkeiten HTML, Platinenbestückung und mechanischer Aufbau Unterstützung. Im Gesamtergebnis existiert nur ein verschwindend geringer Anteil Lehrkräfte,
der sofort in der Lage wäre Schüler beim Selbstbau von RCLs zu betreuen. Zumindest
ungefähr 10 % der Lehrkräfte sind dazu besonders motiviert.
VI.5
Zusammenfassung
RCLs erzielen im Vergleich zu den videobasierten Messvideo, Videoanalyse und interaktives
Bildschirmexperiment die höchste Interaktivität und Authentizität zum traditionellen Realexperiment. Messdaten werden in Echtzeit gewonnen, Experimente können mehrfach durchgeführt und statistische Aussagen anhand der Messdaten gemacht werden. Komplexere Experimente können nicht als interaktives Bildschirmexperiment abgebildet werden und sind keine
Alternative zu RCLs.
RCLs können als Realexperiment in und außerhalb von Unterrichtszeiten von Lehrkräften
und Schülern eingesetzt werden. Am bedeutsamsten ist die Nutzung von RCLs außerhalb
des Unterrichts durch Schüler. Quantitative Realexperimente die bisher nur von der Lehrkraft
als Demonstrationsexperiment durchgeführt wurden, können nun als RCL von Schülern
durchgeführt werden. Vorteile für das Lernen aus Experimenten mit RCLs gegenüber dem
Demonstrationsexperiment ergeben sich aus dem zeitlich ungebundenen Experimentieren
und der Wahl der Sozialform (alleine, zu zweit und in Kleingruppen) beim Experimentieren.
Potentielle Nachteile von RCLs wie nur ein Schüler kann auf das RCL zugreifen, die fehlende fachliche Betreuung beim Experimentieren außerhalb von Unterrichtszeiten und die Unveränderbarkeit des Versuchsaufbaus kommen durch methodisch-organisatorische Maßnahmen und eine gute Konzeption von RCLs nur wenig zum Tragen.
Als Lernumgebungen von RCLs können kognitive Werkzeuge, Simulationen, StandardLernumgebungen, Aufgabensammlungen und Tutorials eingesetzt werden. Kognitive Werkzeuge wie z. B. Tabellenkalkulation oder Computeralgebrasysteme sind zunehmend verbreitet im Mathematik- und Physikunterricht. Nicht zu jedem RCL können passende und qualitativ gute Simulation im Internet gefunden werden. Die Standard-Lernumgebung der RCLs des
RCL-Portals ist eine webangepasste Fassung klassischer Versuchsanleitungen traditioneller
Praktika an Hochschulen. Für 6 RCLs des RCL-Portals stehen umfangreiche Aufgabensammlungen mit Lösungen und einem hohen Anteil experimenteller Fragestellungen bereit.
Für umfangreichere RCLs wie die Optische Fourier-Transformation, Beugung und Interferenz
II und Optische Computertomographie sind Tutorials sinnvoll mit denen Schüler und Studierende physikalische Inhalte im Selbststudium erlernen können.
198
Für die Sekundarstufe II wird ein von Demonstrationsexperimenten und RCLs experimentell
getragener Unterricht empfohlen. Schüler sollen zu Beginn der Sekundarstufe II in experimentelle Fachmethoden eingeführt werden, um möglichst eigenständig mit RCLs außerhalb
des Unterrichts experimentieren zu können. Die bevorzugte Sozialform sind dauerhaft in und
außerhalb des Unterrichts zusammenarbeitende Kleingruppen. In der Kleingruppe können
per digitaler Kommunikation Messergebnisse gesammelt, gemeinsam ausgewertet und in
den Unterricht eingebracht werden. Veränderungen gegenüber einem traditionellen Unterricht ohne RCLs und Kleingruppen liegen in der größeren inhaltlichen und methodischen Bedeutung von Hausaufgaben mit RCLs, in einem höheren Anteil von Schülern getragener Unterrichtszeit und in der Vorbereitung auf berufliche Arbeitsformen.
Ein Spektrum von 10 Lehr-Lernformen mit RCLs wie z. B. experimentellen Hausaufgaben,
Experimentalvorträge, Blended Learning, Lernzirkel und Selbststudium und insgesamt 17
Varianten zeigt, dass RCLs in vielfältiger Weise in den Unterricht integriert werden können.
Die Varianten werden nach dem Schüler oder der Lehrkraft als Experimentator und danach
ob im oder außerhalb des Unterrichts mit RCLs experimentiert wird unterschieden.
Lehr-Lernformen bzw. Varianten werden in einer ungefähr 5-stündigen Unterrichtseinheit zur
Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung für einen Leistungskurs mit dem RCL Weltpendel eingesetzt. Ziel der Unterrichtseinheit ist, dass Schüler die Breitengradabhängigkeit
der Erdbeschleunigung mit dem RCL Weltpendel messen, die zum Messen erforderliche
Genauigkeit eines Pendels erkennen, möglichst eigenständig das Phänomen qualitativ erklären und lernen es teilweise quantitativ zu beschreiben.
Ein 2005 durchgeführtes einwöchiges Summercamp zeigt das Potential und die Probleme
eines Selbstbaus von RCLs durch Schüler. Eine Befragung von Lehrkräften auf Fortbildungen zu RCLs zeigt, dass weniger als ungefähr 5 % der Lehrkräfte inhaltlich in der Lage ist
eine Arbeitsgemeinschaft zum Selbstbau von RCLs an Schulen zu führen.
VII VERBREITUNG von RCLs
VII
199
VERBREITUNG von RCLs
Das RCL-Projekt gehört mit einer Laufzeit von fast 10 Jahren zu den nachhaltigsten RCLProjekten (← II.6). Anzahl und Qualität der RCLs des RCL-Portals lagen bisher im Mittel
über der anderer RCL-Projekte (← III.1.2, ← III.2.1). Allein dies genügt nicht, um RCLs als
Lernmedium hinreichend bekannt oder den Einsatz von RCLs in der Lehre voranzutreiben.
Deshalb wurden im RCL-Projekt drei Kommunikationswege zur Verbreitung von RCLs beschritten: Wissenschaftliche Kommunikation über Zeitschriftenartikel, Konferenzbeiträge,
Vorträge und Poster (→ VII.1), Beiträge zum Unterrichtseinsatz von RCLs im Schulportal
Lehrer-Online des Vereins Schulen ans Netz (→ VII.2) und Fortbildungen sowie Workshops
(→ VII.3).
VII.1
Zeitschriftenartikel, Konferenzbeiträge, Vorträge und Poster
5
3
7/12
1
Beugung und Interferenz I *
2
3
Elektronenbeugung
4
Fotoeffekt
5
0
6
Heißer Draht
0
7
8
Maut
9
Millikan-Versuch
10
11
12
Oszilloskop
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1/0
0,5**
1/4
1
1
1
20
1,5
1
7
0
1
1
0/1
1
0,5**
2
0,5
0
1/2
1
0
1
Gesamt
2
Projekt
Lehrer-Online-Beiträge (d)
2
0
Staatsexamensarbeiten (d)
Vorträge (d)
1
Gesamt (e/d)
Vorträge (e)
2
Poster (d)
Konferenzbeiträge (d)
4
Poster (e)
Konferenzbeiträge (e)
RCL
Zeitschriftenartikel (d)
Nr.
Zeitschriftenartikel (e)
Artikel in Fachzeitschriften und Konferenzbeiträge tragen unter Physikern und Physikdidaktikern zur Verbreitung von RCLs bei, indem aktuelle Entwicklungen des RCL-Projekts vermittelt und die wissenschaftliche Qualität des RCL-Projekts dokumentiert wird. Mit Vorträgen
und Postern auf Konferenzen wird in mündlicher Form über den aktuellen Stand des RCLProjekts informiert und Öffentlichkeitsarbeit betrieben. Gegenüber der Kommunikation rein
physikalischer Forschungsergebnisse ist dazu auch eine Präsenz auf mehreren Konferenzen
zum gleichen Thema sinnvoll. Tab. 46 gibt eine Übersicht zu Veröffentlichungen und Vorträgen sowie zu Staatsexamensarbeiten und Lehrer-Online-Beiträgen (→ VII.2) im RCL-Projekt
seit 2004 (→ Anhang X.7):
4
0
0/2
1
0
1,5**
1
4
1,5
1/0
1
2
0
0,5**
0,5
200
13
Radioaktivität
14
15
1
1
16
Weltpendel
1
1
17
Windkanal
18
Optische Kristallographie
Gesamt
1
0/1
1
2
0
7
1
1
1
2
9
5
2
2
4
7
8
2
4
0
2/1
1
1
5
4/1
1
1
7
0
1
1
2
4/1
1
21/25
11
6
9
66
Tab. 46: Anzahl der Zeitschriftenartikel, Konferenzbeiträge, Vorträge, Poster, Staatsexamensarbeiten und Lehrer-Online-Beiträge im RCL-Projekt zwischen 2004 und 2010. * Angaben beziehen sich auf das baugleiche Vorgänger-RCL, ** RCLs in Staatsexamensarbeiten mit zwei RCLs.
Die 11 Staatsexamensarbeiten haben als fachbereichsinterne Schriften zur Verbreitung von
RCLs nicht beigetragen. Es wurden ungefähr gleich viele wissenschaftliche Beiträge in
Deutsch (d) und Englisch (e) veröffentlicht. Unter den Postern befinden sich zwei interaktive
Poster. 19 bzw. 40 % der 46 wissenschaftlichen Beiträge thematisieren das RCL-Projekt, die
anderen Beiträge behandeln einzelne RCLs:
 Basisartikel zum RCL-Projekt
Unter den 19 Beiträgen zum RCL-Projekt werden in drei englischen, referierten Zeitschriftenartikeln die wesentlichen Merkmale des RCL-Projekts dargestellt: Begründung des
RCL-Projekts im Rahmen der zunehmenden Fernlehre an Universitäten, zentrale Bedeutung des Experiments in der Physiklehre, RCL-Prinzip, Qualitätsmerkmale von RCLs, Ergebnisse weltweiter RCL-Recherchen, kurze Beschreibungen neu entwickelter RCLs,
Weiterentwicklungen in der RCL-Technik, Auswahl von geeigneten Experimenten für
RCLs, Besucherzahlen von RCLs und Beschreibung der Standard-Lernumgebung von
RCLs.
 Zeitschriftenartikel zu einzelnen RCLs
Einzelne RCLs werden in insgesamt 26 wissenschaftlichen Beiträgen thematisiert, davon
3 in der Zeitschrift European Journal of Physics und 7 in der Lehrerzeitschrift Praxis der
Naturwissenschaften - Physik in der Schule. Die deutschsprachigen Veröffentlichungen
sind erfolgt, weil ungefähr 85 % der Besuche aus Deutschland kommen (← I.5.3, Besuche nach Ländern) und deutsche Lehrkräfte in der Regel keine englischsprachigen Zeitschriften lesen. Die Zeitschriftenartikel zu einzelnen RCLs sind einheitlich strukturiert: Begründung warum der Versuch als RCL gewählt wurde, Beschreibung des RCLs, Interaktivität und Messergebnisse des RCLs, Mehrwert des RCLs und Vorschläge zum Einsatz
des RCLs in der Lehre. Derzeit sind drei weitere Manuskripte zu den RCLs Beugung und
Interferenz II, Millikan-Versuch und Radioaktivität und für European Journal of Physics in
Arbeit.
Im RCL-Projekt wurden zwischen 2004 und 2010 zusammen mit den Staatsexamensarbeiten und Lehrer-Online-Beiträgen insgesamt 66 Beiträge und damit ungefähr 10 Beiträge/Jahr
veröffentlicht.
VII.2
201
Beiträge im Bildungsportal Lehrer-Online
Das RCL-Portal bietet RCLs und physikalische Inhalte zu RCLs in den StandardLernumgebungen, aber keine auf deutsche Lehrkräfte an Gymnasien zugeschnittenen Materialien für den Unterrichtseinsatz von RCLs an. Deshalb wurde ein möglichst bekanntes Bildungsportal zum Angebot solcher Materialien sowie zur Steigerung des Bekanntheitsgrades
und des Unterrichtseinsatzes von RCLs gesucht. Die Einschränkung auf den deutschsprachigen Raum erfolgte, weil ungefähr 85 % der Besuche aus Deutschland kommen und die
Materialien auf Fortbildungen deutscher Lehrkräfte eingesetzt werden (→ VII.3).
VII.2.1
Auswahl des Bildungsportals
Benötigt wird ein Physik-Portal oder Fachportal Physik mit Sekundarstufe II als Zielgruppe,
kostenlosem Zugang zu Unterrichtsmaterial ohne Registrierung, hohem Bekanntheitsgrad
unter den deutschen Lehrkräften, Fokus auf dem Einsatz digitaler Medien im Unterricht,
langfristig gesicherter Existenz durch personelle und finanzielle Ressourcen und redaktioneller Bearbeitung von Beiträgen.
Naheliegend war in 2006 das Portal der damaligen Bildungsinitiative "Intel Lehren - Aufbaukurs online" 202 des damaligen Kooperationspartners Intel zu nutzen. Teil der Initiative ist die
Umsetzung von Unterrichtseinheiten mit digitalen Medien der Lehrkräfte auf gemeinsamen
Sitzungen eines Redaktionsteams und der Lehrkräfte in eine vorgegebene Abfolge von
Lernschritten und Aktivitäten, Lernpfad genannt. Diese sollen dann von anderen Lehrkräften
als eigene Fortbildung im Unterricht eingesetzt und erprobt werden. Ein Lernpfad zum RCL
Fotoeffekt 203 zeigte, dass die Anpassung der Unterrichtseinheit an die vorgegebene Struktur
der Lernpfade zu einer stark methodisierten Darstellung führt, in der die Inhalte der Unterrichteinheit zu wenig zum Tragen kommen. Deshalb wurde ein anderes Portal gesucht.
Reine Physikportale wie z. B. Welt der Physik 204 oder pro-physik.de 205 sind ungeeignet, weil
diese auf die populärwissenschaftliche Vermittlung von Forschungsergebnissen oder den
Zugang zu physikalischen Inhalten über kommentierte und kategorisierte Links (Kataloge)
spezialisiert sind. Bildungsserver der Bundesländer mit kleineren Fachportalen zur Physik 206
sind wegen der länderspezifischen Ausrichtung und der instabilen redaktionellen Betreuung
ungeeignet. Der Deutsche Bildungsserver 207 ist als reiner Verweisserver ungeeignet.
202
Vgl. Akademie für Lehrerfortbildung und Personalführung Dillingen, Aufbaukurs Online, Webseite http://aufbaukurs.intellehren.de von Intel nicht mehr verfügbar.
203
Akademie für Lehrerfortbildung und Personalführung Dillingen, Aufbaukurs Online, Lernpfad Photonenmodell des Lichts mit
einem Remotely Controlled Laboratory (RCL), Zugang nach Anmeldung.
204
Vgl. Deutsche Physikalische Gesellschaft, Welt der Physik.
205
Vgl. Wiley Interscience GmbH, pro-physik.de.
206
Vgl. z. B. Bildungsserver Rheinland-Pfalz, Unterrichtsfach Physik.
207
Vgl. Deutscher Bildungsserver.
202
Die Ergebnisse einer Benchmarkstudie mit 15 Schul- und Bildungsportalen208, die Entwicklung des Portals Lehrer-Online 209 von Schulen ans Netz e. V. und die Sichtung des Fachportals Physik210 in Abb. 83 führten zur Wahl von Lehrer-Online als geeignetsten Portal.
Abb. 83: Ausschnitt der Startseite des Fachportals Physik bei
Lehrer-Online.
Lehrer-Online ist das umfangreichste und meistbesuchte Schulportal in Deutschland. Weitere Vorteile sind: Der Schwerpunkt des Portals liegt auf der Information und nicht auf der
Kommunikation, ein Newsletter informiert Besucher über neue Beiträge, viele Referendare
nutzen das Angebot zur Vorbereitung von Unterricht und das Redaktionsteam unterstützt Autoren sehr gut.
VII.2.2
Übersicht und Struktur der Beiträge
Über den Link "Remotely Controlled Laboratories (RCLs)" in Abb. 83 kann auf die 9, im Zeitraum zwischen April 2008 und Mai 2009 veröffentlichten Beiträge zu RCLs, zugegriffen werden. Tab. 47 zeigt eine Übersicht:
208
Vgl. Hron 2006.
209
Vgl. Heinen 2007.
210
Vgl. Schulen ans Netz e. V., Lehrer-Online, Fachportal Physik.
Nr.
203
Beitrag
Online seit
1
Remotely Controlled Laboratories (RCLs)
Juni 2008
2
Entdeckung des Atomkerns - RCL Rutherfordscher Streuversuch
April 2008
3
Breitengradabhängigkeit von g - RCL Weltpendel
Oktober 2008
4
Aerodynamik von Fahrzeugen - RCL Windkanal
Januar 2009
5
Licht als Fotonenströmung - RCL Fotoeffekt
März 2009
6
Elektron als Welle - RCL Elektronenbeugung
April 2009
7
Beugung am Gitter - RCL Beugung und Interferenz
Mai 2009
8
Quantisierung der Ladung - RCL Millikan-Versuch
Mai 2009
9
Geschwindigkeit von Licht - RCL Lichtgeschwindigkeit
Mai 2009
Tab. 47: Übersicht der Beiträge zu RCLs bei Lehrer-Online.
Abb. 84 zeigt die Startseite zum Beitrag Remotely Controlled Laboratories (RCLs) mit Informationen zum RCL-Prinzip, zu Qualitätskriterien und Mehrwert von RCLs, zum RCL-Portal
und zur Einordnung von RCLs unter den Physikmedien:
Abb. 84: Ausschnitt der Startseite des Beitrags Remotely Controlled
211
Laboratories (RCLs).
Von der Startseite aus sind alle 8 weiteren Beiträge zu einzelnen RCLs erreichbar. Tab. 48
zeigt die gemeinsame Struktur der Beiträge:
211
Vgl. Schulen ans Netz e. V., Lehrer-Online, Remotely Controlled Laboratories (RCLs).
204
Startseite
 Anleser mit Bild vom RCL und Inhalt des Beitrags
 Download aller Unterrichtsmaterialien in einer Zip-Datei
 Kompetenzen (Lernziele) der Unterrichtseinheit
 Didaktisch-Methodischer Kommentar zum Zusammenhang
von Inhalten, Medien und Methoden in der Unterrichtseinheit
 Kurzinformationen zur Unterrichtseinheit: Thema, Autor,
Zielgruppe, Zeitraum, Technische Voraussetzungen, Soft-  Link zum RCL auf dem RCL-Portal
ware
 Informationen zum Autor
 Zusatzinformationen wie Links und Literatur zum Thema der
Unterrichtseinheit
Unterrichtsmaterial
 Download der Unterrichtseinheit(en)
Unterrichtseinheit
 Struktogramm
 Download kommentierter Materialien  Beschreibung der Phasen
wie z. B. Aufgabensammlungen und  Tipps zum Unterricht
Dateien für Programme wie Tabellenkalkulation, Computeralgebrasysteme
und Modellbildung
Steckbrief
 Versuchsaufbau
 Laborseite
 Experimentiermöglichkeiten
 Mehrwert des RCLs
 Lernpotenzial
Tab. 48: Struktur der Beiträge zu einzelnen RCLs.
Die Startseite bietet mit Anleser, Metadaten, gemeinsamer Materialdownload in einer Datei
und didaktisch-methodischem Kommentar einen Einstieg in die Unterrichtseinheit. Von der
Startseite kann auf kommentierte Unterrichtsmaterialien und auf die ausführlich mit Struktogrammen und Phasen beschriebene Unterrichtseinheit zugegriffen werden. Ein Steckbrief
des RCLs dient als Verbindung zum RCL-Portal.
VII.2.3
Besucherzahlen
In Abb. 85 sind exemplarisch für den Beitrag Nr. 1 zu RCLs aus Tab. 47 und den Beitrag Nr.
2 zum RCL Rutherfordscher Streuversuch aus Tab. 47 die Anzahl der Besuche/Tag für die
Monate zwischen November 2008 und August 2010 dargestellt:
Abb. 85: Anzahl der Besuche/Tag zweier Beiträge zu RCLs im Portal LehrerOnline zwischen November 2008 und August 2010.
205
Besonders beim Beitrag zum RCL Rutherfordscher Streuversuch sind wie beim RCL-Portal
(← II.5.2, Abb. 16) Einbrüche der Besuche/Tag in Ferienmonaten zu erkennen. Die über den
Veröffentlichungszeitraum gemittelten Besuche/Tag der Beiträge liegen bei 7,7 (RCL Weltpendel), 9,5 (Remotely Controlled Laboratories), 10,1 (RCL Windkanal), 10,4 (RCL Beugung
und Interferenz II), 11,1 (RCL Lichtgeschwindigkeit), 12,7 (RCL Elektronenbeugung), 13,3
(RCL Fotoeffekt) und 16,5 (RCL Rutherfordscher Streuversuch und RCL Millikan-Versuch).
Insgesamt sind Lehrkräfte stärker an den Beiträgen zu einzelnen RCLs mit konkreten Unterrichtsmaterialien als am allgemeinen Beitrag zu RCLs interessiert. Die Beiträge zum RCL
Weltpendel und zu RCLs haben die wenigsten Besuche/Tag, aber mit 2,3 Seiten/Besuch mit
Abstand gegenüber ungefähr 1,5 Seiten/Besuch der anderen Beiträge die meisten Seitenaufrufe. Die durchschnittlich 12 Besuche/Tag aller RCLs liegen über den 10 Besuchen/Tag
der Standard-Lernumgebungen von RCLs (← II.5.3, Tab. 7).
VII.3
Fortbildungen und Workshops
Ein Ziel des RCL-Projekts war die Entwicklung und das Angebot von Fortbildungen zu RCLs
für Lehrkräfte an Gymnasien. Diese Zielgruppe entspricht dem hohen Anteil von RCLs des
RCL-Portals für die Sekundarstufe II (← II.3.1, Tab. 1). Tab. 49 gibt einen Überblick der
durchgeführten zehn eintägigen Fortbildungen (F), und der vier auf Veranstaltungen durchgeführten, maximal dreistündigen Workshops (W) im Zeitraum zwischen Juni 2006 und Mai
2010:
Nr. Typ
Datum
Veranstaltung
Ort
Teilnehmerzahl
Kooperationspartner
1
F
20.11.06
-
Technische Universität
Kaiserslautern
24
Landesmedienzentrum
Rheinland-Pfalz
2
F
07.03. 09.03.07
-
Akademie für Lehrerfortbildung und Personalführung
Dillingen
5
Intel GmbH
3
F
12.09.07
-
Heinz-Nixdorf Museumsforum Paderborn
4
Verein MINT-EC
Arbeitgeberverband Gesamtmetall
4
W
15.09.07
EduNetwork 2007
Hasso Plattner Institut
Potsdam
15
Verein MINT-EC
5
F
05.03.08
-
Heinz-Nixdorf Museumsforum Paderborn
12
Verein MINT-EC
6
F
07.04.08
-
Technologie- und Gründerzentrum Kaisersesch
10
Landesmedienzentrum
Rheinland-Pfalz
7
W
24.09.08
3. Fachtagung "Naturwissenschaften
entdecken!"
Geographisches Institut
Universität Bonn
15
Verein Schulen ans Netz
Urania
Berlin
10
Verein Science on Stage
Deutschland
8
W
25.10.08
Nationales Science
on Stage-Festival
2008
9
W
15.01.09
Didaktikzirkel Physik
Universität
Mainz
15
Didaktik der Physik, Universität Mainz
10
F
25.05.09
-
Gymnasium
17
206
Isernhagen
11
F
29.05.09
-
SiemensForum
München
20
Akademie Dillingen
12
F
21.09.09
-
Technische Universität
Kaiserslautern
28
13
F
19.04.10
-
Klingenberg-Oberschule
Berlin
15
14
F
29.05.10
-
SiemensForum
München
23
Tab. 49: Durchgeführte Fortbildungen (F) und Workshops (W) auf Veranstaltungen in zeitlicher
Reihenfolge.
Insgesamt haben ungefähr 200 Lehrkräfte an den Fortbildungen und Workshops "Remotely
Controlled Laboratories im Physikunterricht der Sekundarstufe II" teilgenommen. Organisatorisch oder finanziell unterstützt und wurden die Fortbildungen und Workshops von 6 Kooperationspartnern. Workshops als verkürzte Fortbildungen werden im Folgenden nicht mehr
gesondert betrachtet.
Im den vier Jahren wurden die inhaltlichen Schwerpunkte und der Fortbildungsverlauf (→
VII.3.1, Tab. 50) der steigenden Zahl von RCLs, Lehrer-Online-Beiträgen, Artikeln und Aufgabensammlungen sowie den Ergebnissen eines Fragebogens zur Fortbildung (→ Anhang
X.14, → VII.3.2.1) und Erfahrungen aus der Fortbildungsdurchführung angepasst (→
VII.3.2.2).
VII.3.1
Konzeption, Verlauf und Organisation
Bei den Inhalten von Fortbildungen zu Lernmedien können drei Stufen mit zunehmendem didaktischem Anspruch unterschieden werden. Spezialisiert auf RCLs sind diese:
 Kenntnisse zu und Erfahrungen mit RCLs: Überblick und Zugang zu RCLs auf dem RCLPortal (← II.3.1), Erfahrungen im Experimentieren mit RCLs, Mehrwert von RCLs (←
III.3.1), Struktur und Inhalte der Standard-Lernumgebungen von RCLs (← VI.2.3).
 Kenntnisse zum Einsatz von RCLs im Unterricht: Eigenschaften von RCLs als Medium (←
VI.1.1) und als Realexperiment (← VI.1.2) sowie Lehr-Lernformen zum kurz-, mittel- und
langfristigen Einsatz von RCLs (← VI.3.2)
 Durchführung von Unterricht mit RCLs: Praktische Umsetzung von Inhalten der ersten
beiden Stufen im Physikunterricht.
Inhalte der ersten beiden Stufen werden auf der Fortbildung vermittelt, der praktische Einsatz
von RCLs im Physikunterricht durch Lehrkräfte kann dadurch nur vorbereitet und wahrscheinlicher gemacht werden. In der Konzeption eintägiger Fortbildungen für Lehrkräfte sind
folgende Randbedingungen zu beachten:
207
 Im Extremfall unterrichtet die Lehrkraft gerade nicht in der Sekundarstufe II, der Fortbildungstag liegt nicht montags oder freitags, Klausuren sind noch zu korrigieren und Unterricht vorzubereiten. Für einige Lehrkräfte wird ein einzelner Fortbildungstag dann schnell
zu einem Tag zum Luftholen. Es bleibt keine Zeit zum Einstellen auf die Fortbildung.
 Im Extremfall arbeitet eine Lehrkraft auf der Fortbildung mit RCLs, die erst ein halbes Jahr
später im Unterricht einsetzt werden können. Erworbene Kenntnisse und entwickelte Motivation aus der Fortbildung können nicht zeitnah genug im Unterricht umgesetzt werden.
Eine erste Konsequenz für die Fortbildungskonzeption ist daher, die Fortbildung geistig bereits vor der Durchführung beginnen zu lassen. Konkret wird das durch Informationen und
Maßnahmen in der Fortbildungsausschreibung erreicht:
 Anhand der RCLs und den Informationen zum RCL-Projekt auf dem RCL-Portal können
Lehrkräfte über eine Fortbildungsteilnahme entscheiden.
 Zur Fortbildungsvorbereitung werden die Lehrkräfte gebeten, den Beitrag Remotely Controlled Laboratories (RCLs) auf Lehrer-Online zu lesen (← VII.2.2, Tab. 47, Nr.1). Eine
Befragung der Lehrkräfte in den ersten beiden Fortbildungen hat gezeigt, dass ungefähr
90 % der Lehrkräfte dem nachkommen und mehr als die Hälfte der Lehrkräfte den gesamten Beitrag lesen.
 Zur Fortbildungsvorbereitung werden die Lehrkräfte gebeten zwei Schwerpunkt-RCLs zu
wählen, die möglichst zeitnah nach der Fortbildung im Unterricht eingesetzt werden können oder von besonderem Interesse sind.
Weiterhin ist zu beachten:
 Lehrkräfte als professionell Lehrende haben zu selten Gelegenheit in einer lernförderlichen und entspannten Atmosphäre auch Lernende zu sein.
 Als Lehrende sind Lehrkräfte gewohnt, dass Lernende Lerninhalte annehmen oder annehmen müssen. In der Rolle des Lernenden auf der Fortbildung kann diese Haltung nicht
sofort abgelegt werden. Bei zu enger Führung durch den Referenten können Unstimmigkeiten am Fortbildungstag zu einer abwehrenden Lernhaltung oder zur Konfrontation führen.
Eine zweite Konsequenz für die Fortbildungskonzeption ist daher, den Lehrkräften in der
Fortbildungsausschreibung die Fortbildung als Lerntag mit der Möglichkeit in Kleingruppen
und eigenständig arbeiten zu können anzubieten. Tagesziel der Fortbildung ist eine 10 - 15minütige Präsentation jeder Kleingruppe mit Messergebnissen, Mehrwert und Einsatzmöglichkeiten eines RCLs im Physikunterricht. Eigenständiges Arbeiten der Lehrkräfte wird durch
folgende Fortbildungsgestaltung möglich:
 Der Referent führt zu Beginn in das RCL-Portal und an einem Beispiel in das Experimentieren mit RCLs sowie den Mehrwert und die Einsatzmöglichkeiten von RCLs ein.
208
Dadurch wird ein einheitlicher anfänglicher Kenntnisstand unabhängig von der Qualität
der Vorbereitung der Lehrkräfte auf die Fortbildung erzielt.
 Die Lehrkräfte werden entsprechend der Wahl von Schwerpunkt-RCLs in Kleingruppen zu
jedem RCL eingeteilt. Die Gesamtzeit der Präsentationen bleibt bei Begrenzung der Teilnehmerzahl auf ungefähr 15 Lehrkräfte im zeitlichen Rahmen.
 Den Lehrkräften werden zu Beginn die weiteren Lehrer-Online-Beiträge (← VII.2.2, Tab.
47) und die Veröffentlichungen zu einzelnen RCLs auf dem RCL-Portal 212 als Informationsquellen vorgestellt. Die Lehrkräfte erhalten eine Liste mit den Bereichen spezifischer
Mehrwerte von RCLs (← III.3.1) und eine Übersicht zu Lehr-Lernformen von RCLs im
Physikunterricht (← VII.3.2, Tab. 44) ohne die Angabe welche Lehr-Lernform besonders
für welches RCL geeignet ist. Die Kleingruppen konkretisieren diese Informationen für das
gewählte RCL und die Präsentation.
 Am Vormittag des Fortbildungstags liegt der Schwerpunkt auf der ersten Inhaltsstufe, am
Nachmittag auf der zweiten Inhaltsstufe. Der Vormittag schließt mit einem Kurzbericht der
Kleingruppen zum Arbeitsstand ab.
 Kleingruppen mit frühzeitig fertig gestellter Präsentation, erhalten je nach verfügbarer Zeit
ausgefüllte oder unvollständige Listen mit Vor- und Nachteilen von RCLs (← VI.1.2, Tab.
38, ← VI.1.3, Tab. 39) zur eigenen Bearbeitung.
In Tab. 50 ist der zeitliche und inhaltliche Verlauf der Fortbildung weiter konkretisiert und angegeben, ob der Referent (R), die Teilnehmer (T) oder die Teilnehmer und der Referent
(T/R) aktiv sind:
Nr.
1
2
Zeit
09:00 - 09:20
09:20 - 10:00
Akteur
Inhalt
R
 Begrüßung und Vorstellung
T
 Vorstellung der Teilnehmer (Name, Schule, Fächer, Tätigkeit)
R
 Fortbildungsziel, geplanter Tagesverlauf, Tagesziel Präsentation (max. 15 min).
R
 Einführung ins RCL-Portal
 Experimentieren, Mehrwert und Einsatzmöglichkeiten am Beispiel eines RCLs
R
T/R
 Vorstellung der Materialien (Lehrer-Online-Beiträge, Zeitschriftenartikel, Mehrwerte,
Lehr-Lernformen mit RCLs, Vor- und Nachteile von RCLs)
 Inhalte der Präsentation
 Bildung von Kleingruppen und Zuordnung der gewählten RCLs
212
T
 Experimentieren mit RCLs, Standard-Lernumgebung zu RCLs, Mehrwert von RCLs
R
 Anregungen und Hilfestellungen geben, Fragen beantworten, informieren an was
Kleingruppen gerade arbeiten
12:15 - 12:30
T
 Kurzbericht der Kleingruppen zum Arbeitsstand
12:30 - 13:30
T/R
3
10:00 -12:15
4
5
 Mittagessen
T
 Lehr-Lernformen mit RCLs im Unterricht, Vor-und Nachteile von RCLs
 Anregungen und Hilfestellungen geben, Fragen beantworten, informieren an was
Kleingruppen gerade arbeiten
6
13:30 - 15:30
R
7
15:30 - 16:30
T/R
8
16:30 - 17:00
T
T/R
 Präsentation der Ergebnisse
 Fragebogen
 Rückmeldungen zu Inhalt und Verlauf der Fortbildung
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, RCL-Portal unter RCL-Projekt/2. Veröffentlichungen.
R
209
 Ausgabe von RCL-Flyern, Werbematerial des Kooperationspartners und Fortbildungsbescheinigungen
Tab. 50: Zeitlicher und inhaltlicher Verlauf der Fortbildung.
Der Tab. 51 sind als Checkliste die organisatorischen Tätigkeiten zur Vorbereitung der Fortbildung zu entnehmen. Den Teilnehmern ist nach der Fortbildung das Ergebnis der Befragung zur Fortbildung zuzusenden.
Tätigkeiten
 Kooperationspartner lässt Fortbildung auch in den Bundesländern als Fortbildung anerkennen und
ausschreiben.
Ausschreibung
 Organisation: Ausschreibung mindestens einen Monat vor der Veranstaltung mit Titel "Remotely
Controlled Laboratories (RCLs) im Physikunterricht der Sekundarstufe II", Veranstaltungsort, Zeit
09:00 - 17:00 Uhr, Teilnehmerzahl auf 15 begrenzt, Reise- und Verpflegungskosten tragen Teilnehmer je nach Regelung des Bundeslandes, Anfahrtskizze.
 Fortbildungsinhalt: Angabe von Inhalt und Ziel der Fortbildung, Angabe von Informationsmaterial
(RCL-Portal, Lehrer-Online-Beitrag zu RCLs) zur Entscheidung der Teilnahme und Vorbereitung
der Lehrkräfte, Wahl zweier Schwerpunkt-RCLs.
 Material: Teilnehmer bringen Taschenrechner, Oberstufenlehrbuch oder ExperimentalphysikHochschullehrbuch und optional Notebook/USB-Stick mit.
Anmeldung und
Einladungsschreiben
 Anmeldung: Entweder nur über die Bundesländer oder nur über den Kooperationspartner, Teilnehmer geben bei Anmeldung an, ob sie das eigene Notebook mitbringen.
 Einladungsschreiben: Enthält alle Punkte der Ausschreibung.
 Veranstaltungsraum: Ausschilderung an der Institution, ausreichende Größe für alle Teilnehmer,
gute Projektionsmöglichkeit.
Veranstaltungsraum und
Technik
 Absprache mit Netzwerk-Administrator vor Ort: W-LAN vorhanden? Private Notebooks problemlos
integrierbar ins Netz? Alle notwendigen Ports freigeschaltet? Netzwerk hinreichend belastbar und
schnell (mindestens DSL 2000)? Passwörter von Computern?
 Funktionstüchtigkeit der RCLs: Check ungefähr eine Woche vor der Fortbildung, um Fehler noch
rechtzeitig beheben zu können.
Verpflegung
Materialien
 Kaffee und kalte Getränke: Sollten vom Kooperationspartner oder der Institution gesponsert werden.
 Mittagessen: Innerhalb der Institution möglich? Zu Fuß erreichbares Lokal? Vorbestellung erforderlich?
 Kopien (Anzahl): Anwesenheitsliste mit Name, E-Mailadresse, Schule (1), RCL-Flyer (3 x 20), Fragebogen (20), Liste mit Mehrwerten von RCLs (20), Liste mit Vor- und Nachteilen von RCLs (20),
Lehr-Lernformen mit RCLs (20), Teilnahmebescheinigungen der Teilnehmer (15)
 Laserpointer
 Werbematerial des Kooperationspartners
Tab. 51: Organisatorische Tätigkeiten zur Vorbereitung der Fortbildung.
VII.3.2
Evaluation der Fortbildung
VII.3.2.1 Ergebnisse des Fragebogens
Die folgenden Ergebnisse basieren auf einer Befragung der Teilnehmer von der 4 Fortbildungen Nr. 10 -13 aus Tab. 49 mittels eines Fragebogens (→ Anhang X.14):
 Fortbildungsbedarf
Auf die Frage nach dem Bekanntheitsgrad von RCLs vor der Fortbildung antworteten von
77 Lehrkräften 38 % mit "gar nicht", 48 % mit "davon gehört", 13 % mit "damit experimen-
210
tiert" und 1 % mit "im Unterricht eingesetzt". Dies und die Teilnehmerzahlen der letzten
fünf Fortbildungen zeigen, dass nach wie vor ein Fortbildungsbedarf für RCLs besteht.
 Umfang und Qualität des Experimentierens mit RCLs
Auf den Fortbildungen wurde im Mittel mit 33 % der RCLs des RCL-Portals nicht experimentiert, bei 7 % der RCLs haben Lehrkräfte beim Experimentieren anderer Lehrkräfte
zugesehen, mit 37 % der RCLs des RCL-Portals wurde qualitativ und mit 23 % quantitativ
experimentiert.
 Qualität der Fortbildung
Abb. 86 zeigt die abschließende Beurteilung der Qualität der Fortbildung durch die Lehrkräfte. Auf einer Antwortskala -2, -1, 0, +1, +2 konnte angegeben werden, in welchem
Umfang Qualitätskriterien für Fortbildung erfüllt wurden:
Abb. 86: Beurteilung der Qualität der Fortbildung zu RCLs durch die
Lehrkräfte.
Die Mittelwerte zwischen 0,9 und 1,7 der Qualitätskriterien zeigen die gute bis sehr gute
Qualität der Fortbildung. Die ersten vier am besten bewerteten Kriterien zeigen die sehr
gute Lern- und Arbeitsatmosphäre auf den Fortbildungen. Der Mittelwert des Qualitätskriteriums "Motivation RCL-Unterrichtseinsatz" zeigt, dass die Fortbildung Voraussetzungen
für einen Einsatz von RCLs im Unterricht geschaffen hat.
211
VII.3.2.2 Optimierung der Fortbildung
Im Laufe der Fortbildung wurden folgende Einsichten gewonnen und Optimierungen durchgeführt:
 Erfahrungen zeigten, dass ein Vortrag des Referenten zu Lehr-Lernformen mit RCLs im
Physikunterricht die Fortbildungsteilnehmer "erschlägt". Deshalb wurden die Inhalte des
Vortrags in Form von den Teilnehmern zu verarbeitendes Informationsmaterial vermittelt.
 Ein noch größerer Bezug zum Unterricht durch Erstellung von Unterrichtsskizzen oder Unterrichtseinheiten zum Einsatz von RCLs war in der eintägigen Fortbildung wegen des
Zeitaufwands nicht realisierbar.
 Anfänglich durchgeführte Befragungen zur Nutzerfreundlichkeit und Funktionalität von
RCLs in der Fortbildung waren wenig aussagekräftig, da diese nicht unter kontrollierten
Bedingungen durchgeführt werden.
 Ein zu Beginn der Fortbildungen 2006 zur Vorbereitung der Lehrkräfte eingesetzter Reader "RCL als Physikmedium" 213 wurde 2008 durch den besseren Lehrer-Online-Beitrag zu
RCLs ersetzt. Dieser sollte überarbeitet und als pdf-Dokument zum Download verfügbar
sein.
 Fragen zur Betreuung des Selbstbaus von RCLs brauchen im Fragebogen nicht mehr gestellt zu werden, weil das Ergebnis eindeutig ist (← VI.4.2). Stattdessen sollten Fragen
zum bisherigen Medieneinsatz der Lehrkräfte im Unterricht und differenziertere Fragen
zum Ablauf und den Inhalten der Fortbildung gestellt werden.
 Auf den ersten Fortbildungen haben die Lehrkräfte einen zweiten Fragebogen zum Einsatz von RCLs im eigenen Physikunterricht erhalten, der etwa zwei Monate nach der
Fortbildung zurückgesendet werden sollte. Damit sollte die Transferwirkung der Fortbildung überprüft werden. Da die Rücklaufquote unter 10 % lag, wurde der Fragebogen bei
weiteren Fortbildungen nicht mehr eingesetzt.
 Ein anfänglich geplantes Netzwerk von RCL-Lehrkräften aus den an Fortbildungen teilnehmenden Lehrkräften wurde nicht realisiert, weil die Vorteile eines solchen Netzwerks
für die Lehrkräfte zu gering und der erforderliche Aufwand zu groß war.
VII.4
Zusammenfassung
Seit 2004 wurden im Rahmen des RCL-Projekts 16 Zeitschriftenartikel und 9 Konferenzbeiträge veröffentlicht, 15 Vorträge gehalten, 6 Poster präsentiert, 11 Staatsexamensarbeiten
angefertigt, 9 Beiträge bei Lehrer-Online veröffentlicht sowie 10 Fortbildungen und 6 Workshops durchgeführt. Innerhalb von 6 Jahren haben 82 Beiträge zur Verbreitung von RCLs
213
Vgl. RCL-Portal unter RCL-Projekt/5. Lehrerkurse, Tab. 3.
212
beigetragen, das sind etwas mehr als ein Betrag/Monat. Dies zeigt mit welcher Kontinuität
und Vielfalt das RCL-Projekt in der Öffentlichkeit vertreten wurde.
Mit Lehrer-Online wurde ein sehr gut geeignetes deutsches Portal gefunden, um RCLs stärker unter den Lehrkräften bekannt zu machen und Materialien zum Unterrichtseinsatz anzubieten. Im Durchschnitt wird jeder Beitrag an einem Tag 12-mal besucht, insgesamt sind das
über 100 Besuche der RCL-Beiträge/Tag. Dies deutet darauf hin, dass die Beiträge für Lehrkräfte im Unterrichtsalltag von Nutzen sind, wobei Lehrkräfte die 8 Beiträge zu einzelnen
RCLs dem allgemeinen Beitrag zu RCLs vorziehen.
Insgesamt haben über 200 Lehrkräfte an den Workshops bzw. den eintägigen Fortbildungen
"Remotely Controlled Laboratories im Physikunterricht der Sekundarstufe II" teilgenommen.
Aus der mehrfachen Durchführung ist eine konzeptionell ausgereifte Fortbildung entstanden.
Die teilnehmenden Lehrkräfte entwickelten auf den Fortbildungen stets eine hohe Eigenaktivität und bescheinigen der Fortbildung in vielen Punkten hohe Qualität. Die Teilnehmerzahlen und dass nur etwa 1 % der teilnehmenden Lehrkräfte vor der Fortbildung RCLs im Unterricht eingesetzt haben, zeigt den anhaltenden Fortbildungsbedarf für RCLs.
Veröffentlichungen zu RCLs und zum RCL-Projekt in den englischsprachigen Zeitschriften
European Journal Physics, American Journal Physics und American Journal of Distance
Education haben zur wissenschaftlichen Reputation des RCL-Projekts, aber nicht zur Verbreitung von RCLs in Nordamerika oder England beigetragen: 83 % der Besuche kommen
aus Deutschland, 3 % der Besuche kommen aus Nordamerika und 0,5 % aus England (→
Anhang X.8). Analog zur Veröffentlichung von RCL-Artikeln in der deutschsprachigen Zeitschrift "Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule" für Lehrkräfte sollten Artikel z.
B. in der amerikanischen Zeitschrift "The Physics Teacher" für Lehrkräfte publiziert werden.
Weitere Maßnahmen zur Steigerung der Verbreitung von RCLs können sein:
 Zielgruppe bisheriger Fortbildungen zu RCLs waren allgemein Lehrkräfte an Gymnasien.
Eine Fortbildung zu RCLs für Physikfachleiter an Studienseminaren hat den Vorteil, dass
diese Zielgruppe sich von berufswegen mit neueren didaktischen Entwicklungen befasst
und durch die Ausbildung von Referendaren als Multiplikator wirkt. Die Fortbildung sollte
zweitägig angeboten werden, um Lehr-Lernformen umfassender zu thematisieren und ein
Brainstorming zu Ideen für Staatsexamensarbeiten von Referendaren zum Unterrichtseinsatz von RCLs durchzuführen. Den Physikfachleitern bzw. Studienseminaren sollte angeboten werden Staatsexamensarbeiten in anonymisierter Form auf dem RCL-Portal zum
Download anzubieten.
 Bisher sind RCLs in den vier europäischen Sprachen Deutsch, Englisch, Italienisch und
Französisch verfügbar. Die Übersetzung der Standard-Lernumgebungen in weitere weltweit häufig gesprochene Sprachen wie Spanisch, Chinesisch und Russisch sollte für ein
inhaltlich geeignetes RCL in jeder Sprache durchgeführt, die Besucherzahlen erfasst und
dann über weitere Übersetzungen entschieden werden.
213
 Die freie Enzyklopädie Wikipedia gehört zu den am meisten besuchten Webseiten auf der
Welt. Bisher existiert auf Wikipedia zu RCLs nur ein nicht mehr aktueller kurzer Beitrag 214,
der durch einen systematischeren und ausführlicheren Beitrag mit Link zum RCL-Portal
ersetzt werden sollte.
 Eine weitere Maßnahme ist die Verbreitung von RCLs über ein an Lehrkräfte gerichtetes
Buch zu RCLs (→ VIII.1.1).
214
Vgl. Wikipedia, Webexperiment.
VIII AUSBLICK
VIII
214
AUSBLICK
Es werden bereits begonnene Weiterführungen des RCL-Projekts vorgestellt: Eine, die mit
vorhandenen Finanzmitteln den Status quo der RCLs sichert (→ VIII.1.1) und eine in der
Wissen und Erfahrungen des RCL-Projekts in ein großes EU-Projekt einfließen (→ VIII.1.2).
Die Konzeption eines im EU-Projekt umsetzbaren Buchungssystems für RCLs wird beschrieben (→ VIII.2).
Aus einer erweiterten Sicht auf die Entwicklung von RCLs heraus werden Vorschläge zum
Einsatz von RCLs in der Fern- (→ VIII.3.1) und Präsenzlehre (→ VIII.3.2, → VIII.3.3) an
Schulen und Hochschulen (→ VIII.3.4) gemacht. Forschungsfragen zur empirischen Untersuchung des Lehren und Lernens mit RCLs werden formuliert (→ VIII.4.1), von denen ein
Teil mit dem Besucher-Tracking als Forschungsinstrument beantwortet werden können (→
VIII.4.2). Erfahrungen aus dem Summercamp (← VI.4.1) werden in zwei neue Organisationsformen des Selbstbaus von RCLs durch Arbeitsgemeinschaften an Schulen (→ VIII.5.1) und
durch begabte Schüler (→ VIII.5.2) umgesetzt.
VIII.1
Weiterführung des RCL-Projekts
VIII.1.1
Nationale Lösung
Die nationale Lösung hat zum Ziel den Status quo des RCL-Projekts nach 2010 mindestens
aufrechtzuerhalten und für Besucher des RCL-Portals die Funktionsfähigkeit der RCLs weiterhin sicherzustellen. Eine Weiterführung des RCL-Projekts unter der Leitung des Lehrstuhls Didaktik der Physik an der Ludwig-Maximilian-Universität 215 in München und in Kooperation mit der Hochschule der Bundeswehr in München 216 und der Arbeitsgruppe Didaktik der
Physik an der Technischen Universität Kaiserslautern umfasst folgende geplanten Aktivitäten:
 Von den Sponsoren Intel und Arbeitgeberverband Gesamtmetall konnten weitere Finanzmittel durch regelmäßige Berichte zu Besucherzahlen des RCL-Portals, durch Maßnahmen zur Verbreitung von RCLs (← VII) und durch Argumentation mit bereits investierten
Geldern und der Nachhaltigkeit des RCL-Projekts eingeworben werden.
 Reparaturen von RCLs mit Fahrten zu den Standorten. Auch größere Reparaturen und
der Totalausfall teurerer physikalischer Geräte sind durch die Finanzmittel abgedeckt.
 Implementation weiterer Übersetzungen der Standard-Lernumgebungen von RCLs im
RCL-Portal.
 Weiterführung der Funktionstest RCLs des RCL-Portals (← III.1.1.1).
215
Vgl. Ludwig-Maximilian-Universität München, Arbeitsgruppe Didaktik der Physik.
216
Vgl. Universität der Bundeswehr München, Arbeitsgruppe Operations Research.
VIII AUSBLICK
215
 Zentralisierung von ungefähr der Hälfte aller RCLs des RCL-Portals am Standort München (← III.1.1.3, ▪ Zentrales Standortkonzept).
 Fortführung der Fortbildungen für Lehrkräfte (← VII.3) in Zusammenarbeit mit dem Verein
MINT-EC217.
 Vorbereitung und Durchführung von Summercamps zum Selbstbau von RCLs (→ VIII.5.2)
 Die Verkaufszahlen des Buches Low Cost - High Tech 218 zeigen, dass Lehrkräfte neben
dem Internet auch Informationen aus Büchern zur Umsetzung aktueller didaktischer Entwicklungen in den Unterricht benötigen. Zur Verbreitung des Einsatzes von RCLs im Physikunterricht ist deshalb die Veröffentlichung ein Buches bei einem Verlag geplant.
VIII.1.2
Internationales EU-Projekt
Die Europäische Kommission bietet unter der Abkürzung CORDIS (Community Research
and Developement Information Service, dt. Forschungs- und Entwicklungsinformationsdienst
der Gemeinschaft) 219 ihr siebtes Rahmenprogramm 220 mit dem Ziel an, Europa zur dynamischsten, wettbewerbsfähigsten, wissensbasierten Wirtschaftsregion der Welt zu machen.
Das Unterrahmenprogramm Zusammenarbeit mit der größten finanziellen Zuwendung von
ungefähr zwei Drittel des 50-Mrd.-Gesamtetats umfasst das Forschungsprojekt Informationsund Kommunikationstechnologien (ICT). Gefördert werden definierte wissenschaftstechnologische Ziele und Ergebnisse. In der Zielbeschreibung im Arbeitsprogramm unter
"Challenge 8: ICT for Learning and Access to Cultural Resources, ICT-2011.8.1 Technologyenhanced learning, Educational technologies for science, technology and maths" spielen
RCLs eine wichtige Rolle:
"Supporting Europeanwide federation and use of remote laboratories and virtual experimentations for learning and teaching purposes. The service shall enable online interactive experimentations by accessing and controlling real instruments, or using simulated solutions.
Open interfacing components for easy plug-and-play of remote and virtual labs should be
made available to stimulate the growth of the network of labs. Research shall include work
on the user interfaces that mediate the complexities of creation and usability of experiments,
for specific pedagogical contexts in primary and secondary schools and higher education, including at university level. This part of the target outcome should be pursued by IPs that include large scale pilots." 221
217
Vgl. Verein MINT-EC.
218
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Low Cost – High Tech, Literatur.
219
Vgl. Europäische Kommission, CORDIS.
220
Vgl. Europäische Kommission, CORDIS, Siebtes Rahmenprogramm (RP7).
221
Work Programme 2011, Cooperation, Theme 3, ICT – Information and Communications Technologies, S. 91.
VIII AUSBLICK
216
Das veranschlagte Finanzvolumen liegt bei ungefähr 60 Mio. €, die Antragstellung muss bis
zum 17.01.2012 erfolgen und die Laufzeit beträgt ungefähr 5 Jahre. Unter das Förderungsschema "Large-scale integrating project (IP)" fallen als Zielgruppen Firmen, Forschungsinstitute, Hochschulen und Nutzer. Als Aufgaben sind Forschung und Entwicklung, Demonstrationen, Training und Ausbildung sowie Management vorgesehen.
Nach zwei Treffen im September 2010 in Paris und im November 2010 in München haben
ungefähr 25 Bildungsinstitute aus 15 europäischen Ländern und ungefähr 50 Teilnehmer Interesse im EU-Projekt mitzuarbeiten. Auf dem zweiten Treffen wurden Arbeitsgruppen für die
Bildungsstufen Grundschule, Sekundarstufe I von Hauptschule, Realschule und Gymnasium,
Sekundarstufe II des Gymnasiums, Fachhochschule und Universität gebildet. Weiterhin wurden Arbeitsgruppen zu den Themen Forschungslabore, RCL-Technik, Evaluation, Verbreitung und Implementation, RCLs und Simulationen, Lernumgebungen sowie Kommunikation
zwischen Projektteilnehmern gebildet. Bisher wurden ungefähr 100 RCL-Vorschläge für die
verschiedenen Bildungsstufen, für die Naturwissenschaften Physik, Chemie und Biologie
sowie für Mathematik und Technologie gesammelt. Vor der Realisation werden die RCLs von
mehreren Teilnehmern auf den Mehrwert geprüft.
VIII.2
Buchungssystem
VIII.2.1
Ziele und Konzeption
Mit einem RCL kann immer nur ein Besucher experimentieren. Auf Fortbildungen bemängeln
daher Lehrkräfte schnell und ohne konkrete Erfahrungen, dass RCLs während Unterrichtszeiten besetzt sein können. Die Wahrscheinlichkeit ist jedoch bei derzeit ungefähr 5 Besuchen/Tag (← II.5.2, Abb. 17) eines RCLs gering. Auch wenn ein RCL besetzt ist, kann in der
Sekundarstufe II durch mehrere Zugriffsversuche flexibel im Unterrichtsverlauf reagiert werden.
Absolute Sicherheit ein unbesetztes RCL vorzufinden bietet nur ein Buchungssystem zur
Buchung von Zeitfenstern zum Experimentieren mit RCLs. Im Internet sind viele kostenpflichtige und kostenlose Online-Buchungsprogramme zu finden. Diese sind auf kommerzielle
Anwendungen wie Online-Buchungen von Ferienhäusern, Reisen und Hotels spezialisiert
und nicht für die Buchung von RCLs geeignet. Im Folgenden wird ein zentrales Buchungssystem für RCLs mit Registrierung und Login auf einem zentralen, alle RCLs verwaltenden
RCL-Portalserver vorgestellt. Das Buchungssystem ist vorzugsweise im Rahmen des angestrebten internationalen EU-Projekts (→ VIII.1.2) zu implementieren und verfolgt folgende
Ziele:
 Bessere Unterstützung der Lehrenden und Lernenden
Von einem fehlenden Buchungssystem profitieren überwiegend spontane, informelle Besucher. Investitionskosten für RCLs (← III.3.4) und ein Vorantreiben des Einsatzes von
VIII AUSBLICK
217
RCLs in der Lehre erfordern ein Buchungssystem das stärker Lehrende und Lernende in
Bildungsinstitutionen unterstützt. Auf lange Sicht werden dann mehr Lehrende während
Lehrzeiten und damit mehr Lernende außerhalb von Lehrzeiten RCLs nutzen.
 Höhere Besucherzahlen und bessere zeitliche Auslastung der RCLs
Mit steigenden Besucherzahlen von RCLs steigt auch die Notwendigkeit ein Buchungssystem einzusetzen, weil ein zunehmender Anteil von Besuchern RCLs besetzt vorfindet,
verärgert reagiert und im schlimmsten Fall RCLs nicht mehr nutzt. Mit Buchungssystem
treten solche Fälle seltener auf, potentielle Besucherspitzen werden abgeflacht, die mittlere Zahl der Besucher und die zeitliche Auslastung der RCLs sind höher. Für buchbare
Zeitfenster von 0,5 h liegt die maximale Zahl der Besucher/Tag eines RCLs bei ungefähr
50.
 Buchungssystem als Instrument der Kundenakquise und -bindung
Ein gutes Buchungssystem wertet das RCL-Portal auf, indem die Qualität des Angebots
unterstrichen wird und RCLs nicht ohne ein Mindestmaß an Aufwand sicher nutzbar sind.
Durch ein Buchungssystem mit Registrierung und Login können anhand von Angaben bei
der Registrierung wie E-Mailadresse, Land, Bildungsinstitution und berufliche Funktion
gezielt Lehrkräfte mit Interesse an RCLs zu RCL-Fortbildungen eingeladen und per bestellbarem Newsletter Informationen zu neuen RCLs oder Unterrichtsmaterialien zugesendet werden.
 Buchungssystem und Besucher-Tracking
Lehrende, Lernende und informelle Besucher von RCLs des RCL-Portals sollten unterscheidbar sein, um ein nach Besuchergruppen getrenntes Besucher-Tracking im laufenden Betrieb des RCL-Portals oder für zielgerichtete empirische Untersuchungen des Experimentierens ausgewählter Gruppen mit RCLs durchführen zu können (→ VIII.4).
VIII AUSBLICK
218
Tab. 52 beschreibt ein Buchungssystem mit Buchungsprofilen für die vier Besuchergruppen
Lehrende, Lernende, informelle Besucher und Administratoren:
Besuchergruppe
Registrierung
Lehrende
 Bei
Registrierung
Angabe
Mailadresse,
Benutzername,
Land, Bildungsinstitution und
Funktion
Lernende
Informelle
Besucher
Administratoren
Keine
Keine
Keine
 Buchungsvariante
Lernende: Login
mit Gastzugang
Keiner
 Login mit Administratorzugang
von
EPasswort,
berufliche
 Bestätigung der Registrierung per Mail an
Besucher mit Registrierungsformular als Anhang. Zugehörigkeit zur Institution muss mit
Stempel und Unterschrift bestätigt und per
Fax zurückgesendet werden
Login
 Buchungsvariante Lehrende: Login mit Lehrendenzugang
Buchung
 Buchungsvariante Lehrende: Maximal n Lehr
zusammenhängende oder unzusammenhängende Zeitfenster der Länge t Lehr buchbar
 Buchungsvariante Lernende: Maximal n Lern
unzusammenhängende Zeitfenster der Länge t Lern buchbar. Lehrende erhalten automatisch generierte Mail mit gebuchten Zeitfenstern und Gast-Accounts für Schüler zum
Aushang zugesandt
Zugriffsrechte
Buchungsprofil
 Nach Faxeingang wird Zugang freigeschaltet
 Sofortiger Zu Zugriff auf RCLs innerhalb gebuchter Zeitfenster logt informelle
gang bei unBesucher automatisch aus
besetztem
RCL
Keine
Keine
 Sperrung gebuchter und ungebuchter Zeitfenster von
Lehrenden
oder
Lernenden für Wartungsarbeiten von
RCLs
 Buchungsvariante
Praktikum:
Buchung eines Clusters von RCLs für
eine Gruppe von
Lernenden
 Sofortiger Zugang
zu allen RCLs unabhängig
vom
RCL-Status
für
Testzwecke
Tab. 52: Buchungssystem für RCLs mit Buchungsprofilen für 4 Besuchergruppen.
 Konzeption
Nur Lehrende können nach dem Nachweis der Zugehörigkeit zu einer Bildungsinstitution
Zeitfenster zum Experimentieren mit RCLs für sich und ihre Lernenden buchen. Das Buchungsprivileg der Lehrenden soll zur verstärkten Nutzung von RCLs in der Lehre führen
und sicherstellen, dass Lernende ohne besetzte RCLs vorzufinden Aufgabenstellungen
der Lehrenden ausführen können. Informelle Besucher sowie Lehrende und Lernende
können ungebuchte, aber auch gebuchte, ungenutzte Zeitfenster zum Experimentieren
mit RCLs nutzen. Damit wird keine Besuchergruppe vom Experimentieren mit RCLs ausgeschlossen.
 Buchungsvarianten
Lehrende können in der Buchungsvariante Lehrende zusammenhängende und unzusammenhängende Zeitfenster zum Experimentieren mit RCLs buchen. Die Anzahl n Lehr
VIII AUSBLICK
219
und Länge ∆t Lehr buchbarer Zeitfenster sind RCL-spezifisch nach der Nutzungshäufigkeit
in der Lehre und der Dauer von Lehrstunden festzulegen. Schätzwerte sind n Lehr = 3 und
∆t Lehr = 0,5 h.
Lehrende können in der Buchungsvariante Lernende für Lernende nur unzusammenhängende Zeitfenster buchen, da ansonsten aufgrund der Anzahl n Lern Lernender RCLs über
größere Zeiträume für informelle Besucher nicht mehr verfügbar sind. Für übliche Gruppengrößen und experimentellen Fähigkeiten der Lernenden sollte die Anzahl n Lern ungefähr 20 und die Länge ∆t Lern buchbarer Zeitfenster ungefähr 1 h betragen. Alternativ könnte eine Gesamtbuchungszeit vorgegeben werden, die der Lehrende auf mehr Lernende
mit kürzerem oder weniger Lernende mit längerem Zeitfenster verteilen kann. Dies unterstützt das Experimentieren mit RCLs in Kleingruppen (← VI.3.1, ▪ Experimentieren mit
RCLs in Kleingruppen) und das Experimentieren mit zeitaufwendigeren RCLs (z. B. Millikan-Versuch).
Administratoren können in der Buchungsvariante Praktika im Auftrag von Dozenten an
Universitäten für eine Gruppe Studierender Buchungen von RCLs an festgelegten Wochentagen vornehmen.
 Zugriffsrechte
Die Zugriffsrechte nehmen in der Reihenfolge Administrator, Lehrender/Lernender und informeller Besucher ab: Der Zugriff des Administrators auf eine besetztes, gebuchtes oder
ungebuchtes RCL loggt automatisch alle anderen Besuchergruppen aus. Der Zugriff auf
ein RCL von Lehrenden und Lernenden innerhalb eines gebuchten Zeitfensters loggt automatisch informelle Besucher aus.
 Verwaltungsaufwand
Der Verwaltungsaufwand des Buchungssystems kann durch programmiertechnische
Maßnahmen minimiert werden: Ein nur noch von der Bildungsinstitution zu unterschreibende Registrierungsformular wird automatisch aus den Angaben bei der Registrierung
erstellt und an den Lehrenden per E-Mail gesendet. Nach der Rücksendung ist die Freischaltung zur Buchung von RCLs nur ein Mausklick. In der Buchungsvariante Lernende
erhält der Lehrende automatisch eine Liste mit Gastzugängen und Buchungszeiten der
Lernenden zum Aushang zugesandt.
VIII.2.2
Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit
Schlechte Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit von Buchungssystemen abgeschlossener
RCL-Projekte 222,223,224 sind eine hohe Barriere für die Nutzung von RCLs. Bei der programmtechnischen Umsetzung des Buchungssystems sind deshalb folgende Punkte zu erfüllen:
222
Vgl. Netlab, University of South Australia, Zugang nach Anmeldung.
VIII AUSBLICK
220
 Unabhängigkeit von RCL-Technik, Anzahl RCLs und Sprachen: Das Buchungssystem ist
unabhängig von der gewählten RCL-Technik und der Anzahl RCLs einsetzbar. Die Buchungswebseite kann in einfacher Weise um Sprachversionen erweitert werden.
 RCL-spezifisch festlegbare buchbare Zeitfenster: Die Anzahlen n Lehr und n Lern buchbarer
Zeitfenster für Lehrende und Lernende sowie die Längen ∆t Lehr und ∆t Lern der Zeitfenster
sind RCL-spezifisch festlegbar.
 Rückmeldung beim automatischen Ausloggen: Bei Zugriff von Besuchern mit höheren
Zugriffsrechten erhalten automatisch ausgeloggte Besucher einen Hinweis auf der Laborseite eingeblendet. Ansonsten könnte das Ausloggen als Absturz des RCLs oder des
Computers interpretiert werden.
 Buchung in der Ortszeit des Besucherstandorts: Um Fehlbuchungen zu vermeiden, zeigt
der Kalender des Belegungsplans Buchungen in der Ortszeit des Besucherstandorts an.
Dies erfolgt automatisch oder indem die Zeitzone vom Besucher eingestellt wird.
 Funktionaler Belegungsplan: Eigene Buchungseinträge sind im Belegungsplan von fremden Buchungseinträgen unterscheidbar. Falsche Buchungseinträge können vor dem Abschluss der Buchung rückgängig gemacht und nach dem Abschluss bis zum Beginn des
gebuchten Zeitfensters gelöscht werden. Die verbleibende Anzahl von buchbaren Zeitfenstern wird angezeigt und bei Buchung von mehr als n Lehr oder n Lern Zeitfenstern erhält
der Lehrende einen Hinweis.
 Trennung von Registrierung, Buchung und RCL-Status: Registrierung und Buchung erfolgen unter verschiedenen Menüpunkten. Der Status des RCLs (gebucht und besetzt, gebucht und unbesetzt, unbesetzt, besetzt, gesperrt) wird auf der Login-Seite des RCLs angezeigt. Das Buchen von RCLs und das Experimentieren mit RCLs sollte auf dem RCLPortal als Einheit durch Navigation und Design gegenüber den anderen Menüpunkten
RCL-Projekt, Kontakt und technische Hinweise (← II.2.1, Abb. 4) klar abgegrenzt werden.
 Besucherinformationen zur Registrierung und zur Buchung von RCLs: Bei der Registrierung wird um korrekte Besucherangaben gebeten, der Verwendungszweck von Besucherangaben wird angegeben und die Einhaltung von Datenschutzbestimmungen werden
garantiert. Den Besuchern werden Vorteile und Buchungsprofile des Buchungssystems
erläutert.
 Nutzungsstatistik von RCLs: Als Werbemaßnahme können auf dem RCL-Portal in regelmäßigen Abständen automatisch aktualisierte Nutzungsstatistiken wie z. B. Häufigkeit der
Nutzung einzelner RCLs, zeitliche Auslastung der RCLs, Herkunftsländer der Besucher,
oder Anteile der Besuchergruppen an der Gesamtnutzung dargestellt werden.
223
Vgl. e-Xperimenteren, Projekt "Digitale Universität", Zugang nach Anmeldung.
224
Vgl. Remote Laboratories@UP, University of Porto, Gastzugang.
VIII AUSBLICK
221
Die Kosten für die Programmierung des Buchungssystems durch eine Firma225 liegen nach
einem Kostenvoranschlag bei ungefähr 14000 € (→ Anhang X.4).
VIII.3
Entwicklung und Einsatzszenarien von RCLs
Die Entwicklung von RCLs kann nicht mit alleinigem Blick auf die Realisation von RCLs mit
möglichst großem Mehrwert erfolgen. Auch der potentielle Bedarf an RCLs und konkrete
Einsatzszenarien in der Präsenz- und Fernlehre an Schulen und Hochschulen sind zu berücksichtigen. Solche Einsatzszenarien werden im Folgenden vorgestellt.
VIII.3.1
Fernlehre Sekundarstufe II
VIII.3.1.1 Einsatz von RCLs an Fernschulen
In Deutschland gibt es private und staatliche Fernschulen zum Erwerb der allgemeinen
Hochschulreife. Zielgruppen sind Erwachsene mit Haupt- oder Realschulabschluss, die mit
dem Abitur bessere Berufschancen erwerben wollen, aber auch deutsche Schüler im Ausland. Die staatlichen Anbieter wollen auch Menschen erreichen, die aus beruflichen oder familiären Gründen nicht am klassischen Abendgymnasium teilnehmen können. Bei den staatlichen Anbietern wird die Wochenstundenzahl hälftig als Präsenz- und hälftig im Selbststudium zuhause wahrgenommen, bei den privaten Anbietern ausschließlich im Selbststudium. In
Tab. 53 ist das Angebot an Physikkursen auf dem Weg zur allgemeinen Hochschulreife zusammengestellt:
Staatlich
Privat
Anbieter
Kein
Physikkurs
Physik als
Grundkurs
ILS 226
x
Studiengemeinschaft Darmstadt (SGD) 227
x
Fernakademie für Allgemeinbildung, Medien und Ge228
sundheit
x
Ketteler-Kolleg und Abendgymnasium Mainz mit Abitur
online 229
Abitur-online.nrw an 10 Weiterbildungskollegs in Nordrhein-Westfalen 230
x
x
Tab. 53: Private und staatliche Fernschulen zum Erwerb der allgemeinen
Hochschulreife in Deutschland und das Angebot an Physikkursen.
225
Vgl. 200grad GmbH & Co. KG.
226
Vgl. ILS, Abitur.
227
Vgl. Studiengemeinschaft Darmstadt (SGD), Abitur.
228
Vgl. Fernakademie für Allgemeinbildung, Medien und Gesundheit, Abitur.
229
Vgl. Ketteler-Kolleg und Abendgymnasium mit Abitur Online.
230
Vgl. Schulministerium.nrw.de, Abitur-online.nrw.
VIII AUSBLICK
222
Fast alle Anbieter bieten Physik als Grundkurs an. Inkonsequent ist, dass das Ketteler-Kolleg
trotz Präsenzlehre keine Physikgrundkurse anbietet. Keiner der Anbieter bietet Physik als
Leistungskurs an. ILS nennt vermutlich stellvertretend für alle privaten Anbieter mit VollzeitFernstudenten den Grund:
"Physik und Chemie bieten wir bewusst als Leistungsfächer nicht an, da auf die praxisbezogenen Anforderungen im Leistungskursbereich allein durch Fernunterricht nicht vorbereitet
werden kann." 231
Die Umschreibung "praxisbezogene Anforderungen" zeigt, dass eine höher qualifizierende
Fernlehre in Physik ohne Experimente nicht durchführbar ist. Aber nicht nur Leistungskurs-,
sondern in besonderem Maße Grundkursschüler benötigen einen experimentellen Zugang
zur Physik. Aus didaktischer Sicht besteht also ein Bedarf an Physikfernkursen mit RCLs auf
dem Weg zum Abitur. Tab. 54 zeigt einen Vorschlag zum Einsatz von RCLs des RCL-Portals
und von neuen RCLs:
RCLs des RCL-Portals
Mechanik
 Gravitationsgesetz
(RCL Weltpendel)
 Luftreibungskraft
(RCL Windkanal)
Neue RCLs
 Zentrifugal- und Zentripetalkraft
(← III.3.5, Tab. 28, RCL Trägheitskräfte)
 Superposition und Berechnung magnetischer Felder
(← III.3.5, Tab. 28, RCL Magnetfelder)
Elektrodynamik
 Beugung und Interferenz von Licht
(RCL Beugung und Interferenz II)
 Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit
(RCL Lichtgeschwindigkeit)
Atomphysik
Kernphysik
 Spezifische Ladung von Elektronen
(← III.3.5, Tab. 28, RCL e/m-Bestimmung)
 Ablenkung von Elektronen im elektrischen und magnetischen Feld
(← III.3.5, Tab. 28, RCL Elektronen im E- und B-Feld)
 Allgemeine Gasgleichung
(← III.3.5, Tab. 28, RCL Thermodynamische Zustandsänderungen)
Thermodynamik
Quantenphysik
 Elektromagnetische Induktion
(← III.3.5, Tab. 28, RCL Elektromagnetische Induktion)
 Quantennatur des Lichts
(RCL Fotoeffekt)
 Wellennatur von Materie
(RCL Beugung von Elektronen am Spalt)
 Wellennatur von Materie
(RCL Elektronenbeugung)
 Compton-Effekt
(RCL Compton-Effekt)
 Struktur des Atoms
(RCL Rutherfordscher Streuversuch)
 Erzeugung und Untersuchung von Röntgenstrahlung
(RCL Röntgenphysik)
 Bestimmung der Elementarladung
(RCL Millikan-Versuch)
 Optische Spektroskopie
(RCL Spektren von Lichtquellen)
 Nachweis, Ausbreitung, Absorption
und Statistik radioaktiver Strahlung
(RCL Radioaktivität)
 Gammaspektrometrie
(← III.3.5, Tab. 28, RCL Gammaspektrometrie)
Festkörperphysik
 Beweglichkeit von Ladungsträgern
(RCL Hall-Effekt)
Tab. 54: Abdeckung wichtiger Experimente der Sekundarstufe II durch RCLs.
Die Liste kann noch um weitere wünschenswerte RCLs ergänzt werden. Mit ungefähr 30
RCLs können die wichtigsten Experimente in der Sekundarstufe II abgedeckt werden, davon
ist ungefähr ein Drittel im RCL-Portal verfügbar.
231
ILS, Abitur - 3. Einstieg unter "Der zweite Schritt".
VIII AUSBLICK
223
VIII.3.1.2 Einsatz weiterer Medien
Das gesamte experimentelle Spektrum der Sekundarstufe II kann für Fernkurse nicht allein
durch RCLs abgedeckt werden und muss durch videobasierte Medien wie die Videoanalyse,
Messvideos und interaktive Bildschirmexperimente ergänzt werden (← VI.1.1). RCLs erlauben z. B. nicht die Untersuchung von Bewegungen aus Alltag, Natur und Technik in der Kinematik. Mit der Videoanalyse können einund zweidimensionale Bewegungen kinematisch
untersucht und Auswertungen zum Newton´schen Grundgesetz und zum Energie- und Impulserhaltungssatz durchgeführt werden. Besonders das Videoanalyseprogramm Measure
Dynamics232 mit dem größten Funktionsumfang ist für die Videoanalyse geeignet, weil im Video die Vektoren kinematischer Größen dargestellt werden können.
Im Gegensatz zur Videoanalyse sind Messvideos und interaktive Bildschirmexperimente
nicht auf die Kinematik begrenzt. Insbesondere visuell beobachtbare Versuchsergebnisse
und Phänomene wie z. B. der Farbfadenversuch zur Bestimmung der Reynoldszahl 233 oder
Versuche großer Versuchsdauer wie z. B. die Bestimmung der Gravitationskonstanten mit
der Gravitationsdrehwaage sind als Messvideo geeignet. Interaktive Bildschirmexperimente
eignen sich für kleine und einfachere Experimente. Aus didaktischer Sicht sind für die Planung und Durchführung eines durch RCLs experimentell getragenen Fernkurses folgende
Punkte relevant:
 Zuerst sind Inhalte und RCLs aufeinander abzustimmen (← VIII.3.1.1, Tab. 54) und dann
durch videobasierte Medien zu ergänzen.
 Der Bestand an videobasierten Medien ist zu erheben, technisch und didaktisch gute Medien auszuwählen und Themen bzw. Themengebieten zuzuordnen. Videos zur Videoanalyse sind den meisten Videoanalyseprogrammen beigefügt, Messvideos sind in einfacher
Qualität im Internet oder in besserer Qualität auf CD erhältlich234. Interaktive Bildschirmexperimente sind in einer Datenbank 235 oder auf CD veröffentlicht 236, weitere interaktive
Bildschirmexperimente und Messvideos sind auch auf dem FiPS-Medienserver 237 zu finden.
 Bei ausreichendem Personal und Finanzierung ist zu entscheiden, welches videobasierte
Medienmaterial mit möglichst einheitliche Qualität und Oberfläche neu produziert werden
muss. Videos zur Videoanalyse variieren z. B. im Format und dem verwendeten Codec
und ein großer Teil ist wegen zu geringem Kontrast des bewegten Objektes zum Hintergrund nicht für eine automatisierte Aufnahme der Koordinaten geeignet.
 Zu jedem einzelnen experimentellen Medium sind experimentelle Aufgabestellungen zu
formulieren.
232
233
Vgl. Wagner 2003, S. 66-75.
234
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Physics Education Network (PEN), Multimedien für die Physikausbildung.
235
Vgl. Freie Universität Berlin, Didaktik der Physik, Datenbank Doppler.
236
Vgl. Klett, CD zu Impulse Physik Sekundarstufe II.
237
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, FiPS-Medienserver.
VIII AUSBLICK
224
 Der Zeitaufwand für Fernstudenten zur Arbeit mit experimentellen Physikmedien ist zu untersuchen oder abzuschätzen und danach die zeitliche Dichte der Physikmedien (Taktung) anzupassen.
 Die Fernstudenten sind zu Beginn des Fernkurses auf einer Präsenzveranstaltung in die
Handhabung der experimentellen Physikmedien anhand konkreter, praktischer Übungen
einzuführen. Dies schafft Motivation, erzeugt Interesse an der Physik und erhöht die
Wahrscheinlichkeit, dass die Medien im Selbststudium genutzt werden.
VIII.3.2
Präsenzlehre Sekundarstufe II
VIII.3.2.1 Bedarfsstrategie
Geringe Physiketats (≈ 1000 €/Jahr) an Gymnasien, in die Jahre gekommene Physiksammlungen, zu wenig Zeit der Physiksammlungsleiter zur Pflege der Physiksammlung und die
wenigen Schulen mit einem technischen Assistenten lassen eine eingeschränkte Verfügbarkeit von Physikexperimenten vermuten. Deshalb wurden 2007 an Gymnasien in RheinlandPfalz die Physiksammlungsleiter zur Verfügbarkeit und die Physiklehrkräfte zum Einsatz von
Sekundarstufe II-Experimenten anhand einer Versuchsliste (→ Anhang X.15) befragt. Ziel
war herauszufinden, welche RCLs den Bedarf an Experimenten in der Sekundarstufe II abdecken können.
Wegen des umfangreichen Fragebogens haben nur die Physiksammlungsleiter von 9 Schulen vollständig eine Frage zur Verfügbarkeit von Experimenten beantwortet. In Tab. 55 sind
in der ersten Spalte alle Experimente gelistet, die in 3 oder mehr Schulen fehlen oder defekt
sind:
Standardmaterialien Physiksammlung (PS), Demonstrationsexperiment (D), Videoanalyse (VA), Messvideo (MV), interaktives Bildschirmexperiment (IBE), Simulation (S),
225
Anzahl der Schulen mit fehlendem
oder defektem Experiment
VIII AUSBLICK
Zweidimensionaler Stoß
6
VA
Kreisbewegung mit konstanter Winkelbeschleunigung
4
PS
Newton´sche Reibungskraft
7
Stokes´sche Reibungskraft
5
Dynamische Auftriebskraft
7
S
Bestimmung der Oberflächenspannung
5
PS
Erzwungene Schwingungen mit Federpendel
3
PS
Schwebung und Dopplereffekt mit Ultraschallwellen
5
Gravitationsdrehwaage
4
MV
h-Bestimmung mit LED
3
D
Compton-Effekt
7
Compton-Effekt
Elektronenbeugung
4
Elektronenbeugung
Modellexperiment Maxwell´sche Geschwindigkeitsverteilung
3
p-V-Diagramm Kreisprozess (Stirlingmotor)
3
Thermodynamische
Zustandsänderungen *
Elektronenablenkröhre und Wienscher Geschwindigkeitsfilter
3
Elektronen im Eund B-Feld *
Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit mit Laufzeit von Lichtimpulsen
7
Newton´sche Ringe
3
D
Fresnel´scher Doppelspiegel
3
D
Michelson-Interferometer
5
MichelsonInterferometer *
Intensitätsverteilung von Beugungsmustern
5
Beugung und
Interferenz II
Kerreffekt
6
Kerreffekt
Frank-Hertz-Versuch mit Neon
4
D
Resonanzabsorption mit Natrium
5
MV
Zeemann-Effekt
7
Zeemann-Effekt **
Elektronenspinresonanz (ESR)
8
Elektronenspinresonanz **
Kernmagnetische Resonanz (NMR)
7
Kernmagnetische
Resonanz **
Erzeugung und Untersuchung von Röntgenstrahlung
4
Röntgenphysik **
6
Rutherfordscher
Streuversuch
Reichweite von α-Strahlung in Luft
3
Kennlinie einer Ionisationskammer
5
Spektren von α- und β-Strahlern
6
Experiment
RCL des RCL-Portals ( )
RCL in Tab. 26 (*)
Weitere RCLs (**)
Windkanal
PS
Ultraschall **
S
Radioaktivität
D
α- und βStrahlungsspektren **
Tab. 55: Ergebnis einer Befragung von 9 Physiksammlungsleitern zur Ausstattung der Physiksammlung.
In der dritten Spalte wurde geprüft, ob die Experimente besser mit Standardmaterialien der
Physiksammlung, als klassisches Demonstrationsexperiment, als Messvideo, als Video in
VIII AUSBLICK
226
einem Videoanalyseprogramm oder als Simulation durchgeführt werden sollten. Es bleiben
17 potentielle RCLs, wovon 5 im RCL-Portal verfügbar sind und 3 in Tab. 26 gelistet sind.
Die restlichen potentiellen RCLs sind teils teurere oder seltener an Gymnasien durchgeführte
Experimente zur modernen Physik wie Zeemann-Effekt oder Elektronen- und Kernspinresonanz. Am dringendsten fehlt ein RCL zur Röntgenphysik, weil an vielen Schulen ein teures
Röntgengerät nicht zur Verfügung steht.
VIII.3.2.2 Innovationsstrategie
In Anbetracht des prognostizierten Mangels an Ingenieuren 238, des in der Regel technikfernen naturwissenschaftlichen Unterrichts an Gymnasien und schlechter Ausstattung der
Schulen mit technikorientierten Experimenten muss gefragt werden, wie Schüler ohne ein
Fach Technik im Physikunterricht an Technik herangeführt und dafür begeistert werden können. Beispiele für innovative RCLs sind:
 Experimentierkoffer, z. B. zur Fotovoltaik oder Windenergie239, erreichen wegen der begrenzten Anzahl und der alleinigen Verwendung in Schulen zu wenige Nutzer. Die guten
Experimente solcher Experimentierkoffer können aber als Grundlage zur Entwicklung innovativer RCLs in Zeiten der Energiewende dienen.
 Experimentierkoffer gibt es auch zur Elektronik und Elektrotechnik240. Interessant sind
RCLs zur Elektronik, bei denen auf ICs komplette experimentelle Lehrgänge zur analogen
(Signalgenerator, Schaltungen zur Wechselstrom, Operationsverstärkerschaltungen, anwendungsorientierte Schaltungen z. B. Messbrücken, …) oder digitalen Elektronik (Rechenschaltungen, AD-DA-Wandler, anwendungsorientierte Schaltungen, …) für die Sekundarstufe II realisiert sind. Diese RCLs können ausgestattet mit Messinstrumenten (Digitalvoltmeter, einfaches Oszilloskop) kostengünstig mehrfach ausgeführt werden.
 Ein RCL Oszilloskop zum Erlernen der Bedienung eines Oszilloskops und zum Erlernen
des Messens mit einem Oszilloskop (← III.3.5, Tab. 25, RCL Oszilloskop).
 RCLs zur Physik und zu Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Röntgenstrahlen, γ-Strahlen oder mit Ultraschall.
Die RCLs sollen Lehrkräften ohne experimentellen Aufwand die kurzfristige Durchführung
von einführenden Lerneinheiten in die Thematik ermöglichen. Da der Physikunterricht in der
Sekundarstufe II aus zeitlichen und inhaltlichen Gründen nie einen Technikunterricht ersetzen kann und will, müssen innovative RCLs einen so großen Umfang an Experimenten ha-
238
Vgl. z. B. Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft, Pascal Hetze: Ingenieurmagel - alles andere als eine Fata Morgana.
239
Vgl. Klasse Schule, Experimentierkoffer zur Fotovoltaik.
240
Vgl. Siemens Stiftung, Siemens Stiftung vergibt 120 Experimentierkoffer an Physiklehrkräfte.
VIII AUSBLICK
227
ben, dass interessierte Schüler anhand von begleitendem Lernmaterial eigenständig Weiterexperimentieren und Weiterlernen. Darin liegt dann die Innovation.
VIII.3.3
Präsenzlehre Sekundarstufe I
Bekannte Probleme des Physikunterrichts in der Sekundarstufe I sind:
 Schülerexperimente können nur vereinzelt durchgeführt werden, sind zeit- und arbeitsaufwendig in Vorbereitung und Durchführung und erzielen nicht immer die gewünschten
Lerneffekte.
 Kleinschrittiger, lehrergelenkter Unterricht im Wechsel von Lehrerdemonstrationsexperiment, Unterrichtsgespräch und Tafelanschrieb.
 Hoher Anteil von Schülern der nur sporadisch Hausaufgaben macht und erst vor Prüfungen sich Inhalte aneignet.
Nach der Komponieren-Strategie (← III.3.2, ▪ Komponieren) können RCLs oder RCL-Cluster
entwickeln werden, die ein ganzes Gebiet der Physik wie z. B. die geometrische Optik oder
die Elektrizitätslehre abdecken. Ein Unterricht der sich an einer lehrgangsartig strukturierten
Lernumgebung solcher RCLs orientiert, könnte zu folgenden Verbesserung des Physikunterrichts in der Sekundarstufe I führen:
 Unter dem Aspekt des experimentellen Übens können viele im Unterricht durchgeführte
Standardversuche (z. B. zu Linsenabbildungen) von den Schülern zuhause als Hausaufgabe wiederholt werden. Unter dem Aspekt des Erwerbs von Kompetenzen können Schüler die Ergebnisse von erstmalig zuhause mit dem RCL durchgeführter StandardExperimenten in den Unterricht einbringen. Ein Nebeneffekt könnte ein erhöhtes Interesse
der Schüler an der Diskussion phänomenorientierter, qualitativer und als RCL ungeeigneter Experimente (z. B. die optische Hebung eines Gegenstands im Wasser) im Unterricht
sein.
 Experimentelles Arbeiten der Schüler kann von der Lehrkraft flexibler und kontinuierlicher
über das Schuljahr verteilt werden.
 Die Lernumgebung sollte eng an die mit dem RCL durchführbaren Experimente angelehnt
sein, experimentelle und theoretische Lernaufgaben miteinander kombinieren. Anhand
von Tests mit experimentellen Aufgabestellungen sollten Schüler ihren Wissensstand
selbst überprüfen können.
Zur breiten Anwendung dieser Lehrgangsstrategie müssen RCLs buchbar in mehrfacher
Ausführung vorhanden sein und eine hohe Nutzerfreundlichkeit für Schüler der Sekundarstufe I haben. Zur Reduzierung der Komplexität des RCLs sollte die Funktionalität der Laborseite durch den Experimentator auf einzelne Experimente einschränkbar sein.
VIII AUSBLICK
VIII.3.4
228
Präsenz- und Fernlehre an Universitäten
VIII.3.4.1 Praktika
Praktika lassen sich in klassische Präsenz-Praktika, RCL-Fernpraktika und Mischformen dieser beiden Formen einteilen. Zu den fest verankerten Präsenz-Praktika an den Universitäten
gehören Anfänger-Praktika im Grundstudium und Fortgeschrittenen-Praktika im Hauptstudium. Im Folgenden werden Einsatzszenarien von RCLs in Praktika diskutiert:
 Anfänger-Praktika
Ein RCL-Online-Praktikum im Grundstudium hat z. B. die Technische Universität Berlin für
die eigenen Ingenieurstudenten angeboten. 241 Der Nutzen eines solchen für PräsenzStudenten angebotenen RCL-Online-Praktikums ist fragwürdig, weil in dieser Form jedes
klassische Anfängerpraktikum besser ist.
Sinnvoller ist eine Mischform, in der Präsenz-Studenten bei der häuslichen Vorbereitung
eines Präsenz-Praktikums durch versuchsgleiche oder zumindest versuchsähnliche RCLs
unterstützt werden. Derzeit können z. B. von den 37 Versuchen des Anfänger-Praktikums
an der Technischen Universität Kaiserslautern 242 die Versuche Beugung und Interferenz,
Gravitation und Reversionspendel, Kennlinien von Halbleiterbauelementen, Radioaktiver
Zerfall sowie Bestimmung der Planck´schen Konstante durch die RCLs Beugung und Interferenz II, Weltpendel, Halbleiterkennlinien, Radioaktivität und Fotoeffekt experimentell
vorbereitet werden. Diese Anzahl RCLs kann durch die bisher vorgeschlagenen RCLs
Thermodynamische
Zustandsänderungen,
Michelson-Interferometer,
und
e/mBestimmung (← III.3.5, Tab. 26), Optische Spektroskopie (← IV.3.1.1, Tab. 54) sowie Ultraschall und Röntgenphysik, (← VIII.3.2.1, Tab. 55) auf über zehn erhöht werden.
 Fortgeschrittenen-Praktika
Im Fortgeschrittenen-Praktikum experimentieren Studierende eigenständiger mit komplexeren, teureren Versuchsapparaturen als im Anfänger-Praktikum. Ein Vergleich der Fortgeschrittenen-Praktika an den Technischen Universitäten Kaiserslautern243 und München 244 zeigt, wie unterschiedlich die Versuchsthemen und die Anzahl verfügbarer Versuche sein können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Fortgeschrittenen-Praktika Physikstudenten auch auf die Inhalte der einzelnen Arbeitsgruppen vorbereiten sollen. Auch für
Fortgeschrittenen-Praktika ist eine Mischform von Präsenz- und RCL-Fernpraktikum aus
folgenden Gründen sinnvoll:
-
Bisher nicht im Versuchs-Repertoire enthaltene, gefährliche Experimente z. B. zur
Kernphysik mit Neutronen, können als RCL den Studierenden angeboten werden.
241
Vgl. Technische Universität Berlin, Remote Farm, Online-Praktikum mit Remote Experimenten.
242
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Fachbereich Physik, Anfängerpraktikum.
243
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Fachbereich Physik, Fortgeschrittenenpraktikum.
244
Vgl. Technische Universität München, Physik-Department, Fortgeschrittenenpraktikum.
VIII AUSBLICK
229
-
Teure Experimente wie z. B. ein Rasterkraftmikroskop, die zur Ausbildung kleiner
Gruppen Studierender wie z. B. Biophysiker benötigt werden, können als RCL von kooperierenden Hochschulen gemeinsam finanziert angeboten werden.
-
Ein RCL-Pool an Experimenten dient jederzeit als Puffer schwankender Anmeldezahlen für das Fortgeschrittenen-Praktikum.
-
Mit einem RCL-Pool von Experimenten kooperierender Hochschulen kann flexibler auf
veränderte inhaltliche Anforderungen in Lehre und Forschung reagiert werden.
Die Planung, welche Hochschulen sinnvolle Kooperationsgemeinschaften bilden können,
welche Experimente der RCL-Pool umfasst und welche Experimente als PräsenzVersuche angeboten werden bedarf einer umfassenden Analyse durch die kooperierenden Hochschulen.
 RCL-Fernpraktika für die Dritte Welt
Hochschulen in Ländern der Dritten Welt verfügen häufig nicht über ausreichend experimentell ausgestattete Präsenz-Praktika. Ziel einer Analyse der derzeitigen Bedarfssituation solcher Länder und der potentiellen Lerninhalte könnte die Finanzierung und Realisation eines gemeinsam von mehreren Ländern genutzten RCL-Fernpraktikums mit Hilfe der
Deutschen Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) sein. 245
VIII.3.4.2 Vorlesungen und Seminare
RCLs können ergänzend zu Demonstrationsexperimenten in Vorlesungen der Experimentalphysik im Grundstudium eingesetzt werden, wenn ein Demonstrationsexperiment fehlt oder das RCL einen Mehrwert gegenüber dem Demonstrationsexperiment bietet. Z. B. kann
zum Verständnis der Formel zur Intensitätsverteilung des Beugungsmusters eines Gitters
das RCL Beugung und Interferenz II genutzt werden anstatt lediglich Abbildungen von Beugungsmustern zu zeigen. RCLs, die eine schnelle Versuchsdurchführung gestatten wie z. B.
das RCL Fotoeffekt können auch als experimentelle Übungsaufgabe in den begleitenden
Übungen zur Experimentalphysik eingesetzt werden.
Für Seminare z. B. zum deterministischen Chaos bietet es sich an, dass neben der Erarbeitung und Vermittlung der Theorie, den Studierenden mehrere RCLs zum deterministischen
Chaos wie z. B. Chaos am Wasserhahn (← III.3.5, Tab. 26) oder eines nichtlineare
Schwingkreises (Toda-Oszillator) für einen Vergleich von Theorie und Experiment zur Verfügung steht. Das gleiche RCL-gestützte Seminar, kann dann von mehreren Hochschulen angeboten werden.
245
Vgl. Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH.
VIII AUSBLICK
230
VIII.3.4.3 Fernstudium
In 2002 deckten Universitäten, die Fernkurse in Physik oder einer Ingenieurwissenschaft anbieten, den experimentellen Teil der Ausbildung durch Blockpraktika während einer Präsenzphase, durch wissenschaftliche Hausarbeiten in Unternehmen oder durch den Versand
von Experimentiermaterial an die Studierenden ab 246. Der Früheinstieg ins Physik-Studium
(FiPS)247 deckt seit 1998 Vorlesungen in Experimentalphysik der ersten zwei Semester an
der Technischen Universität Kaiserslautern ab. Das Teil-Fernstudium ist Mittel zum Zweck
um Studierende für das Präsenzstudium in Physik zu gewinnen.
Auch heute, ungefähr 10 Jahre später, zeigt die Eingabe des Suchbegriffs "Fernstudium
Physik" in eine Suchmaschine, dass es in Deutschland ein Vollzeit-Fernstudium in Physik
wegen der notwendigen Präsenz an den Hochschulen für Praktika nicht gibt. Die Trefferliste
zeigt auch, dass durchaus echter Bedarf vorhanden sein könnte. Realisierbar erscheint ein
Bachelor-Fernstudium für Physiker und das Physiklehramt. Ansätze bieten die in FiPS entwickelten Strukturen zum Einsatz von Medien 248 und Überlegungen zum Einsatz von RCLs in
Fernkursen der Sekundarstufe II (← VIII.3.1).
VIII.4
Empirische Untersuchung des Lehren und Lernen mit RCLs
Der Schwerpunkt des RCL-Projekts lag auf der Entwicklung (← III.3, ← V) und Verbreitung
(← VII) von RCLs hoher Qualität (← III). Damit wurden Voraussetzungen zur empirischen
Untersuchung des Lehren und Lernens mit RCLs an Schulen geschaffen.
VIII.4.1
Fragestellungen
Fragestellungen einer empirischen Untersuchung des Lehren und Lernens mit RCLs können
sich auf die Organisation, Planung und Durchführung eines Unterrichts mit RCLs, auf den
Vergleich des Lernens von Schülern mit den drei Formen RCL, Demonstrationsexperiment
und Schülerexperiment des Realexperiments oder auf das Lernen von Schülern mit RCLs
außerhalb von Unterrichtszeiten beziehen. Beispiele für Fragestellungen sind:
 Welche Organisationsmodelle des Einsatzes von RCLs über die gesamte Sekundarstufe
II sind machbar und erfolgreich?
 Welcher Zeitaufwand des außerschulischen Experimentierens mit RCLs ist organisatorisch sinnvoll und wird von den Schülern akzeptiert?
246
Vgl. Schweickert 2002, S. 15.
247
Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Früheinstieg ins Physikstudium (FiPS).
248
Vgl. Schweickert 2002.
VIII AUSBLICK
231
 Welche Lehr-Lernformen bewähren sich dauerhaft im Unterricht? Welche LehrLernformen eignen sich besonders zur Vorbereitung und Unterstützung des Lernens mit
RCLs außerhalb des Unterrichts?
 Besitzen RCLs das didaktische Potential den Physikunterricht an Schulen langfristig in
Richtung größerer experimenteller Anteile zu verändern?
 Kann bei Schülern durch RCLs eine Experimentierkultur und ein besseres Verständnis
des Experiments als Methode der Physik entwickelt werden?
 Entwickeln Lernende beim Experimentieren mit RCLs allein zuhause eher eigene Hypothesen und Fragestellungen als beim Demonstrationsexperiment im Unterricht?
 Ziehen Schüler ein aktives Experimentieren mit RCLs dem eher passiven Verfolgen eines
Demonstrationsexperiments vor?
 Wie beurteilen Lehrkräfte und Schüler das Lernen von Physik im Vergleich von RCL, Demonstrations- und Schülerexperiment?
 Welcher Anteil von Schülern ist mit RCLs bei vorhandenen Lernvoraussetzungen in der
Lage sich physikalische Inhalte eines Experiments anhand der Standard-Lernumgebung
oder anderer Materialien außerhalb des Unterrichts anzueignen?
 Gelingt es Schülergruppen außerhalb des Unterrichts durch digitale Kommunikation eine
größere Menge an Messdaten zusammenzutragen und auszuwerten?
 Wie lange benötigen Schüler zur Durchführung experimenteller Hausaufgaben mit RCLs?
 Welchen Stellenwert hat es für Schüler mit RCLs zuhause ohne zeitliche Eingrenzung und
ohne den Einfluss von Mitschülern und der Lehrkraft zu experimentieren?
 Nutzen Schüler beim häuslichen Experimentieren mit RCLs die Standard-Lernumgebung
des RCLs oder andere Informationsquellen?
VIII.4.2
Untersuchungsinstrument Besucher-Tracking
Der Einsatz des Besucher-Trackings (← II.5.1, ▪ Besucher-Tracking der Laborseite von
RCLs mit Logdateien) zur Beantwortung empirischer Fragestellungen hat den Vorteil, dass
über längere Zeit in automatisierter Form harte Daten zum Experimentieren einzelner Schüler mit RCLs gesammelt und ausgewertet werden können. Die Zuordnung von gesammelten
Daten und experimentierenden Schülern einer Untersuchungsgruppe kann über eine Registrierung für das Buchen von RCLs erfolgen (← VIII.2.1, ▪ Buchungssystem und BesucherTracking). Aufgrund des spezifischen Besucher-Trackings von RCLs muss die derzeitige
Programmierung der Erfassung von Aktivitäten auf der Laborseite von RCLs überarbeitet
und um ein Auswertungstool erweitert werden. Die Features des Auswertungstools sollten
VIII AUSBLICK
232
Unterstützung in Form von automatisierten Auswertungen z. B. für folgende Fragen oder
Fragestellungen bieten:
 Wie lange, wie oft und wann experimentieren Schüler?
 Nutzen die Schüler während des Experimentierens die Standard-Lernumgebung?
 Experimentieren Schüler auch nach Abschluss eines Unterrichtsthemas mit verwendeten
RCLs?
 Nimmt die Häufigkeit, der zeitliche Umfang oder die Systematik des Experimentierens
über einen bestimmten Zeitraum hinweg zu? Können solche Veränderung in Zusammenhang mit der Unterrichtsorganisation oder Lehr-Lernformen gebracht werden?
 Können durch Verfolgen des Experimentierens einzelner Schüler bestimmte wiederkehrenden Vorgehensweisen beim Experimentieren mit RCLs festgestellt werden? Gibt es
Experimentatortypen?
Um ein möglichst vollständiges Gesamtbild des Experimentierens von Schülern zu erhalten
ist das Besucher-Tracking z. B. durch Fragebögen und Interviews zu ergänzen.
VIII.5
Selbstbau von RCLs
Basierend auf den Erfahrungen aus dem Summercamp (← VI.4.1) und der Befragung von
Physiklehrkräften (← VI.4.2) zum Selbstbau von RCLs wird ein Blended-Learning-Kurs für
RCL-Arbeitsgemeinschaften an Schulen und ein modifiziertes Summercamp für begabte
Schüler zum Selbstbau von RCLs beschrieben.
VIII.5.1
Blended-Learning-Kurs
Ziel des Blended-Learning-Kurses ist die Gründung von RCL-Arbeitsgemeinschaften an
Schulen. Lehrkräfte und Schüler der Klassen 10 – 12 werden gemeinsam während Schulzeiten und in enger zeitlicher und inhaltlicher Verzahnung von Präsenztagen außerhalb der
Schule und Arbeit an der Schule (Blended Learning) in den Selbstbau von RCLs eingeführt.
Lehrkräfte und Schüler müssen für die Präsenztage vom Unterricht freigestellt und für Lehrkräfte muss der Kurs als Fortbildung anerkannt werden. Innerhalb eines Umkreises von maximal 200 km um den Veranstaltungsort sollten ungefähr 15 Teilnehmer gefunden werden,
so dass der finanzielle und zeitliche Aufwand für An- und Abreise gerechtfertigt ist. Zur
Durchführung der Präsenztage und einer ausreichenden Betreuung der praktischen Arbeiten
werden zwei Referenten benötigt. Als Veranstaltungsort bieten sich Gesamtschulen an, die
in der Regel neben Physiksälen mit geeigneten Experimentiertischen über Werkräume mit
VIII AUSBLICK
233
geeignetem Werkzeug für mechanische Arbeiten verfügen. Für die MikrocontrollerProgrammierung und zum Steuern des RCLs sollte jede RCL-Arbeitsgemeinschaft ein Notebook mitbringen. In Tab. 56 ist der geplante inhaltliche Verlauf des Blended-Learning-Kurses
angegeben:
Phase
1. Präsenztag
Elektronik
Inhalte
 Ziel des Kurses, Einführung in Löten und Funktionsgruppen des Interface in Basisschaltung, Aufbau und Testen des Interface in Basisschaltung
 Einführung in Sensorik und Sensoren für Temperatur, Lichtintensität und Zeitmessung
 Geschaltete Spannungsquellen
Technik von RCLs
 Aufbau und Untersuchung der Schaltungen mit einem Experimentierboard
Schule
 Löten von 2 Schrittmotorsteuerungen nach Anleitung
 Einführung in Mikrocontroller-Programmierung, Erläuterung des Basisprogramms, Entwicklungsumgebung BASCOM, Programmübertragung mit USB-Programmer
2. Präsenztag
 Programmierung und Messungen mit den Sensoren
MikrocontrollerProgrammierung  Programmierung und Testen der Schrittmotoren
 Vorstellung der Materialien für kinetisches Experiment, Zielsetzung des kinetischen Experiments
Schule
3. Präsenztag
Mechanik
Schule
Physik
 Aufbau und Testen der Sensorschaltungen im Interface
4. Präsenztag
Planung RCL
Schule
 Eigene Programmierversuche mit Sensoren und Schrittmotoren
 Planung des mechanischen und funktionstechnischen Versuchsaufbaus eines kinetischen Experiments
 Realisierung und Test des kinetischen Experiments
 Präsentation des kinetischen Experiments
 Entwickeln von Vorschlägen für ein physikalisches Experiment
 Vorbereiten einer Präsentation zur Planung eines RCLs
 Präsentation und Diskussion der geplanten RCLs
 Informationen zur Integration von RCLs in das RCL-Portal
 Realisation von RCLs mit dem Ziel der Veröffentlichung auf dem RCL-Portal
Tab. 56: Verlauf des Blended-Learning-Kurses "Selbstbau von RCLs".
Der Blended-Learning-Kurs umfasst vier Präsenztage im zeitlichen Abstand von 1 - 2 Wochen. Zeiten an der Schule zwischen den Präsenztagen dienen der Vertiefung des vorangegangenen oder zur Vorbereitung des nächsten Präsenztages.
Der Schwerpunkt liegt auf der Technik von RCLs mit dem Ziel, dass die Teilnehmer nach
den ersten drei Präsenztagen mit den Schwerpunkten Elektronik, MikrocontrollerProgrammierung und Mechanik ein kinetisches Experiment nach dem Vorbild von Kunstobjekten der kinetischen Kunst 249 realisiert haben. Der vierte und letzte Präsenztag bildet die
Schnittstelle zur Weiterführung des Selbstbaus von RCLs in einer Arbeitsgemeinschaft an
der Schule. Die Schüler stellen gemeinsam mit den Lehrkräften erarbeitete Vorschläge und
Planungen für RCLs zur Diskussion. Aus Kostengründen und von den inhaltlichen Anforderungen her sollten einfache Experimente für die Sekundarstufe I von den Schülern der Sekundarstufe II realisiert werden. Ziel der weiteren Arbeit von Lehrkräften und Schülern in
RCL-Arbeitsgemeinschaften könnte bei ausreichender Qualität des RCLs die Veröffentli-
249
Vgl. Wikipedia, Kinetische Kunst.
VIII AUSBLICK
234
chung des RCLs auf dem RCL-Portal sein. Das RCL-Tutorial bietet dazu Unterstützung (←
V).
Bei mehrfacher Durchführung des Blended-Learning-Kurses mit maximal 5 Arbeitsgemeinschaften pro Kurs sollten dauerhaft folgende Materialien vorhanden sein: 5 Experimentierboards (75 €) zum Aufbau von Schaltungen, 5 einfache Lötstationen (300 €), 5 USB-ISPProgrammer (150 €) zum Übertragen des Mikrocontroller-Programms, 5 Interface in Basisschaltung (250 €) und 5 Schrittmotorsteuerungen (50 €) als Ersatz für funktionsuntüchtige
Selbstbauten der Teilnehmer, 5 x 3 Schrittmotoren (300 €) für das kinetische Experiment,
elektronische Bausteine und Verbrauchsmaterial (200 €), PVC-Platten und Befestigungsmaterial für den mechanischen Aufbau des kinetischen Experiments (200 €). Die Investitionskosten liegen damit bei ungefähr 1500 €. Die Lehrkräfte können bei Finanzierung über die
Schule das kinetische Experiment mitnehmen und bezahlen dann maximal ungefähr 150 €.
Im anderen Fall wird das kinetische Experiment für den nächsten Blended-Learning-Kurs
zerlegt.
Der Blended-Learning-Kurs kann nur die Gründung von RCL-Arbeitsgemeinschaften initiieren und inhaltlich unterstützen, nicht aber deren langfristiges Bestehen sichern. Lehrkräfte
müssen sich in die Mikrocontroller- und PHP-Programmierung einarbeiten und die RCLArbeitsgemeinschaft muss für Materialien zur Realisierung von RCLs von der Schule und
den Eltern finanziell unterstützt werden. Der Bildungswert einer RCL-Arbeitsgemeinschaft
muss mit produzierten RCLs, Vorträgen zu RCLs von Schülern und in Gesprächen kommuniziert werden. Eine engagierte Lehrkraft kann analog zur Ausbildung von Staatsexamenskandidaten im RCL-Projekt fortwährend mit neuen Schülern neue RCLs produzieren. Der
Gesamterfolg der Bildungsmaßnahme misst sich an Zahl der durchgeführten Kurse, Zahl der
Teilnehmer, Zahl der neu gegründeten RCL-Arbeitsgemeinschaften und der Zeitdauer ihres
Bestands.
VIII.5.2
Summercamp
Im Unterschied zum Blended-Learning-Kurs findet das Summercamp in den Sommerferien
und in einer zusammenhängenden, mindestens einwöchigen Präsenz statt. Zielgruppe sind
nicht Gruppen, sondern einzelne motivierte und technisch-naturwissenschaftlich begabte
Schüler. Um diese Zielgruppe anzusprechen und sicherzustellen, dass am Ende des Summercamps ein funktionsfähiges, von einer Webseite bedienbares RCL steht, können nicht
wie beim Blended-Learning-Kurs physikalische Inhalte am Ende, sondern müssen zeitlich
vor dem Beginn eines Summercamps einsetzen:
Schüler können sich auf der Webseite eines Kooperationspartners wie z. B. MINT-EC um
die Teilnahme am Summercamp bewerben. Dort finden sie eine Zusammenstellung und Beschreibung von Schulmaterialien für physikalische Experimente (z. B. Digitalvoltmeter, Netzgerät, …). Die Materialien sind so gewählt, dass damit etwa 10 Experimente für die Klassen
VIII AUSBLICK
235
10 - 12 durchgeführt und auf dem Summercamp als RCL ohne aufwendige mechanische Arbeiten realisiert werden können (z. B. ein RCL zum elektrischen Schwingkreis). Die Bewerber sollen mit den Versuchsmaterialien an der Schule zwei Experimente realisieren und ein
Versuchsprotokoll mit Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung
sowie der Theorie des Experiments als Bewerbung für das Summercamp einreichen. Hilfreich für die Planung des Summercamps sind Angaben der Bewerber zum Vorwissen in Mikrocontroller-Programmierung, PHP-Programmierung und Elektronik sowie ob ein eigenes
Notebooks mitgebracht werden kann. Ausgewählt werden die 15 besten Bewerbungen.
Schüler mit gleichen oder ähnlichen Experimenten werden zu Zweier- oder Dreiergruppen
zusammengefasst. Man erhält ungefähr 5 - 7 Gruppen, die von zwei Betreuern auf dem
Summercamp betreut werden.
Im Summercamp stehen den Gruppen fertig gestellte Interfaces in Basisschaltung mit austauschbarer Platinenhälfte für Erweiterungsschaltungen zur Verfügung (→ Anhang XI.1.2,
Abb. 89). So ist sichergestellt, dass Lötarbeiten Teil des Summercamps sind, mit vertretbarem Zeitaufwand durchgeführt werden können und die Platine mit Erweiterungsschaltungen
für weitere Summercamps einfach ausgetauscht werden kann. Elektronische Bauteile für
Erweiterungsschaltungen, Sensoren und Aktoren müssen in ausreichender Anzahl verfügbar
und Schaltungen auf ihre Funktionalität hin geprüft sein. Das RCL-Tutorial (← V) ist für eine
solche Veranstaltung nicht geeignet. Zu entwickeln und vorzubereiten sind Informations- und
Lernmaterialien zu Sensoren, Aktoren, Mikrocontroller- und PHP-Programmierung, die es
den Schülergruppen erlauben möglichst eigenständig ihr RCL zu realisieren.
Am ersten Tag bauen die Schülergruppen mit den gestellten Schulmaterialien ihr Experiment
auf, führen Messungen durch und halten Experimentalvorträge. Es folgt eine Einführung der
Betreuer in die Erweiterung eines Experiments zum RCL, eine Einführung in die Nutzung von
Materialien und ein Zeitplan für den Verlauf des Summercamps. Während der Realisation
des RCLs sind die Gruppen von den Betreuern individuell zu betreuen, Kooperationen zwischen den Gruppen zu fördern, die Nutzung des Vorwissens von Schülern oder die Entwicklung von Spezialisten für bestimmte Aufgaben zu unterstützen. Ziel des Summercamps ist
ein abschließender Experimentalvortrag der Gruppen mit dem fertig gestellten RCL vor den
Teilnehmern des Summercamps oder eingeladenem Publikum.
IX ZUSAMMENFASSUNG
IX
ZUSAMMENFASSUNG
IX.1
Dokumentation des RCL-Projekts
236
Das RCL-Projekt wurde zwischen 2002 und 2010 an der Technischen Universität Kaiserslautern in drei Phasen "Sponsorenakquise und Entwicklung der RCL-Technik", "Produktion von
RCLs" sowie "Didaktik und Verbreitung von RCLs" als Entwicklungs- und Ausbildungsprojekt
durchgeführt. Zielgruppe waren Schüler in Physikkursen der Sekundarstufe II und Studierende im Grundstudium der Physik. Beteiligt waren ungefähr 10 Sponsoren oder Kooperationspartner, ungefähr 20 Mitarbeiter und 11 Studierende im Rahmen von Staatsexamensarbeiten. Das Projektbudget lag bei ungefähr 400000 €. Das RCL-Projekt ist das mit der größten
Laufzeit aller bisher bekannten Projekte zu RCLs.
Im RCL-Projekt wurde ein flexibel an Experimente anpassbares und kostengünstiges Interface entwickelt. Die Software für den RCL-Server und zur Programmierung des Mikrocontrollers im Interface ist größtenteils Open-Source. Wichtigstes Produkt des RCL-Projekts ist ein
Portal mit 17 RCLs. Die RCLs stehen im Rahmen eines dezentralen Standortkonzepts an 8
Standorten in Deutschland und 3 Standorten außerhalb Deutschlands.
Jedes RCL ist Teil einer für alle RCLs gleichartig strukturierten und an die Webnutzung angepassten Standard-Lernumgebung mit den Webseiten Einstieg, Aufbau, Theorie, Aufgaben,
Labor (RCL), Auswertung, Diskussion, Material und Betreuung. Alle StandardLernumgebungen sind mindestens deutsch und englischsprachige, maximal viersprachig
und umfassen durchschnittlich 14 DIN-A4-Seiten/RCL. Davon entfallen fast die Hälfte auf Informationen und Fragen zum Experiment. Insgesamt werden auf dem RCL-Portal fast 250
DIN-A4-Seiten an Standard-Lernumgebung angeboten.
Als Best-Practice-Beispiele im RCL-Projekt können das RCL Weltpendel zur Messung der
Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung und das RCL Optische FourierTransformation zur Visualisierung von Eigenschaften der Fourier-Transformation bezeichnet
werden. Die konzeptionellen Überlegungen und die Versuchsergebnisse zeigen die Qualität
der RCLs.
Zur Verbreitung von RCLs des Projekts haben 16 Zeitschriftenartikel, 9 Konferenzbeiträge,
15 Vorträge, 6 Poster, 9 Beiträge im Schulportal Lehrer-Online, 10 Fortbildungen und 6
Workshops beigetragen. Zusammen mit den 11 Staatsexamensarbeiten ergibt das 82 Beiträge in 6 Jahren bzw. etwas mehr als einen Beitrag/Monat. Dies zeigt die Kontinuität und
Vielfalt mit der das RCL-Projekt in der Öffentlichkeit vertreten wurde.
IX ZUSAMMENFASSUNG
IX.2
237
Evaluation des RCL-Projekts
Zur Evaluation des RCL-Projekts bzw. von RCLs wurden folgende Methoden verwendet:
 Weltweite RCL-Recherche: In 2010 wurde eine Recherche zum weltweiten Bestand an
RCLs durchgeführt. Die angewendete Recherche-Methode lieferte mit 335 RCLs vermutlich 90 % des weltweiten RCL-Bestands. Merkmale zum Bestand und zum Zugang zu den
RCLs wurden in einer Tabelle erhoben.
 Besucher-Tracking mit Logdateien: Die experimentellen Aktivitäten der Besucher auf der
Laborseite von RCLs wurden seit 2005 in Logdateien festgehalten.
 Besucher-Tracking mit Google Analytics: Besuche der Standard-Lernumgebungen von
RCLs wurden in 2010 über 4 Monate mit dem Webanalysetool Google Analytics registriert.
 Befragung von Lehrkräften: Lehrkräfte wurden auf Fortbildungen zur Qualität der Fortbildung, zur Motivation und Fähigkeiten zum Selbstbaus von RCLs und zur Unterrichtstauglichkeit von RCLs befragt.
 Funktionstest von RCLs: Zwischen 2006 und 2010 wurde monatlich die Funktionsfähigkeit
der RCLs des RCL-Portals überprüft.
Ergebnisse der Evaluation des RCL-Projekts und von RCLs sind:
 Aus Besucher-Tracking mit Logdateien
Die Anzahl der Besuche/Tag aller RCLs des RCL-Portals ist zwischen September 2005
und Januar 2010 von ungefähr 2 Besuche/Tag auf ungefähr 70 Besuche/Tag gestiegen.
In 2010 wurden insgesamt ungefähr 28000 Besuche registriert. In 2010 wurden ungefähr
3400 Besuche des RCLs Elektronenbeugung aus Deutschland registriert. Der maximale
Bedarf aller Gymnasien in Deutschland liegt bei ungefähr 12000 Besuchen. Unter Vernachlässigung der vermutlich geringen Nutzung des RCLs in Hochschulen und durch informelle Besucher beträgt der Marktanteil des RCLs Elektronenbeugung ungefähr 28 %.
 Aus Funktionstests von RCLs
Die zeitliche Verfügbarkeit der RCLs des RCL-Portals liegt im Mittel bei 78 %. Bleibt der
Ausfall der Internetverbindung unberücksichtigt und wird damit die Stabilität der RCLs des
RCL-Portals erfasst, liegt diese bei 90 %.
 Aus Besucher-Tracking mit Logdateien
Ein Besucher-Tracking bei mehreren RCLs zeigt, dass die Experimentierdauer, die Qualität des Experimentierens und das Spektrum an experimentellen Vorgehensweisen sich
nicht grundsätzlich vom Experimentieren mit traditionellen Realexperimenten unterscheidet. Dies zeigt den Grad an Authentizität der RCLs des RCL-Portals zum traditionellen
Realexperiment.
 Aus RCL-Recherche
IX ZUSAMMENFASSUNG
238
Im weltweiten Vergleich haben die RCLs des RCL-Portals die wenigsten Zugangsbarrieren wie z. B. Registrierung/Anmeldung, persönliche Angaben oder Installation von Zusatzsoftware.
 Aus Besucher-Tracking mit Google-Analytics
Die Standard-Lernumgebungen der RCLs des RCL-Portals verzeichnen im Mittel 10 Besuche/Tag, sind weltweit die umfangreichsten und stellen über 40 % der viersprachig
weltweit verfügbaren Standard-Lernumgebungen von RCLs. Ungefähr 85 % der Besuche
des RCL-Portals kommen aus Deutschland.
 Aus Befragung von Lehrkräften
Lehrkräfte bescheinigen den durchgeführten Fortbildungen eine hohe Qualität. Auf einer
ganzzahligen Antwortskala zwischen -2 und +2 liegen 10 Qualitätskriterien zwischen +0,9
und +1,7.
 Qualitätsvergleich themengleicher RCLs
In einem Qualitätsvergleich dreier RCLs zur Beugung und Interferenz schneidet das RCL
Beugung und Interferenz II des RCL-Portals mit Abstand am besten ab.
 Besucherzahlen der Lehrer-Online-Beiträge
Im Mittel werden die 9 Beiträge zum Unterrichtseinsatz von RCLs auf dem Schulportal
Lehrer-Online täglich 12-mal besucht. Über 100 Lehrkräfte informieren sich so täglich
über die RCLs des RCL-Portals.
IX.3
Beiträge zur Weiterführung des RCL-Projekts
Die Arbeit liefert folgende Beiträge für Weiterführungen des RCL-Projekts:
 Technik-Tutorial
Eine überarbeitete und erweiterte Version eines ersten Technik-Tutorials aus 2005 bietet
insbesondere Staatsexamenskandidaten eine Übersicht zur Technik der RCLs des RCLPortals und einen schnelleren Einstieg in den Selbstbau von RCLs.
 Weiter- und Neuentwicklungen von RCLs
5 aktuelle und 2 ehemalige RCLs des RCL-Portals können mit einem echten Qualitätssprung weiterentwickelt werden. Vorgeschlagen zur Neuentwicklung werden die RCLs
Leuchtmittel, Optische Kristallographie, Magnetfelder und Trägheitskräfte. Darüber hinaus
werden 7 innovative Entwicklungsrichtungen von RCLs wie z. B. RCLs die gezielt Fehlvorstellungen berücksichtigen oder den Vergleich mehrere Messmethoden erlauben vorgeschlagen. Die Tabelle der RCL-Recherche mit 335 RCLs dient als Informationsgrundlage zur Beantwortung der Frage, welche RCLs in welcher Qualität schon existieren.
IX ZUSAMMENFASSUNG
239
 Entwicklungsplan für RCLs
RCL-Entwickler können anhand eines Entwicklungsplans mit Checklistenpunkten und
Meilensteinen systematischer und zielgerichteter RCLs entwickeln. Daraus soll eine bessere Qualität von RCLs und eine Verkürzung der Entwicklungsdauer von RCLs im Hinblick auf verkürzte Zeiten zur Anfertigung einer Staatsexamensarbeit im Bachelor-MasterStudium resultieren.
 Entwicklungsstrategien für RCLs
Die Entwicklung von RCLs kann durch adaptieren, optimieren oder komponieren vorhandener traditioneller Realexperimente oder durch thematisieren physikalischer Inhalte aus
Physik, Umwelt, Natur und Technik erfolgen. Die zuletzt genannte Strategie führt zu größtenteils neuen Experimenten. Entwicklungsstrategien helfen wie der Entwicklungsplan
RCLs systematischer und zielgerichteter zu entwickeln.
 Qualitätskriterien und Qualitätsmerkmale
Mit den Qualitätskriterien Verfügbarkeit, Barrierefreiheit, Funktionalität, Konzeption, Interaktivität, Authentizität und Nutzerfreundlichkeit können anhand von Qualitätsmerkmalen
RCLs auf Qualität geprüft werden.
 Lehr-Lernformen
Ein Spektrum von 10 Lehr-Lernformen mit RCLs wie z. B. experimentellen Hausaufgaben,
Experimentalvorträge, Lernzirkel und Selbststudium ist Grundlage zur systematischen
praktischen Erprobung des Einsatzes von RCLs im Physikunterricht und zur empirischen
Untersuchung des Lehren und Lernens mit RCLs.
 Fortbildungen
Mit der eintägigen Fortbildung "Remotely Controlled Laboratories (RCLs) im Physikunterricht der Sekundarstufe II" liegt eine ausgereifte und gut konzipierte Fortbildung zur Weiterführung vor.
 Buchungssystem
Das Buchungssystem zur Reservierung von Zeitfenstern zum Experimentieren mit RCLs
unterstützt ausschließlich Lehrende und deren Lernende ohne andere Besuchergruppen
auszuschließen. Zwischen Lehrenden, Lernenden und informellen Besuchern kann aufgrund der Registrierung unterschieden und damit ein besucherspezifisches Tracking
durchgeführt werden.
 Blended-Learning-Kurs zum Selbstbau von RCLs
Die Befragung von Lehrkräften auf Fortbildungen ergab, dass ungefähr 10 % der Lehrkräfte in besonderem Maße motiviert in einer Arbeitsgemeinschaft RCLs mit Schülern zu
bauen und nur ungefähr 5 % der Lehrkräfte über die wichtigsten Fähigkeiten zum Selbstbau von RCLs verfügen. Deshalb wurde ein gemeinsamer Blended-Learning-Kurs für
Schüler und Lehrkraft mit dem Ziel in Arbeitsgruppen an Schulen RCLs zu bauen konzi-
IX ZUSAMMENFASSUNG
240
piert. Im Wechsel von Arbeit an der Schule und eintägigen Präsenz-Veranstaltungen wird
in den Selbstbau von RCLs eingeführt.
 Summercamp zum Selbstbau von RCLs
Erfahrungen und Feedback eines in 2005 durchgeführten Summercamps mit Schülern
wurden in ein neu konzipiertes Summercamp umgesetzt. Das Auswahlverfahren der Bewerber, Materialmanagement sowie ein Wechsel von Informationseinheiten und praktischem Arbeiten sollen zur Realisation von RCLs in Kleingruppen innerhalb von ungefähr
10 Tagen führen.
 Einsatzszenarien von RCLs
RCLs sind bisher nur selten ein fester und essentieller Bestandteil des Lehrens und Lernens an Schulen und Hochschulen. Vorgeschlagen wird der Einsatz in der Fernlehre mit
dem Ziel Abitur, in der Präsenzlehre der Sekundarstufe I und verstärkt in der Sekundarstufe II. RCLs können in Kombination mit traditionellen Realexperimenten in Anfängerund Fortgeschrittenen-Praktika an der Hochschule und als komplettes RCL-Fernpraktikum
für die Dritte Welt eingesetzt werden.
Alle genannten Punkte zusammen betrachtet, ist das RCL-Projekt ein erfolgreiches und
nachhaltiges Projekt gewesen. Mit einem Finanzbudget, das unterhalb vieler anderer Projekte zu RCLs liegt, wurde ein nachhaltiges Angebot an RCLs insbesondere für Lehrkräfte an
Schulen geschaffen. Darüber hinaus sind aus dem RCL-Projekt viele Anregungen und Impulse erwachsen, die in Weiterführungen des Projekts genutzt werden können.
X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI
X
ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI
X.1
Werbebroschüre zum RCL-Portal
241
X.2
242
Standorte, RCL-Betreuer und Zugangsdaten von RCLs des RCL-Portals
IP-Adressen
Webcams
Teamviewer
ID, Passwort
Beugung und
Interferenz II
http://131.246.237.199
255.255.255.0
131.246.237.254
131.246.1.116
131.246.9.116
USB-Webcam:
131.246.237.199:8080
245621915
beugung
Elektronenbeugung
http://131.246.237.200
255.255.255.0
131.246.237.254
131.246.1.116
131.246.9.116
USB-Webcam:
131.246.237.200:8080
775154198
elektronenbeugung
IP-Webcam:
http://131.246.237.204
Benutzername: admin
Passwort RCLcam
Werks-IP-Adresse:
10.2.202.218
356407310
Millikan
USB-Webcam:
131.246.237.201:8080
353736642
fourieroptik
http://141.7.70.48
141.7.70.39
255.255.255.0
141.7.70.254
141.7.1.18
141.7.1.20
USB-Webcam:
141.7.70.48:8080
IP-Webcam:
http://141.7.70.58:80
Benutzername: demo
Passwort: root oder
00116B8020E4
115801861
kennlinien
http://141.7.70.49
141.7.70.49
255.255.255.0
141.7.70.254
141.7.1.18
141.7.1.20
USB-Webcam:
141.7.70.49:8080
IP-Webcam:
http://141.7.70.59:80
Benutzername: root
Passwort:
00116B803C19
RCL
Standort
RCL-Betreuer
Technische Universität Kaiserslautern
http://131.246.237.175
255.255.255.0
131.246.237.254
131.246.1.116
131.246.9.116
MillikanVersuch
http://131.246.237.201
255.255.255.0
131.246.237.254
131.246.1.116
131.246.9.116
Hochschule
Heilbronn
Angela Szasz:
[email protected]
07131/504-386
Erwin Wild:
[email protected]
07131/504-390
Jörg Storch:
[email protected]
07131/504-420
Oszilloskop
Radioaktivität
Weltpendel
Kaisersesch
Technologieund Gründerzentrum Kaisersesch
Lothar Schaden:
[email protected]
02653/913520
Peter
mons: [email protected]
sersesch.de
02653/999-616
Andreas
lesch: andreas.ollesch@vgk.
kaisersesch.de
02653/999-616
Windkanal
Heißer
IP-Adressen Server
Saarpfalz-
Axel Wagner:
http://141.7.70.39
141.7.70.39
255.255.255.0
141.7.70.254
141.7.1.18
141.7.1.20
http://87.139.25.178
http://radioaktivitaet.kaiser
sesch.de
192.168.0.252
255.255.255.0
192.168.0.254
192.168.0.254
379552516
lichtgeschwindigkeit
USB-Webcam:
141.7.70.39:8080
115797549
oszilloskop
USB-Webcam:
87.139.25.178:8082
IP-Webcam:
192.168.0.251:80
Benutzername: demo
Passwort: root oder
00116B803C15
119616840
RCL02vgk
http://87.139.25.178; http:
//weltpendel.kaisersesch.
de
USB-Webcam:
192.168.0.250;
87.139.25.178:8083
255.255.255.0;
192.168.0.254;
192.168.0.254
327585174
RCL3vgk
http://87.139.25.178; http:
//windkanal.kaisersesch.d
e
USB-Webcam:
192.168.0.253
87.139.25.178:8081
255.255.255.0
192.168.0.254
192.168.0.254
119627599
RCL1vgk
http://131.246.237.198
595977217
USB-Webcam:
Draht
131.246.237.198:8080
HeisserDraht
Maut
http://131.246.237.83
255.255.255.0
131.246.237.254
131.246.1.116
131.246.9.116
USB-Webcam:
131.246.237.83:8080
607638034
Maut
Roboter im
Labyrinth
http://212.18.213.238
192.168.10.41
255.255.255.0
192.168.1.10
192.168.1.10
USB-Webcam:
212.18.213.238:8080
399438725
Rhlocm_14S
Fotoeffekt
Optische
Computertomographie
Gymnasium
Homburg
Gymnasium Isernhagen
http://rcl.gymnasium.isern
hagen.de
192.168.13.9
USB-Webcam:
255.255.255.0
81.14.211.146:8080
192.168.13.2
Proxyserver:
192.168.13.2, Port 8080
437653048
photoeffekt
Realschule Isernhagen
Uwe Zilling:
[email protected]
Jörg
pers: joerg.kampers@isernh
agen.de
0170/9738055 (p)
http://rutherford.gymnasiu
m.isernhagen.de
192.168.13.10
255.255.255.0
USB-Webcam:
192.168.13.2
41.14.211.146:8080
192.168.13.2
Proxyserver:
192.168.13.2, Port 8080
160140977
rutherford
Dr. Christian Neuert:
[email protected]
Deutsches
030/90254-108
Technikmuseum
Gehrke:
Berlin
[email protected]
030/90254-264
Weltpendel
Hermannsburg
Weltpendel
Aden
University of
Aden
Weltpendel
Neapel
Universita degli
studi di Napoli
"Frederico II"
Beugung und
Interferenz I
Beugung und
Interferenz
(Demomodul)
255.255.255.0
131.246.237.254
131.246.1.116
131.246.9.116
Konrad Weigt:
[email protected]
Jörg
pers: joerg.kampers@isernh
agen.de
0170/9738055 (p)
ChristianGymnasium
Hermannsburg
Weltpendel
Riga
[email protected]
06841/9231-20
243
USB-Webcam:
217.91.25.33:8080
372499239
+CT+
Sven Huhs:
[email protected]
05052/98780
05051/8724 (p)
Rolf Eggersglüß:
http://217.91.121.114
192.168.2.2
255.255.255.0
192.168.2.1
192.168.2.1
USB-Webcam:
217.91.121.114:8080
472292331
weltpendel
Mohamed S. Almoodi:
[email protected]
http://82.114.183.224
192.168.1.2
255.255.255.0
192.168.1.1
192.168.1.1
USB-Webcam:
82.114.183.224:8080
602806179
WeltpendelAden
Elena Sassi:
[email protected]
http://192.84.134.227
192.84.134.227
255.255.255.0
192.84.134.254
192.84.134.50
192.84.134.227.55
Latvijas Universi- Janis Harja:
tate
[email protected]
Akademie für
Ulrich Weber:
Lehrerfortbildung
[email protected]
und Personalfüh09071/53-187
rung Dillingen
Hochschule der
Bundeswehr
München
http://217.91.25.33
192.168.0.2
255.255.255.0
192.168.0.1
192.168.0.1
Stefan Pickl:
[email protected]
089/6004-2400
http://195.13.133.34
195.13.133.34
255.255.255.0
195.13.133.254
195.13.129.5
336121814
worldpendulum
USB-Webcam:
195.13.133.34:8080
http://194.95.207.53
http://lichtbeugung.alp.dilli USB-Webcam:
ngen.de
-
-
296417891
weltpendel
-
-
X.3
244
Checkliste zur Auslieferung von RCLs
Kriterium
Erläuterung/Beispiel
RCLs können in der Größe stark schwanken:
Ausreichende
Raumgröße?
 Das RCL Lichtgeschwindigkeit war mit 15 m Länge in einem Flur an der Technischen Universität Kaiserslautern aufgebaut. In Heilbronn musste die Messstrecke auf 10 m gekürzt und der
Strahlengang des Lichts über einen Spiegel in einer Ecke des Raums geführt werden. Wanddurchbrüche sind wegen Brandvorschriften nicht erlaubt.
 Das RCL Weltpendel benötigt 2,5 m Raumhöhe. Am Standort Kaisersesch mussten Deckenplatten zur Montage des RCLs entfernt werden.
Räume können starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sein:
Auftreten extremer
Raumtemperaturen?
 Das RCL Beugung und Interferenz II konnte nur in einem Dachraum mit hohen Temperaturen
im Sommer untergebracht werden. Ausfälle des RCL-Servers wurden durch einen Lüfter hoher Kühlleistung vermieden.
 Für eine möglichst genaue Bestimmung der Erdbeschleunigung wird beim RCL Weltpendel
die Raumtemperatur gemessen.
 Generell ist zu prüfen, ob Temperaturschwankungen die Funktionstüchtigkeit eines RCLs beeinträchtigen.
Sachunkundige Personen können RCLs funktionsuntüchtig machen:
 In Bildungsinstitutionen als Standort dürfen Lernende keinen Zugang zum RCL haben. Ein
abschließbarer Raum ist notwendig.
Bietet Raum Schutz vor
Fremdeinwirkung?
 Wenn RCLs in öffentlich zugänglichen Räumen wie im Museum oder als Attraktion in Bildungsinstitutionen stehen, muss z. B. eine Plexiglaswand Schutz vor Fremdeinwirkung bieten
 Auch wenn RCL in verschlossenem Raum steht, können Personen Aber auch in RCL Rutherfordscher Streuversuch und Weltpendel Hermannsburg vom Hausmeister ausgeschaltet
 Schild nicht ausschalten
 Anschluss an das Stromnetz und an das Internet müssen vorhanden sein
Ausreichende technische
Infrastruktur und Platz für
RCL im Raum?
 Prüfen, ob am Standort freie Räume und genügend Platz in den Räumen für RCL vorhanden
ist
 Manche RCLs benötigen zusätzlich Raum für die Positionierung und Befestigung einer
Webcam am Boden oder an der Decke (z. B. RCL Weltpendel)
Qualität der Internetverbindung hängt stark vom Standort ab:
Erfüllt Standort
Anforderungen an
Internetverbindung?
 Stabiler Internetanschluss mit mindestens 128 kb/s Uploadrate (DSL). Standorte in nicht so
weit entwickelten Ländern erfüllen diese Bedingung manchmal nicht (z. B. RCL Weltpendel in
Jemen)
 Prüfen, ob Schulen für RCL mit statischer Internetadresse extra DSL-Anschluss einrichten
müssen, können und wollen (z. B. für RCLs Heißer Draht und Maut lange Zeit kein Internetzugang)
Eine gute Beleuchtung des RCLs ist essentiell:
Geeignete künstliche
und natürliche
Beleuchtung im Raum?
 Eine diffuse und wegen des weltweiten Zugriffs ständige Raumbeleuchtung ist für viele RCLs
optimal
 Zur Minimierung von Energiekosten ist eine künstliche mit Beginn der RCL-Nutzung einschaltbare Beleuchtung günstig (z. B. RCL Lichtgeschwindigkeit)
 Es muss geprüft werden, ob die Beleuchtung des RCLs bei Tag und Nacht optimal ist (beim
RCL Elektronenbeugung war das Beugungsmuster schlecht erkennbar, wenn direktes Sonnenlicht durch einen Spalt in den Verdunklungskasten eingedrungen ist. Die Anzeigen von
Messgeräten wie z. B. beim RCL Radioaktivität können bei direkter Sonneneinstrahlung
schlecht lesbar werden)
 Als künstliche Beleuchtung des RCLs eignen sich häufig ältere Schreibtischlampen, denen
Leuchtmittel in Beleuchtungsrichtung und - position relativ frei positionierbar sind
Geeigneter Wandhintergrund trägt zu übersichtlichem Webcambild bei:
Geeigneter Wandhintergrund im Raum?
 Manche RCLs benötigen einen gleichmäßigen Wandhintergrund für ein übersichtliches
Webcambild. Fehlt dieser, dann sollte ein Hintergrund hergestellt werden (z. B. wie beim RCL
Weltpendel in Kaisersesch)
Versuche mit radioaktiven Strahlern oder Lasern unterliegen Sicherheitsbestimmungen:
 Beim RCL Radioaktivität wurde für den Betrieb am Standort eine Umwandlung mit Bleieinlage
hergestellt, ein Hinweisschild angebracht und die Reststrahlung vermessen.
Sicherheitsbestimmungen
am Standort erfüllt?
 Sicherheitstechnisch am günstigsten für die Verwendung von Lasern mit höheren Leistungen
in RCLs ist es, das gesamte RCL mit einem geschlossenen Kasten abzudecken (z. B. RCL
Optische Fourier-Transformation). In jedem Fall ist ein Hinweisschild auf die Laserstrahlung
anzubringen.
Sicherer Transport
des RCLs mit Pkw
gewährleistet?
245
Für RCLs existieren wie für kommerzielle Produkte keine speziell angefertigten Verpackungen
und es besteht die Gefahr, dass Komponenten des RCLs durch den Transport beschädigt werden:
 Das RCL insgesamt z. B. auf Gummi- oder Schaumstoffteilen möglichst erschütterungsfrei
und rutschsicher lagern
 Alle empfindlichen und beweglichen Teile des RCLs vom RCL entfernen oder mit Befestigungsmaterial fixieren
Bei Standorten im Ausland ist das Verschicken des RCLs oft eine günstigere, aber nicht immer
eine zeit- und arbeitsunaufwendigere Alternative zum Transport mit dem Pkw:
Verschicken von
RCLs mit der Post
 RCLs müssen in der Regel zerlegt und wegen der mechanischen Belastung auf dem Frachtweg wesentlich aufwendiger als beim Transport mit dem Pkw verpackt werden. Z. B. wurde
für das RCL Millikan-Versuch eine geeignete Transportkiste hergestellt und alle Versuchskomponenten aufwendig befestigt.
 Da am Standort in der Regel niemand mit dem Aufbau des RCLs vertraut ist, müssen sehr
detaillierte und bebilderte Aufbauanleitungen wie z. B. beim RCL Weltpendel angefertigt werden.
X.4
Kostenvoranschlag für Buchungssystem
246
Sprachen Laborseite
Keine Anmeldung
Gastzugang
Registrierung/Anmeldung
Nutzerkreis eingeschränkt
Persönliche Angaben
Booking
Link defekt
Linksuche
Testfragen
Ladezeit lang
Softwareinstallation
Statusangabe
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2010
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Thema
Arbeitsgruppe
Schuleignung
Hochschule
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1
Library of
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Land
Teilgebiet
Lokales
Projekt
Gebiet
Nationales/
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Jahr
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247
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Germany
Ruhr University Bochum
U
Lehrstuhl für
Regelung und
AutomatisieSteuerung hydrungstechnik
raulischer Anund Prozessintriebe
formatik
Remote Laboratory eExperimentation
trial (ReLAX)
Germany
Ruhr University Bochum
U
Lehrstuhl für Kugelballancier
er
elektrische
Optical TraSteuerung und
cking plant
Regelung
80
United States of Ame- Samford University
rica
U
Physics Department
Ampere´s Law
Link
Ed Ms
2002
1
-
x En
-
-
-
-
x
-
-
- LV -
United States of Ame- Stanford University
rica
U
Stanford Center
for Innovations
in Learning
Process engineering plant
Link
Ce
2002
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
82
United States of Ame- Stanford University
rica
U
Department of
Electrical Engi- Optical Procesneering Depart sor (Fouriering Department Transform with
of Applied
Lenses)
Physics
Link
Ed Wo 2002
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
83
Stevens
Online La- United StaStevens Institute of
boratory tes of AmeTechnology
rica
Environments
I
2001
1
1
x En
x
x
LV
84
Stevens
rica
Environments
I
Liquid-Level
Pro
Ce Fs
2001
0
1
x En
x
x
LV
85
Stevens
rica
Environments
I
Duct Acoustics
Pro
Me Ms
2001
1
1
x En
x
x
LV
86
Stevens
rica
Environments
I
Beam Deflection
TOCHI Me Em
2001
0
1
x En
x
x
LV
87
Stevens
rica
Environments
I
Electrical System
88
Solar plant
of Technical College II
Delmenhorst
I
Full scale solar
heating plant
and laboratory
79
Marvel
89
Germany
Higher Technological Institut Nicosia
Technical College II
Delmenhorst
Germany
Technische Universität Bergakademie TU
Freiberg
Pl
Mechanical ViEsche
brations in one
– An … Me Ms
or two degrees
Pro
of freedom
Pro
Webbasierte
Modelleisenbahn
-
El
Ae
2001
0
-
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-
-
-
Ce
Pl
2002
0
2
x Ge
-
x
-
Ce Ro
1995
0
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-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
x
-
-
-
-
-
-
x
-
-
-
-
-
90
eLearning
Academic
Network
(ELAN)
Germany
Technical University of Clausthal
TU
Institut of ElecOne and two
trical Infordimensional
mation Techposition control
nology (IEI)
Pro
Ce Po
2002
0
-
Ge
-
-
-
-
-
-
-
-
J
-
91
eLearning
Academic
Network
(ELAN)
Germany
TU
Institut of Electrical Information Technology (IEI)
Pro
Ce Fs
2002
0
-
Ge
-
-
-
-
-
-
-
-
J
-
92
eLearning
Academic
Network
(ELAN)
Germany
TU
Institut of Electrical InforIndustrial Robot
mation Technology (IEI)
Pro
Ce Ro
2002
0
-
Ge
-
-
-
-
-
-
-
-
J
-
93
eLearning
Academic
Network
(ELAN)
Germany
TU
Institut of ElecRed Circle
trical InforGame (additive
mation Techcolour mix)
nology (IEI)
Link
Ed Op
2003
1
-
Ge
-
-
-
-
-
-
-
-
J
-
94
Practical Ex-
Link
Ce Sp
2002
1
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
J
-
PROMISE
project
United
The Open Universi- OU
Institute of
Two-tank system
Optical
perimentation
by Accessible
Remote
Learning
(PEARL)
Kingdom
Practical Experimentation
by Accessible
95
Remote
Learning
(PEARL)
ty (OU)
Zenon Automation
Technologies
Educational
Technology
252
Spectrometer
U
School of
Computer Science and Statistics
Computer vision experiments (mistakes on printed circuit
board)
The University of
Tennessee at
Knoxville (UTK)
U
Department of
Physics and
Astronomy
GammaSpektrometer
Australia
The University of
Western Australia
(UWA)
U
School of MeThe UWA Telechanical Engirobot
neering
98
Australia
The University of
Western Australia
(UWA)
U
School of Mechanical Engineering
Heat control of
electric iron
99
Australia
The University of
Western Australia
(UWA)
U
96
The Telelabs Project
97
Ireland
Trinity College Dublin
Link
Ce Ro
2002
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
J
-
Ce Sp
2003
2
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Ce Ro
1994
0
-
x En
-
-
-
-
x
-
-
- LV -
Link
Ce
2003
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
- LV -
School of MeTorsional Vibrachanical Engitions
neering
Link
Me Ms
2003
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
- LV -
Link
Taylor
–A…
Link
T
-
100
Automatic
Control Telelab (ACT)
Italy
Università degli
Studi di Siena
U
Dipartimento di
DC Motor –
Ingegneria
Position and
dell'InformazioSpeed Control
ne
Link
Link
Com
Ce Mo
2002
0
2
x En x
x
x
x
J
x
101
Automatic
Italy
Università degli
Studi di Siena
U
Dipartimento di Magnetic LeviIngegneria
tation – Stable
dell'Informazio- and Unstable
ne
Configuration
Link
Link
Com
Ce Po
2002
0
2
x En x
x
x
x
J
x
102
Automatic
Italy
Università degli
Studi di Siena
U
Dipartimento di
Water Tank –
Ingegneria
Flow and Level
dell'InformazioControl
ne
Link
Link
Com
Ce Fs
2002
0
2
x En x
x
x
x
J
x
103
Automatic
Italy
Università degli
Studi di Siena
U
Dipartimento di Helicopter SimIngegneria
ulator – 2 DOF
dell'Informazio- Helicopter Conne
trol
Link
Link
Com
Ce Po
2002
0
2
x En x
x
x
x
J
x
Nanoworld
Swiss
Universität Basel
U
Department of
Physics
Link
Link
Ce Mi
2004
2
2
x En
Germany
Universität Karlsruhe
U
Institut für Hydromechanik, La
Gebäudekonfig
nik, Laboratoriu
uration im
m für Gebäude
Windkanal
und Umweltdynamik
Me St
1997
0
0
Ge
x En x
Sp
Netherlands
University Antwerpen
U
Sp
2005
0
2
x En
107
Germany
University Bremen
U
Research Center for Work,
Environment
and Technology (artec)
Welding robot
Link
Ce Ro
2004
0
-
Ge
-
108 Lab@Future
Germany
University Bremen
U
Research Center for Work, Remote LaborEnvironment
atory for Fluid
and TechnoloDynamics
gy (artec)
Link
Link
Ce Fs
2005
0
-
En
-
104
Library of
Labs (LiLa)
105
Experiment
e
E106 Experimenteren+Project
Atomic Force
Microscope
(AFM)
Magnetic Domains
-
-
-
-
x
x
-
-
-
-
-
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-
x
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-
- LV -
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- LV
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-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
J
-
Webexperi
ments
Netherlands
University of Amsterdam
U
Fresnel Diffraction
Link
Ed Wo 2005
0
2
x Du
x
x
x
x
Webexperi
ments
Netherlands
U
X-ray fluorescence
Link
Ce Sp
2005
0
2
x En
x
x
x
x
J
x
LV
Webexperi
ments
Netherlands
U
Laser-Doppler
Anemometry
Link
Me St
2005
0
2
x En
x
x
x
x
J
x
LV
Netherlands
U
Weather stationes
El
2005
0
0
x En x
Netherlands
-
U
Speed of Light
and the Doppler effect
Link
Ed Wo 2005
1
-
x En
x
x
x
x
LV x
Netherlands
-
U
Measuring e/m
Link
Ed Ms
1
-
x En
x
x
x
x
LV x
M
2005
x
-
J
x
LV
J
x
115
Pulselektro
nik
116
117
Germany
University of Applied Science
Aachen
Germany
Aachen
Germany
Aachen
UAS
UAS
UAS
Elektrotechnik
und Informationstechnik
Ingmedia
253
Versuche zur
Pulselektronik
El
M
2004
0
-
Ge
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- LV -
Ingmedia
Bestimmung
Breitvon Kapazität schuh
und Verlustfak- – Intertor eines Kon- net …
densatorsr
Link
El
Ch
2004
2
-
Ge
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- LV -
Ingmedia
Breitschuh
Characteristics
– Interof resistors
net …
Link
El
Ch
2004
1
-
Ge
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- LV -
Link
118
Düsseldorf
er Telelabor
Germany
University of Applied Science Düs- UAS
seldorf
Interbusgesteu
erte Werkstückprüfstation
Link
Ce
Pl
2001
0
3
x
En
Ge
x
J
x
119
Düsseldorf
er Telelabor
Germany
seldorf
Steuerungspro
grammierung
nach IEC
61131 (ES)
Link
Ce Ro
2003
0
3
x
En
Ge
x
J
x
120
Düsseldorf
er Telelabor
Germany
seldorf
Anlage im Netz
Ce
Pl
2003
0
3
x
En
Ge
x
J
x
121
Düsseldorf
er Telelabor
Germany
seldorf
Steuerung im
Netz
Ce
Pl
2003
0
3
x
En
Ge
x
J
x
122
Düsseldorf
er Telelabor
Germany
seldorf
Hubeinheit mit
Lean Web Automation (webprogr. Steuerung)
Ce Po
2003
0
3
x
En
Ge
x
J
x
Control-Net
unter mo123 ControlNet24
duls/modul
01
Germany
Nordostniedersach- UAS
sen/Universität Lüneburg
Programmierun
g einer Abschervorrichtung
Ce Po
2004
0
-
x Ge x
x
LV
124 ControlNet24
Control-Net
unter moduls/modul
06
Germany
Klimakammer
Ce
2004
0
1
x Ge x
x
LV
125 ControlNet24
Control-Net
unter modules/modul
03
Germany
Kennlinien
Asynchronmotor
Ce Mo
2004
0
1
x Ge x
x
LV
Automatisie
rte Anlagen
und InforVerbund Vir- matik virtu126 tuelles Labor eller Systeme unter
(VVL)
Basic Lab
assignments
Germany
University of Applied Science Reut- UAS
lingen
Remote control
of a cartesian
handling system
Ce Po
2002
0
-
En
x Ge
Ru
-
-
-
-
-
-
x
-
-
-
-
-
Verbund Vir127 tuelles Labor
(VVL)
Automatisie
rte Anlagen
und Informatik virtueller Systeme
Germany
lingen
Remote Control
of a ball separation unit
Ce Po
2002
0
-
En
x Ge
Ru
-
-
-
-
-
-
x
-
-
-
-
-
(VVL)
Automatisie
rte Anlagen
Germany
lingen
Remote control
of robospider
EyeWalker
Ce Ro
2002
0
-
En
x Ge
Ru
-
-
-
-
-
-
x
-
-
-
-
-
(VVL)
Automatisie
rte Anlagen
Germany
lingen
Remote measurement of
workpieces and
dynamics determination of a
robot
Ce Ro
2002
0
-
En
x Ge
Ru
-
-
-
-
-
-
x
-
-
-
-
-
(VVL)
Automatisie
rte Anlagen
Germany
lingen
Remote control
of robodog AIBO
Ce Ro
2002
0
-
En
x Ge
Ru
-
-
-
-
-
-
x
-
-
-
-
-
131
Experiment
online
Poland
Sp
2002
2
2
x
University of Białystok
U
Laboratory of
Magnetism
Study of Malus
Law and Faraday effect
EJP
T
En
x
P
x
254
132
Experiment
online
Poland
U
Laboratory of
Magnetism
Registration of
magnetic hysteresis loop
EJP
Sp
2002
2
2
x
En
x
P
133
Experiment
online
Poland
U
Laboratory of
Magnetism
Observation of
magnetic domains
EJP
Sp
2002
0
2
x
En
x
P
134
SelfLab@Hom
e
Canada
University of Calgary (UofC)
U
Department of
Electrical and
Traffic Light
Circuit
Link
Link
Ce
El
2004
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
135
SelfLab@Hom
e
Canada
U
Department of
Electrical and
Oscilloscope
Link
El
M
2004
1
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
136
SelfLab@Hom
e
Canada
U
Department of
Electrical and
Waveform Generator
Link
El
Ae
2004
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
137
SelfLab@Hom
e
Canada
U
Department of
Electrical and
Link
El
Ae
2004
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
138
United StaWebshaker tes of America
University of California San Diego
(UCSD)
U
Webshaker
Me Ms
1999
2
1
x En x
139
Internet
Shared Instrumation
Laboratory
(ISILab)
University of Genoa
U
Active derivator
circuit, Active
integrator circuit
Link
iJOE
Pro
El
Ae
2004
0
1
x En x
J
Link
iJOE
Pro
El
Ae
2004
1
1
x En x
J
Italy
x
x
x
x
J
140
Internet
Shared Instrumation
Laboratory
(ISILab)
Italy
University of Genoa
U
Common emitter single stage
amplifier, Com
er, Common
emitter single
stage amplifier
with a resistance in the
emitter, Compa
rison between
two types of
common emitter single stage
amplifiers
141
Internet
Shared Instrumation
Laboratory
(ISILab)
Italy
University of Genoa
U
Transistor
working as a
switch, Switch
with speed-up
Link
iJOE
Pro
El
Ae
2004
2
1
x En x
J
142
Internet
Shared Instrumation
Laboratory
(ISILab)
Italy
University of Genoa
U
8 bit AD/DA
(LF), 8 bit
AD/DA (MF), 8
bit AD/DA
(HF), 4 bit
AD/DA (LF), 4
bit AD/DA
(MF), 4 bit
AD/DA (HF)
Link
iJOE
Pro
El
De
2004
0
1
x En x
J
143
Internet
Shared Instrumation
Laboratory
(ISILab)
Italy
University of Genoa
U
High-pass filter, Low-pass
filter, HalfWave active
rectifier
Link
iJOE
Pro
El
Ae
2004
2
1
x En x
J
144
Internet
Shared Instrumation
Laboratory
(ISILab)
U
Inverting Amplifier, Non Inverting Amplifier, Inverting
amplifier with
bipolar class B
output stage
Link
iJOE
Pro
El
Ae
2004
0
1
x En x
J
145
Internet
Shared Instrumation
Laboratory
(ISILab)
University of Genoa
U
Complementary
-symmetry
stage, Comple
mentarysymmetry stage
with cross-over
distortion compensation
Link
iJOE
Pro
El
Ae
2004
0
1
x En x
J
146
Virtual Flu- United Staids Labora- tes of Ametory
rica
University of Iowa
U
Virtual Fluids
Lab (VFL)
Link
Me St
1999
2
3
x En x
147
Remote didactic Laboratory
(RemLab)
Politecnico di Milano
U
Übertragungsfunktion passiver Zweipole
TOIM
El
2002
0
-
En
Italy
Italy
Italy
University of Genoa
Department of
Ae
-
-
-
-
-
-
x
x
-
- LV -
-
-
-
-
J
-
Java Based
Internet for
Telerobotics (JBIT)
255
Italy
University of
Padova
U
Department of Java Based InInformation En- ternet for Telgineering
erobotics (JBIT)
149
Western Michigan
University (WMU)
U
Electrical and
Computer En- Electronic labogineering Deratory
partment
150
United StaUniversity of Arkantes of Amesas
rica
U
Department of
Industrial Engineering
148
RFID
Ce Ro
2001
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
TIM
El
Ae
2005
2
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
TLT
Ed Ew
2009
2
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- LV -
-
J
-
2008
2
-
En
Ge
Fr
Sp
It
Ro
Cr
Ae
2005
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- LV -
Link
Ce Ro
2003
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Remote lab for
electronics design and test
Link
El
Ae
2005
0
-
En
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- LV -
U
Mechanical Material Characterisation
iJOE
iJOE
Me Em
2006
2
1
x En
x
x
x
LV
University of Porto
(FEUP)
U
Straightness
evaluation
iJOE
Me
M
2007
1
1
x En
x
x
x
LV
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
Level Measurement and
Control of twotank-system
iJOE
Ce Fs
2007
0
1
x En
x
x
x
LV
eLabs
Remote
Laboratories @ Up
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
Temperature
PID control in a
metal cylinder
iJOE
Ce
2007
0
1
x En
x
x
x
LV
159
eLabs
Remote
Laboratories @ Up
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
Monitoring of a
stone masonry
bridge
iJOE
Me Em
2007
0
1
x En
x
x
x
LV
160
eLabs
Remote
Laboratories @ Up
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
Force calibration procedure
iJOE
Me
M
2006
1
1
x En
x
x
x
LV
161
eLabs
Remote
Laboratories @ Up
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
Coupled oscillators
iJOE
Me Ms
2007
1
1
x En
x
x
x
LV
162
eLabs
Remote
Laboratories @ Up
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
Buoyancy
measurement
iJOE
Me
2007
1
1
x En
x
x
x
LV
163
eLabs
Remote
Laboratories @ Up
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
Temperature
Calibration procedure
2007
1
1
x En
x
x
x
LV
164
eLabs
RemoteLab
(LIM)
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
Meteorological
Station
iJOE
El
2007
0
0
En
x Po x
Hu
165
eLabs
RemoteLab
(LIM)
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
Michelson Interferometer
iJOE
Ed Wo 2007
1
-
x En
-
-
-
-
-
-
x
166
eLabs
Remote
Laboratories @ Up
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
Remote Control
of light functions of a Porsche
Ce
El
2006
0
-
x En
-
-
-
-
-
-
x
-
-
- LV -
Portugal
Polytechnic Institute
of Porto (IPP)
I
Linear variable
differential
School of Engitransformer (inneering
ductive position
transformer)
El
Ae
2005
0
-
x En
-
-
-
-
-
-
x
-
-
- LV -
Characteristics
of magnetic
materials (hysteresis)
TIM
Sp
151
Italy
University of Sannio
U
152
Ireland
National University
of Ireland (NUI)
Galway
U
Electrical and
Electronical
Engineering
Power electronics laboratory
TE
El
Robotics
and Intelligent Machines Laboratory
(RIMLab)
Italy
University of Parma
U
Dipartimento di
Ingegneria
dell'Informazione
Telerobot
eLabs
Portugal
University of Porto
(FEUP)
U
155
eLabs
Remote
Laboratories @ Up
Portugal
University of Porto
(FEUP)
156
eLabs
Remote
Laboratories @ Up
Portugal
157
eLabs
Remote
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(Lesim)
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Faculty of Engineering
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Segnali
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Segnali
di Misura
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Segnali
di Misura
(Lesim)
Italy
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University of South
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University of South
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Australia
University of South
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University of South
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Australia
University of South
Australia
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180
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Remote
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Germany
University of TechTU
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Institut of solid
state physics
Coupled Pendula
181
Library of
Labs (LiLa)
Remote
Farm
Germany
nology Berlin (TUB)
Institut of solid
state physics
Oscillating Circuit
182
Library of
Labs (LiLa)
Remote
Farm
Germany
nology Berlin (TUB)
Institut of solid
state physics
Double Slit
183
Library of
Labs (LiLa)
Remote
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Germany
nology Berlin (TUB)
Institut of solid
state physics
e/m apparatus
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184
Library of
Labs (LiLa)
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nology Berlin (TUB)
Institut of solid
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nology Berlin (TUB)
Institut of solid Thermodynami
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Library of
Labs (LiLa)
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nology Berlin (TUB)
Institut of solid
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EM-Radiation
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University of Tech-
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Labs (LiLa)
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188
Library of
Labs (LiLa)
Remote
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189
Library of
Labs (LiLa)
190
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257
nology Berlin (TUB)
state physics
Germany
nology Berlin (TUB)
Institut of solid
state physics
Radioactivity
Remote
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Germany
nology Berlin (TUB)
Institut of solid
state physics
Solar Cell
Library of
Labs (LiLa)
Remote
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Germany
nology Berlin (TUB)
Institut of solid
state physics
Transistor
Library of
Labs (LiLa)
Remote
Farm
Germany
nology Berlin (TUB)
Institut of solid
state physics
Hysteresis
Germany
University of Technology Dortmund
TU
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Germany
University of Technology Dresden
Interaktiver
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Germany
Lernen und
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Study group of
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Study group of
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Study group of
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Study group of
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physics
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Study group of
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physics
Optical Computed Tomography
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Study group of
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Study group of
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Radioactivity
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Study group of
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physics
Robot in a Maze
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TU
Study group of
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physics
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Study group of
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University of Tech-
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Study group of
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Study group of
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Study group of
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physics
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TU
Study group of
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physics
Wind Tunnel
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Study group of
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University of Technology München
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Fachgebiet Integrierte Kom- Sidac Bearbeimunikationsystungseinheit
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Process Dynamic - Flow
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Design and
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Digitale Elektronik
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University of Oxford
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Indian Institute of
Technology Guwahati
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Indian Institute of
Technology Guwahati
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Department of
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Singapore
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School of Electrical and Electronic Engineering
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Singapore
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University of Applied Science,
Technology and
Design Wismar
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Indiana University
Southeast
U
School of Natural Science
Data transmission of digital
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Indiana University
Southeast
U
School of Natu- Data collection
ral Science
via internet
Link
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Physics and
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Physics
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Mechanical
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University of ApUAS
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Faculty of Electronic Engineering
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Faculty of Electronic Engineering
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Instituto Nazionali
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(CRESCERE)
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X.6
Besucherzahlen des RCL-Portals
265
X.7
266
Veröffentlichungen zum RCL-Projekt
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Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2010): Experimenting from a distance in
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Gröber, S.; Jodl, H.-J. (2010): A collection of problems for physics teaching.
 Deutsche Zeitschriftenartikel
Altherr, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2005): Experimentieren aus der Ferne Ferngesteuertes Labor im Internet.
In: Praxis der Naturwissenschaft - Physik in der Schule, Jg. 54, H. 6, S. 40-46.
Altherr, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Experimentieren aus der Ferne Ferngesteuertes Labor im Internet (Remotely Controlled Laboratory – RCL).
In: Plus Lucis 2006, H. 1-2, S. 28-35.
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Das Photonenmodell des Lichts. Eine
Lerneinheit mit Lernzirkeln und einem Remotely Controlled Laboratory (RCL).
In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, Jg. 56, H. 2, S. 12-19.
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Modellierung von Übergängen zwischen Ordnung und Unordnung - in Kristallen mit einem Remotely Controlled Laboratory
(RCL).
267
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Das Weltpendel. Ein Remotely Controlled Laboratory (RCL) zur Messung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung.
In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule (PdN-PhiS), Jg. 56, H. 7, S. 3843.
Gröber, S.; Vetter, M.; Lütkefedder, Arne; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2009): Beugung und Interferenz als Remotely Controlled Laboratory (RCL).
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2009): Rutherford-Streuung als Remotely
Controlled Laboratory (RCL).
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2009): Messung der Lichtgeschwindigkeit
als Remotely Controlled Laboratory (RCL).
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2010): Experimente zur Radioaktivität - als
Remotely Controlled Laboratory (RCL).
 Englische Konferenzbeiträge
Eckert, B.; Altherr, S.; Vetter, M.; Jodl, H.-J. (2005): Remotely Controlled Laboratory
(RCL) - Experimenting from a Distance.
First EPEC, 04.07.-07.07.2005, Bad Honnef, http://www.physik.unimainz.de/lehramt/epec/jodl.pdf.
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Modelling transitions between order
and disorder in a Remotely Controlled Laboratory (RCL).
In: van den Berg, E.; Ellermeijer, T.; Slooten, O. (Hg.): GIREP Conference 2006, Modelling in Physics and Physics Education, 20.08.-25.08.2006, Amsterdam, Niederlande. Amsterdam: University of Amsterdam, CD: X:/html/files/Groeber_6_1_edit.pdf.
In: Jurdana-Sepic, R.; Labinac, V.; Zuvic-Butorac, M.; Susac, A. (Hg.): Frontiers of physics
education. Selected contributions. GIREP - EPEC Conference, 26.08.-31.08.2007, Opatija, Kroatien. Rijeka: Zlatni rez, S. 355-360.
Gröber, S.; Schuhmacher, Simone; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): World Pendulum.
In: Jurdana-Sepic, R.; Labinac, V.; Zuvic-Butorac, M.; Susac, A. (Hg.): Frontiers of physics
education. Selected contributions. GIREP - EPEC Conference. 26.08.-31.08.2007, Opatija, Kroatien. Rijeka: Zlatni rez, CD: X:/conference papers/102_Grober.
Gröber, S.; Vetter, M.; Jodl, H.-J. (2010): Experimenting from a distance in case of diffraction and interference.
In: Michelini, M.; Lambourne, R.; Mathelitsch, L. (Hg.): MPTL 14. Multimedia in Physics
Teaching and Learning. 23.09-25.09.2009, Udine, Italy. Bologna: Società Italiana di Fisica, S. 211-220.
268
 Deutsche Konferenzbeiträge
Altherr, S; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2004): Remote Controlled Laboratories - Experimentieren aus der Ferne.
In: Nordmeier, V.; Oberländer, A. (Hg.): Didaktik der Physik - Düsseldorf 2004. Berlin:
Lehmanns Media.
Vetter, M.; Gröber, S.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Neues vom Remote Controlled Lab
Projekt.
In: Nordmeier, V.; Oberländer, A. (Hg.): Didaktik der Physik - Kassel 2006. Berlin: Lehmanns Media.
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Glas, Florian; Jodl, H.-J. (2007): Der Millikan-Versuch
In: Nordmeier, V.; Oberländer, A.; Grötzebauch, H. (Hg.): Didaktik der Physik - Regensburg 2007. Berlin: Lehmanns Media.
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2008): Beugung und Interferenz als Remotely Controlled Laboratory (RCL).
In: Oberländer, A.; Nordmeier, V. (Hg.): Didaktik der Physik - Berlin 2008. Berlin: Lehmanns Media.
 Englische Vorträge
Jodl, H.-J.; Eckert, B. (2005): Remotely Controlled Laboratories - Experimenting from a
Distance.
1st EPEC, 04.-07.07.2005, Bad Honnef.
Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Remotely Controlled Laboratory - Experimenting from a Distance.
Xplora Science Teachers Conference/European Schoolnet (EUN), 16.06.2006, CERN,
Genf.
GIREP Conference, 20.08.-25.08.2006, Universität Amsterdam, Amsterdam, Niederlande.
GIREP - EPEC Conference, 26.08.-31.08.2007, Opatija, Kroatien.
Gröber, S.; Schuhmacher, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): World Pendulum Measuring g(φ) with a distributed Remotely Controlled Laboratory (RCL).
GIREP - EPEC Conference. 26.08.-31.08.2007, Opatija, Kroatien.
Gröber, S.; Schuhmacher, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Remotely Controlled Laboratory (RCL) "World Pendulum" to measure the surface gravitational acceleration g depending on latitude ϕ.
GIREP Conference/MPTL 13th Workshop, 18.08.-22.08.2008, University von Zypern, Nikosia, Zypern.
Jodl, H.-J.; Gröber, S. (2010): Experimenting from a distance - In case of optical FourierTransformation.
StepsTwo, Eupen´s 12´th General Forum EGF 2010, 02.09.-04.09.2010, Paris.
269
 Deutsche Vorträge
Altherr, S; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2004): Remote Controlled Laboratories - Experimentieren aus der Ferne.
DPG Frühjahrstagung - Didaktik der Physik, 15.03.-18.03.2004, Universität Düsseldorf,
Düsseldorf.
Eckert, B. (2005): Das RemoteLab-Projekt.
DPG-Frühjahrstagung - Arbeitskreis Multimedien im Physikunterricht, 10.03.2005, Technische Universität Berlin, Berlin.
Vetter, M.; Gröber, S.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Neues vom Remote Controlled Lab
Projekt.
DPG Frühjahrstagung - Didaktik der Physik, 20.03.-22.03.2006, Universität Kassel, Kassel.
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Experimentieren aus der Ferne Remotely Controlled Laboratories (RCLs).
Didacta - die Bildungsmesse, 27.02.-03.03.2007, Köln.
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Glas, Florian; Jodl, H.-J. (2007): Der Millikan-Versuch
DPG Frühjahrstagung - Didaktik der Physik, 26.03.-30.03.2007, Universität Regensburg,
Regensburg.
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2008): Beugung und Interferenz als Remotely Controlled Laboratory (RCL).
DPG Frühjahrstagung - Didaktik der Physik, 25.02.-29.02.2008, Technische Universität
Berlin. Berlin.
Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2008): Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit
mit einem Remotely Controlled Laboratory (RCL).
DPG-Frühjahrstagung - Arbeitskreis Multimedien im Physikunterricht, 25.02.-29.02.2008,
Technische Universität Berlin, Berlin.
Gröber, S. (2010): Ferngesteuerte Realexperimente - Schülerinnen und Schüler experimentieren von zu Hause aus eigenständig über das Internet.
Schulen ans Netz, Abschlusskonferenz Naturwissenschaften entdecken!, 24.09.2010,
Friedrich-Ebert-Stiftung, Bonn.
 Englische Poster
Altherr, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2005): Remote Controlled Lab (RCL) on Diffraction and Interference of Light.
MPTL 10 - EPS, 05.10.-07.10.2005, Freie Universität Berlin, Berlin.
Gröber, S.; Knecht, T.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2008): Rutherford’s scattering
experiment as a Remotely Controlled Laboratory (RCL).
GIREP Conference/MPTL 13th Workshop, 18.08.-22.08.2008, Universität von Zypern, Nikosia, Zypern.
270
 Deutsche Poster
Altherr, S.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2004): Remote Controlled Laboratories.
MPTL 9 - EPS, 09.09.-11.09.2004, Universität Graz, Graz, Österreich.
Altherr, S.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2004): Remote controlled laboratories.
Tagung der Robert-Bosch-Stiftung - NaT-Working, 13.01.-14.01.2004, Harnack-Haus der
Max-Planck-Gesellschaft, Berlin.
Gröber, S; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Remotely Controlled Laboratories
(RCLs) im Physikunterricht der Sekundarstufe II.
DPG-Frühjahrstagung - Didaktik der Physik, 26.03.-30.03.2007, Universität Regensburg,
Regensburg.
Gröber, S. (2009): Exploratives Experimentieren mit einem Remotely Controlled Laboratory (RCL).
36. Jahrestagung der GDCP, 14.09.-17.09.2009, Technische Universität Dresden, Dresden.
 Staatsexamensarbeiten
König, C. (2005): Remote Control Labs und ihr Einsatz in der Schule.
Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische Universität
Kaiserslautern, AG Didaktik der Physik.
Glas, F. (2006): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Der MillikanVersuch.
Söhnlein, (2006): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. U-IKennlinien von Halbleiterbauelementen.
Zorn, C. (2006): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Windkanal.
Hoffmann, M. (2007): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Computertomographie.
Klinck, C. (2007): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Radioaktivität.
Knecht, T. (2007): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Rutherford
Streuversuch.
271
Bender, K. (2008): Remotely Controlled Laboratory - Experimentieren aus der Ferne. Fourier-Optik.
Lüttkefedder, A. (2008):Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Beugung und Interferenz.
Schuhmacher, S. (2008): RCL Weltpendel – Experimentieren aus der Ferne.
Thijs, R. (2008): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Optische Kristallographie.
 Lehrer-Online-Beiträge
Gröber, S.: Remotely Controlled Laboratories (RCLs) im Physikunterricht der Sekundarstufe II.
In: Schulen ans Netz e. V., Lehrer Online - Unterrichten mit digitalen Medien.
Entdeckung des Atomkerns - RCL Rutherfordscher Streuversuch (15.04.2008)
Remotely Controlled Laboratories (RCLs) (13.06.2008)
Breitengradabhängigkeit von g - RCL Weltpendel (15.10.2008)
Aerodynamik von Fahrzeugen - RCL Windkanal (28.01.2009)
Licht als Fotonenströmung - RCL Fotoeffekt (05.03.2009)
Elektron als Welle - RCL Elektronenbeugung (23.04.2009)
Beugung am Gitter - RCL Beugung und Interferenz (14.05.2009)
Quantisierung der Ladung - RCL Millikan-Versuch (22.05.2009)
Geschwindigkeit von Licht - RCL Lichtgeschwindigkeit (22.05.2009)
X.8
Länder von Besuchen der Standard-Lernumgebungen
272
X.9
Seitenaufrufe und Besuchsdauer der Standard-Lernumgebungen
273
Nr.
RCL
Webcambild 1
Webcambild 2
Bedienfeld
Testbericht der RCLs des RCL-Portals vom Oktober 2010
Internet
X.10
274
1
Beugung und
Interferenz I
ok
ok
ok
ok
2
Beugung und
Interferenz II
ok
ok
ok
ok
3
Elektronenbeugung
ok
ok
-
ok
Befunde Laborseite
 Multimeter
nichts an
4
Fotoeffekt
ok
ok
-
f
Maßnahmen
Ergebnisse und
Ursachen
zeigt  Mail an Betreuer mit  Ist nicht die BatHinweis Batterie des
terie,
sondern
Multimeters auszutaudas Multimeter.
Betreuer verwenschen
det Ersatzmultimeter der Schule
 Ersetzen des batteriebetriebenen
durch netzbetriebenes Multimeter
5
ok
ok
ok
ok
6
Heißer Draht
f
-
-
-
7
ok
ok
ok
ok
8
Maut
f
ok
-
ok
9
MillikanVersuch
f
f
-
f
10
ok
ok
-
f
11
Optische
Computertomographie
ok
ok
-
ok
12
Oszilloskop
ok
ok
-
ok
13
Radioaktivität
ok
ok
ok
ok
14
Roboter im
Labyrinth
ok
ok
ok
ok
15
Rutherfordscher
Streuversuch
ok
ok
-
ok
16a
Weltpendel Aden
ok
ok
-
ok
16b
Weltpendel
Hermannsburg
f
ok
-
ok
16c
Weltpendel
Kaisersesch
ok
ok
-
ok
16d
Weltpendel
Riga
f
ok
-
ok
17
Windkanal
ok
ok
-
ok
 Keine Betreuung am
Standort mehr
 Keine Betreuung am
Standort mehr
 Mail an Betreuer
 Probleme mit Internetverbindung
konnten nicht behoben werden
 Kein
Beugungs-  Fernwartung
über  Videoserver
muster
im
Teamviewer und Neuabgestürzt
Webcambild zu sestart des Rechners
hen
war
 Internetverbindung war blockiert
wegen
Wartungsarbeiten
 Studenten hatten
Netzwerkkabel
vom RCL-Server
entfernt
X.11
Verfügbarkeit und Stabilität der RCLs des RCL-Portals
275
X.12
Bestimmung der Erdbeschleunigung mit RCL Weltpendel
276
X.13
Messergebnisse zum RCL Weltpendel Kaisersesch
277
X.14
278
Fragebogen zur Fortbildung für Lehrkräfte
In der Antwortskala -2, -1, 0, +1, +2 bedeutet -2 die negativste Einschätzung und +2 die positivste
Einschätzung.
RCLs
a) Zugesehen bei der Bedienung
b) Selbst bedient ohne
quantitative Messungen
c) Selbst bedient mit quantitativen Messungen
3. Wie gut eignet sich das
RCL für den Unterrichtseinsatz?
(-2, -1, 0, 1, 2)
Beiträge zu RCLs auf Lehrer-Online
-2
-1
0
+1
+2





a) Steckbrief des RCLs





b) Unterrichtseinheit





c) Materialien zur Unterrichtseinheit





1. Wie hilfreich sind die Beiträge für die Planung und Durchführung des Unterrichts?
2. Wie hilfreich sind folgende Informationen des Beitrags?
Maut
Heißer Draht
U-I-Kennlinien
im Unterricht
eingesetzt

Windkanal
Oszilloskop
damit
experimentiert

Radioaktivität
Fotoeffekt
davon gehört

Millikan-Versuch
Elektronenbeugung
2. Mit welchen RCLs haben Sie im Workshop
wie gearbeitet?
(mehrere Antworten zu
einem RCL möglich)
gar nicht

Weltpendel
1. Wie gut kannten Sie
RCLs bereits vor der
Fortbildung?
279
Fortbildung
1. Wie schätzen Sie die Fortbildung bezüglich nachfolgender
Punkte ein?
-2
-1
0
+1
+2
a) Organisation





b) Arbeitsklima





c) Beteiligungsmöglichkeiten





d) Praxisbezug





e) Kommunikation unter den Teilnehmern





f) Kommunikation zwischen Referent und Teilnehmern





g) Lernzuwachs





h) Methodische Gestaltung





i) Erfüllung der Erwartungen an den Workshop





j) Motivation RCLs im Unterricht einzusetzen





-1

0

+1

+2

Selbstbau von RCLs
1. Wie hoch ist Ihr Interesse mit Schülern einen Nachbau oder Neubau eines RCLs zu realisieren?
2. Welche Unterstützung brauchen Sie für den Nachoder Neubau eines RCLs?
a) Auswahl von für RCLs geeigneten Versuchsinhalten
und Planung des Versuchsaufbaus
b) Elektronikkenntnisse zum Messen mit Sensoren und
Steuern mit Aktoren
c) Bestückung der Platine des Interface mit elektronischen Bauelementen
d) Realisierung mechanischer Komponenten des RCLs
e) HTML-Programmierung von Webseiten
f) PHP-Programmierung von Webseiten
g) Programmierung eines Mikrocontrollers
-2

keine
schriftliche
Anleitung
Fortbildungsinhalt





















X.15
280
Fragebogen zur Verfügbarkeit traditioneller Realexperimente
 Bei den angegebenen Versuchen handelt es sich ausschließlich um quantitative Realexperimente
(keine IBEs, Simulationen, ...)
 Zur Versuchsbeschreibung ist meistens skizziert was gemessen werden soll. Danach ist meistens
ein markanter Versuchsbestandteil angegeben.
 Frage A braucht nur einmal/Schule vom Physiksammlungsleiter oder einem Kollegen, der die Physiksammlung gut kennt ausgefüllt zu werden.
 Die Fragen müssen in der Reihenfolge A, B, C, D, E, F beantwortet werden. Bei den Fragen A, B
und D gibt es nur eine Antwortmöglichkeit.
Frage A an Physiksammlungsleiter: Ist der Versuch durchführbar? (eine Antwortmöglichkeit)
1
durchführbar
2
nicht durchführbar, weil Versuch komplett fehlt
3
nicht durchführbar, weil Teile des Versuchs fehlen
4
nicht durchführbar, weil Teile des Versuchs defekt sind
5
nicht durchführbar, weil Beschaffung von Ersatzteilen zu teuer
6
nicht durchführbar, weil Ersatzteile nicht mehr beziehbar
7
nicht durchführbar, weil sonstiges
Frage
I. Mechanik
1. Eindimensionale Bewegung
a) Bewegungsgesetze (mit Fahrbahn)
b) Newtonsches Grundgesetz (mit Fahrbahn)
c) Impulserhaltungssatz (mit Fahrbahn)
d) Energieerhaltungssatz (mit Fadenpendel)
e) Energie- und Impulserhaltung mit ballistischem Fadenpendel (mit Geschoß)
f)
Impulserhaltungssatz beim zweidimensionaler Stoß (mit Luftkissentisch und Videokamera)
g) Bewegungsgesetz des freien Falls (mit Messapparatur)
2. Kreisbewegung
a) Zusammenhänge zwischen Kreisbewegungsgrößen (mit Drehscheibe oder Zentralkraftgerät)
b) Radialkraftformel (mit Zentralkraftgerät)
3. Drehbewegung
a) Bewegungsgesetz gleichmäßig beschleunigte Drehbewegung (mit Kreisscheibe)
b) Trägheitsmomentbestimmung (mit Drehgerät)
c) Newton´sches Grundgesetz für Drehbewegung (mit Drehgerät)
d) Satz von Steiner
e) Energieumwandlung bei Rotationsbewegung (mit Maxwell´schem Rad)
4. Kraftgesetze
a) Formel für Newton´sche Reibungskraft (mit Windkanal)
b) Formel für Stokes´sche Reibungskraft bzw. Viskosität von Flüssigkeiten (mit Kugelfallviskosimeter)
c) Messung des dynamischen Auftriebs (mit Windkanal)
d) Messung der Oberflächenspannung (mit Abreismethode)
5. Freie Schwingungen
a) Bewegungsgesetz der harmonischen Schwingung (mit Feder- oder Fadenpendel)
b) Zusammenhang von Kreis-und Schwingungsbewegung (Feder- oder Fadenpendel und
Drehscheibe)
6. Gedämpfte Schwingungen
a) Messung von Dämpfungsverlauf und -konstante (mit Drehpendel)
b) Messung von Dämpfungsverlauf und -konstante (mit Federpendel)
7. Erzwungene Schwingungen
a) Messung der Resonanzkurve (mit Federpendel und Motor)
b) Resonanzkurve (mit Drehpendel und Motor)
8. Schwebung
A
B
C
D
E
F
a) Schwebung akustischen Wellen (mit Oszilloskop, PC)
b) Schwebung von Ultraschallwellen
c) Schwebung (mit 2 Faden- oder Federpendeln)
8. Gekoppelte Schwingungen
a) Gekoppelte Schwingung (mit Federpendel)
b) Gekoppelte Schwingung (mit Fadenpendel)
9. Mechanische Wellen
a) Erzeugung und Ausbreitung (mit senkrechter Wellenmaschine)
b) Erzeugung und Ausbreitung (mit waagrechter Wellenmaschine)
c) Zusammenhang c = λf (Wasserwellenwanne mit Stroboskop)
d) Brechungsgesetz (Wasserwellenwanne mit Stroboskop)
e) Reflexionsgesetz (Wasserwellenwanne mit Stroboskop)
f)
Interferenz zweier Kreiswellen (Wasserwellenwanne mit Stroboskop)
g) Interferenz zweier akustischer Kreiswellen (mit Sinusgenerator und 2 Lautsprechern)
10. Dopplereffekt
a) Frequenzänderung und Sendergeschwindigkeit (mit Ultraschallwellen)
b) Frequenzänderung und Sendergeschwindigkeit (mit Wasserwellenwanne und Stroboskop)
11. Stehende Wellen
a) Eigenfrequenzen und Geschwindigkeit (mit Seil und Erregermotor)
b) Eigenfrequenz und Geschwindigkeit (mit Schraubenfeder und Erregermotor)
c) Eigenfrequenzen und Geschwindigkeit (mit motorbetriebener Wellenmaschine)
d) Wellenlänge stehender Schallwellen (mit Mikrofon)
e) Wellenlänge stehender Schallwellen (mit Kundt´scher Röhre)
13. Gravitation
a) Bestimmung der Gravitationskonstanten (mit Gravitationsdrehwaage)
b) Bestimmung der Erdbeschleunigung (mit Reversionspendel)
c) Bestimmung der Erdbeschleunigung (mit Fadenpendel)
II. Quantenphysik
1. Photoeffekt
a) h-Bestimmung (mit Photozelle)
b) Intensitätsunabhängigkeit der Elektronenenergie (mit Photozelle)
c) h-Bestimmung (mit Leuchtdioden)
2. Compton-Effekt
a) Zusammenhang Wellenlängenänderung und Streuwinkel (mit Röntgengerät mit MoAnode, Streukörper, Detektor, Goniometer)
3. Elektronenbeugung
a) Messungen zur Elektronenbeugung (mit Elektronenbeugungsröhre)
4. Unschärferelation
a) Unschärferelation von Photonen (mit Hg-Lampe, Glimmerblatt und Rowland-Gitter)
III. Thermodynamik
a) Geschwindigkeitsverteilung in Gasen (mit Modellgas und Motor)
b) p-V-Diagramm eines Kreisprozesse (z. B. mit Stirlingmotor)
c) Kirchhoff´sches Strahlungsgesetz
d) Gesetz von Stefan-Boltzmann
e) Umwandlung von mechanischer in Wärmeenergie
f)
Heizwertbestimmung von Flüssigkeiten
IV. Elektro- und Magnetostatik
1. Coulomb´sches Gesetz
a) Coulomb´sches Gesetz (mit Elektrofeldmeter)
b) Coulomb´sches Gesetz (mit Drehwaage nach Schürholz)
c) Coulomb´sches Gesetz (mit elektronischer Kraftmessung)
d) Bestimmung der dielektrische Konstanten von Materialien (mit Kondensator)
e) Q = CU (mit Kondensator)
f)
Bestimmung der Elementarladung (mit Millikan-Gerät)
281
2. Halleffekt
a) Messungen zum Halleffekt (mit Metallplättchen)
b) Messungen zum Halleffekt (mit Halbleiternplättchen)
3. Magnetfelder
a) Lorentzkraftformel (mit Stromwaage)
b) Hysteresekurve von ferromagnetischen Materialien (mit U-Kern, Spulen und Hallsonde)
c) Bestimmung des B-Feldes einer Zylinderspule (mit Hallsonde)
d) Bestimmung des B-Feldes eines Drahtes (mit Hallsonde)
e) Bestimmung des B-Feldes einer Ringspule (mit Hallsonde)
4. Ladungsträgerbewegung im E- und B-Feld
a) Messungen zur Bahnkurve von Elektronen (mit Elektronenstrahlröhre)
b) Wien´scher Geschwindigkeitsfilter (mit Elektronenstrahlröhre und Helmholtz-Spulenpaar)
c) e/m-Bestimmung (mit Fadenstrahlrohr)
5. Induktion
a) Induktionsgesetz für A = konst. (mit Dreiecksgenerator, Feld- und Induktionsspule)
b) Induktionsgesetz für B = konst. (mit Induktionsschlitten)
V. Stromkreise und Elektronik
1. Stromkreise und Bauelemente
a) Zeit-, Frequenz und Amplitudenmessungen von Signalen (mit Oszilloskop)
b) Lade- und Entladekurve eines Kondensators (mit RC-Schaltung)
c) Ein- und Ausschaltkurve einer Spule (mit RL-Schaltung)
d) Resonanzfrequenz 1-Hz-Schwingkreis (mit Spule großer Induktivität)
e) Phasenverschiebungen und Amplituden in Wechselstromkreisen (mit RLC-Schaltungen)
f)
Messung am Transformator im Leerlauf (mit Transformator)
g) Messungen am Transformator bei Belastung (mit Transformator)
2. Halbleiterbauelemente
a) Kennlinie von Dioden
b) Kennlinien von Transistor
c) Kennlinie einer Solarzelle
3. Halbleiterschaltungen
a) Übertragungsfunktion eines DA-Wandlers
b) Übertragungsfunktion eines AD-Wandlers
c) Übertragungsfunktion von Verstärkerschaltungen (mit Operationsverstärker)
VI. Elektromagnetische Wellen
1. Mikrowellen
a) Wellenlängenbestimmung bei stehenden Mikrowellen (mit Metallplatte und Mikrowellensender)
b) Brechungsgesetz (mit verschiedenen Objekten und Mikrowellensender)
2. Lichtgeschwindigkeit
a) Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Luft (mit gepulster Leuchtdiode)
b) Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Wasser (mit gepulster Leuchtdiode)
c) Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Luft (nach Foucault)
3. Interferenz von Licht
a) Messungen zur Interferenz an dünnen Schichten (mit planparalleler Glimmerplatte)
b) Messungen zu Newton´schen Ringen (mit plankonvexer Linse)
c) Messungen zur Zweistrahlinterferenz (mit Fresnel´schem Doppelspiegel)
d) Messung des Brechungsindex von Gasen und Flüssigkeiten (mit MichelsonInterferometer)
e) Messung der Kohärenzlänge (mit Michelson-Interferometer)
f)
Messung der Lichtwellenlänge (mit Michelson-Interferometer)
g) Messungen zum optischen Dopplereffekt (mit Michelson-Interferometer)
h) Messungen zum Faraday-Effekt (mit Michelson-Interferometer)
4. Beugung von Licht
a) Messungen (mit Spalt)
b) Messungen (mit Doppelspalt)
282
c) Messungen (mit Gitter)
d) Messungen (mit zweidimensionalen Beugungsstrukturen)
e) Messung der Intensitätsverteilung hinter Beugungsobjekten (z. B. mit Fototransistor)
f)
Bestimmung des Auflösungsvermögens (mit 2 Lichtquellen und Kreisblende)
5. Sonstige
a) Bestimmung der Kerrkonstanten beim Kerr-Effekt (mit Nitrobenzol oder PLZT-Keramik)
VII. Atomphysik
1. Quantenhafte Absorption und Emission
a) Energieabstand im Ne-Atom (mit Franck-Hertz-Versuch)
b) Energieabstand im Hg-Atom (mit Franck-Hertz-Versuch)
c) Absorptionsspektren von Metalldämpfen (Na, Ba, ...)
d) Emissionsspektren von Gasen (Hg, Ne, ..)
e) Balmerserie des Wasserstoffatoms (mit hochauflösendem Gitter)
f)
Resonanzabsorption von Natrium (mit Natriumdampf)
2. Zeemann-Effekt
a) Beobachtung (mit Cadmiumlampe und Lummer-Gehrcke-Platte)
b) Beobachtung (mit Cadmiumlampe und Fabry-Perot-Etalon)
3. Elektronenspinresonanz
a) Zusammenhang Resonanzmagnetfeldstärke und Resonanzfrequenz (mit ESR-Gerät)
b) Resonanzabsorption eines passiven Schwingkreises (mit ESR-Gerät)
4. Röntgenstrahlung
a) Aufnahme des Röntgenspektrums von Metallen (mit Röntgengerät und Braggmethode)
b) Bestimmung von Netzebenenabständen (mit Röntgengerät und Debye-SchererVerfahren)
c) Bestimmung von Netzebenenabständen (mit Röntgengerät und Braggmethode)
d) Symmetrie und Orientierung von Kristallgittern (mit Röntgengerät und Laue-Verfahren)
e) Zusammenhang zwischen Beschleunigungsspannung und minimaler Wellenlänge im
Röntgenspektrum (mit Röntgengerät und Braggmethode)
f)
Absorptionsgesetz für Röntgenstrahlen (mit Röntgengerät)
g) Moseley-Gesetz und Rydbergkonstante (mit Röntgengerät)
h) Röntgenfluoreszenzanalyse von Metallen (mit Röntgengerät)
5. Sonstige
a) Stern-Gerlach-Versuch (z. B. mit Kaliumatomen und Magnetfeld)
b) Auflösung atomarer Strukturen (mit Rastertunnelmikroskop)
c) Tunnelstrom in Abhängigkeit vom Abstand (mit Rastertunnelmikroskop)
VIII. Kernphysik
1. Rutherfordscher Streuversuch
a) Winkelabhängigkeit N(ϑ) der Streurate (mit Apparatur zum Rutherfordschen Streuversuch)
b) Bestimmung der Kernladungszahl (mit Apparatur zum Rutherfordschen Streuversuch)
2. Radioaktive Strahlung
a) Reichweite von α-Teilchen in Luft (mit Ionisationskammer)
b) Energieverlust von α-Teilchen in Luft (mit Vielkanalanalysator)
c) Absorptionsgesetz und -konstante (mit ß-Strahler und Geiger-Müller-Zählrohr)
d) Absorptionsgesetz und -konstante (mit γ-Strahler und Geiger-Müller-Zählrohr)
3. Detektoren
a) Kennlinie einer Ionisationskammer (mit Ionisationskammer)
b) Kennlinie eines Geiger-Müller-Zählrohres (mit Geiger-Müller-Zählrohr)
4. Radioaktiver Zerfall
a) Zerfallsgesetz und Halbwertszeit (mit Isotopengenerator)
b) Radioaktives Gleichgewicht (mit Isotopengenerator)
c) Zerfallsstatistik (mit geeigneten Präparaten)
5. Spektren
a) Aufnahme eines α-Spektrums (mit Halbleiterdetektor)
b) Aufnahme eines Feinstruktur-α-Spektrum (mit Silizium-Oberflächensperrschichtdetektor)
283
284
a) Aufnahme eines β-Spektrum (mit Ablenkung durch Magnetfeld)
b) Aufnahme eines γ-Spektrum (mit Szintilisationsdetektor)
c) NMR (mit NMR-Betriebsgerät)
IX. Festkörperphysik
a) Sprungtemperatur und Widerstand von Supraleitern
b) Bestimmung des Bandabstands eines Halbleitermaterials (mit Temperaturabhängigkeit
der Leitfähigkeit)
X. Chaotische Vorgänge
a) Chaotischer Wasserhahn
b) Chaotischer elektrischer Schwingkreis
c) Chaotisches Drehpendel
Frage B:
0
1
2
3
Wie häufig haben Sie die in Frage A mit 1 angegebenen Versuche in bisherigen
Grundkursen durchgeführt? (eine Antwortmöglichkeit)
habe nie oder sehr selten Grundkurse
in keinem Grundkurs
nicht in jedem Grundkurs
in jedem Grundkurs
Frage C:
1
2
3
4
5
6
7
8
Warum führen Sie die in Frage B mit 1 angegebenen Versuche nicht durch? (mehrere Antwortmöglichkeiten)
zu zeitaufwendig in der Vorbereitung
zu zeitaufwendig in der Durchführung
zu gefährlich in der Durchführung
liefert schlechte Messergebnisse
bin nicht fit auf dem Gebiet
veraltete Versuchsapparatur
didaktisch nicht sinnvoll
sonstiges
Frage D:
0
1
2
3
Wie häufig haben Sie die in Frage A mit 1 angegebenen Versuche in bisherigen
Leistungskursen durchgeführt? (eine Antwortmöglichkeit)
habe nie oder sehr selten Leistungskurse
in keinem Leistungskurs
nicht in jedem Leistungskurs
in jedem Leistungskurs
Frage E:
1
2
3
4
5
6
7
8
Warum führen Sie die in Frage D mit 1 angegebenen Versuche nicht durch? (mehrere Antwortmöglichkeiten)
zu zeitaufwendig in der Vorbereitung
zu zeitaufwendig in der Durchführung
zu gefährlich in der Durchführung
liefert schlechte Messergebnisse
bin nicht fit auf dem Gebiet
veraltete Versuchsapparatur
didaktisch nicht sinnvoll
sonstiges
Frage F:
1
2
3
4
5
Welche der folgenden Physikmedien haben Sie zum Versuchsthema als Ersatz für
den Versuch oder parallel dazu eingesetzt? (mehrere Antwortmöglichkeiten)
Videoanalyse
Interaktives Bildschirmexperiment (IBE)
Messvideo
Simulation (Applets, Physlets, Simulationsprogramme)
Remotely Controlled Laboratory (RCL)
XI ANHANG zu KAPITEL IV
XI
ANHANG zu KAPITEL IV
XI.1
Interface in Basisschaltung
XI.1.1
Schaltplan und Bauteilliste
285
Abb. 87 zeigt den Schaltplan der Basisschaltung des Interface und Tab. 57 die dazugehörige
Bauteilliste:
Abb. 87: Basisschaltung des Interface.
Anzahl
Kurzbeschreibung des Bauteils
Best.-Nr. bei Reichelt
electronic
Einzelpreis
in €
1
Epoxyd-Platine (190x112 mm) mit Anteil Lötpunktraster (Spezialanfertigung)
-
≈ 10
1
1
Epoxyd-Fotoplatine, einseitig, 160x100 mm, 1,5 mm, 35 µm
Epoxyd-Lochrasterplatine, 160x100 mm, 1,5 mm, 35 µm
BEL 160x100-1
UP 832EP
1,70
4,20
1
1
Hohlstecker-Einbaubuchse, gewinkelt, Lötfahnen, 2,1 mm
2
1
D-SUB-Stecker, 9-polig, gewinkelt, RM 9,4
3
1
Schottky-Diode, DO41, 40 V, 1 A
4
1
Draht von abgeschnittenem Beinchen aus Pos.-Nr. 3
5
1
IC-Sockel, 16-polig, superflach, gedreht, vergoldet
6
1
IC-Sockel, 40-polig, superflach, gedreht, vergoldet
7
1
2x10-pol.-Stiftleiste, gerade, RM 2,54
8
1
9
1
Nr.
0
HEBW 21
0,18
D-SUB ST 09EU
0,29
SB 140
0,08
-
-
GS 16P
0,29
GS 40P
0,61
SL 2X10G 2,54
0,07
Metallschichtwiderstand, 100 kΩ
Metall 100k
0,082
Elektrolytkondensator, 10x16 mm, 470 µF, RM 5,0 mm
RAD 470/25
0,06
286
10
1
Elektrolytkondensator, 6,3x11 mm, 100 µF, RM 2,5 mm
RAD 100/16
0,04
11
5
Elektrolytkondensator, 5x11 mm, 10 µF, RM 2,0 mm
RAD 10/35
0,04
12
2
Keramik-Kondensator 33 pF
Kerko 33p
0,06
13
3
Vielschicht-Keramikkondensator, 100 nF, 20 %
14
1
Standardquarz, Grundton, 11,0592 MHz
15
1
16
Z5U-2,5 100n
0,04
11,0592-HC49U-S
0,18
Spannungsregler, 1 A positiv, TO-220
µA 7805
0,28
1
Kühlkörper für Gehäuse TO-220, 9,9K/W
V FI356
0,66
17
1
Zylinderkopfschraube, Schlitz, M3, 10 mm für Kühlkörper
M3x10mm
1,60
18
2
Sechskantmutter, M3 für Kühlkörper
19
1
20
SK M3
0,01
Stecker-Schaltnetzteil, 12 V, 2250 mA
MW 3IP25GS
11,50
1
RS232-Driver, DIL-16
MAX 232 CPE
0,41
21
1
ATmega AVR-RISC-Controller, DIL-40
ATmega16-16 DIP
4,20
22
3
10-poliger Wannenstecker, RM 2,54, stehend (optional)
WSL 10G
0,09
23
1
14-poliger Wannenstecker, RM 2,54, stehend (optional)
WSL 14G
0,14
24
1
40-polige Stiftleiste 1-reihig, gerade, RM2,54 (optional)
SL 1x40G 2,54
0,23
25
1
Kunststoffgehäuse 198,2x112,4x76,0 mm (Serientyp 202)
-
≈ 10 €
26
1
D-SUB Nullmodem-Kabel, 9-pol., BU/BU, 3 m
AK 143
1,55
27
x
DIN-Einbaubuchse, 5-pol., Schraubver., 360° (optional)
DIO-50W EMS
1,85
28
x
DIN-Einbaubuchse, 8-polig, Schraubversch., 270° (optional)
DIO-80SN EMS
1,80
29
x
Pfostenstecker, 10-polig, mit Verrieglung, gew. (optional)
PSL 10W
0,28
30
x
Klemmleiste, RM 2,54, Öffnungshebel, 8-polig (optional)
Wago 233
2,20
Tab. 57: Bauteilliste mit Bestellnummer und Einzelpreisen der Bauelemente bei Reichelt electronic
(Stand 23.10.2010).
Anhand der Bauteilliste in Tab. 57 können die elektronischen Bauelemente der Basisschaltung Nr. 0 – 21 und optional Nr. 22 - 24 bei Reichelt electronic bestellt werden. Das Gehäuse
des Interface in Tab. 57 unter Nr. 25 muss vom Hersteller HAGOTECH GmbH bezogen werden. Weiterhin wird ein Nullmodemkabel zur Verbindung des Interface mit dem Computer
benötigt. Sensoren und Aktoren des Experiments können nach Tab. 57 unter Nr. 27 – 30 mit
optionalen Steckverbindern und entsprechende Kabelverbindungen an das Interface angeschlossen werden. Die Nummern 0 - 25 in Tab. 57 stimmen mit der angegebenen Bestückungsreihenfolge auf der Platine überein. Das Interface kostet in der Basisschaltung ca. 50
€.
XI.1.2
287
Bestückung der Platine
Abb. 88 zeigt zur Bestückung der Platine benötigte Werkzeuge:
Abb. 88: Werkzeuge zur Bestückung der Platine des Interface.









Lötkolben mit feiner Spitze in Meißelform 2 mm oder Lötstation (1)
Lötzinnabsauger zum Entfernen von Lötzinn (2)
Nasser Schwamm zum Reinigen der Spitze des Lötkolbens (3)
Lötzinn mit Durchmesser 0,8 - 1,0 mm (4)
Flachspitzzange zum Biegen von Anschlüssen der Bauelemente (5)
Seitenschneider zum Kürzen der Beinchen von Bauelementen (6)
Multimeter zum Prüfen der Funktionsfähigkeit der Schaltung (7)
Sekundenkleber zur Befestigung von Bauelementen
Kleine Bohrmaschine z. B. von Dremel und 0,8 mm Bohrer oder dünne Rundfeile zum
Weiten von Löchern auf der Platine des Interface
Abb. 89 zeigt die Platine des Interface von der Lötseite in der Spezialanfertigung der Elektronik-Werkstatt an der Technischen Universität Kaiserslautern und in der Selbstbauvariante
nach Tab. 57 unter Nr. 0. Abb. 90 zeigt das Platinenlayout:
Abb. 89: Platine des Interface von der Lötseite als Spezialanfertigung (links) und der Selbstbauvariante
(rechts).
288
Abb. 90: Layout zur Herstellung des geätzten Teils der
Platine in der Selbstbauvariante.
In der Selbstbauvariante kann anhand des Platinenlayouts eine selbst geätzte Platine für die
Basisschaltung auf einer Platine im Europakartenformat hergestellt und diese in der Länge
gekürzt werden. Eine gekürzte Lochrasterplatine bildet den zweiten Teil der Platine.
Mit den optionalen vier Wannensteckern nach Tab. 57 unter Nr. 22 - 23 oder den vier Stiftleisten nach Tab. 57 unter Nr. 24 an den Ports des Mikrocontrollers können leicht elektrische
Verbindungen zum Rasterteil der Platine herstellt werden. Abb. 91 zeigt die fertig bestückte
Platine mit den Nummern aus Tab. 57:
Abb. 91: Bestückte Platine des Interface mit nummerierten Bauelementen.
Tab. 58 beschreibt das Einlöten der elektronischen Bauelemente anhand der Nummern aus
Tab. 57 und in der angegebenen Reihenfolge:
Nr.
0
Bauelement
289
Beschreibung des Einbaus
Spezialanfertigung und Selbstbauvariante der EpoxydharzPlatine
 Wenn die Lötbeine nicht durch die Löcher der Platine passen, die Löcher mit
einer runden Schlüsselfeile aufweiten.
 Stromversorgungsbuchse mit Sekundenkleber vor dem Festlöten auf der Platine fixieren, da diese mechanischen Belastungen durch das Einstecken und
Herausziehen des 12 V -Steckers ausgesetzt ist.
1
Stromversorgungsbuchse –
Hohlstecker 2,1 mm
 Wahlweise kann die 2,5 mm-Version der Buchse verwendet werden.
 RS232 Datenstecker mit Sekundenkleber vor dem Festlöten auf der Platine
fixieren, da dieser mechanischen Belastungen durch das Einstecken und
Herausziehen des Null-Modem-Kabels ausgesetzt ist.
2
 Alle Beinchen und Befestigungsstifte zur höheren Stabilität anlöten.
RS232 Datenstecker
 Ein Ring an einer Seite der Diode (hier links, weiß) zeigt die Durchlass- bzw.
Sperrrichtung der Diode an. Die Position des Ringes entspricht der Position
des Balkens im Schaltungssymbol.
3
Diode – SB140
4
Drahtbrücke
5
6
IC-Fassungen
7
ISP-Stiftleiste
 Auf der Platine muss der Ring auf der von der Stromversorgungsbuchse abgewandten Seite liegen.
 Vor dem Einlöten des 40-poligen IC-Sockels (Nr. 5) muss eine Drahtbrücke
unter diesem eingelötet werden. Dazu können die abgeschnittenen Beinchen
der bereits eingelöteten Diode (Nr. 3) verwendet werden.
 Die 16-polige und 40-polige IC-Fassungen besitzen eventuell eine Markierung für Pin1 (z. B. Kerbe in der Stirnseite, Punkt, Pfeil…) als Hilfe für das
richtige Einstecken der ICs. Die Markierungen müssen bei beiden Fassungen
nach oben, also zum nächstliegenden Rand der Platine, zeigen.
 Die ICs unbedingt noch nicht einstecken.
 Die doppelreihige ISP-Stiftleiste dient der Programmierung des Mikrocontrollers mit dem AVR-ISP-Programmer (ISP steht für In System Programming).
 ISP-Stiftleiste auf 2 x 5 Stifte kürzen und mit den kurzen Beinchen einlöten,
so dass auf die langen Stifte der AVR-ISP-Programmer gesteckt werden
kann.
 Den 100 kΩ-Widerstand rechts neben der ISP-Stiftleiste einlöten.
8
Widerstand 100 kΩ
 Bei den verwendeten Elektrolyt-Kondensatoren ist die Polung zu beachten
(langes Beinchen = Plus-Pol). Weiterhin ist auf den Kondensatoren ein weißer Streifen mit "Minus"-Zeichen aufgedruckt. Die Kondensatoren sollten eine
Spannungsfestigkeit von mindestens 16 V, besser 25V besitzen.
 Auf der Kupferseite der Platine zeigt die Form der Lötaugen die Polung an:
Rundes Lötauge = Plus, quadratisches Lötauge = Minus.
9
 Der 470 µF Kondensator wird mit dem weißen Streifen in Richtung Stromversorgungsbuchse direkt unter diese montiert.
10
 Der 100 µF Kondensator sitzt direkt unter der 16-poligen IC-Fassung. Sein
weißer Streifen (Minus-Pol) zeigt in Richtung der Stromversorgungsbuchse.
11
Elkos
 Vier der 10 µF Kondensatoren werden links neben der 16-poligen IC-Fassung
montiert. Deren Polung ist wie folgt: Unterster Kondensator Minus nach oben,
nächster Kondensator Minus nach unten, die beiden oberen Kondensatoren
mit Minus nach oben.
 Ein weiterer 10 µF Kondensator wird rechts neben die 16-polige IC-Fassung
gelötet. Sein "Minus-Streifen" zeigt nach unten.
290
 Die Beschriftung 104 bedeutet 10e4 pF = 100 nF.
12
 Die beiden 33 pF-Kerkos (Keramik-Kondensatoren) werden direkt nebeneinander rechts neben die 16-polige IC-Fassung gelötet.
13
 Zwei 100 nF-Kondensatoren werden unter dem 470 µF-Elko eingelötet, ein
weiterer mittig an der linken Seite der 40-poligen IC-Fassung.
Keramik-Kondensatoren
 Als Quarz wird ein 11,0592 MHz-Typ verwendet. Bei dieser Frequenz ist eine
fehlerfreie Kommunikation über RS232 mit 9600 Baud möglich. Für den ATmega16 können Quarze bis 16 MHz eingesetzt werden. Details siehe Datenblatt.
14
 Der Quarz wird direkt rechts neben die beiden 33 pF-Kerkos gelötet. Die Orientierung des Quarz spielt keine Rolle.
Quarz
 Der Spannungsregler L7805 erzeugt eine stabilisierte Spannung von 5 V. Es
muss ein Kühlkörper zur Wärmeabfuhr vom Spannungsregler verwendet
werden.
16
17
Wärmeleitpaste
L7805
Schraube
15
Kühlkörper
Beinchen
18
Platine
Löten
1. Mutter
2. Mutter
 Vor dem Einlöten zwischen Spannungsregler und Kühlkörper etwas Wärmeleitpaste aufgetragen. Beide Bauteile fest mit einer Schraube M3x10 und einer 1. Mutter verschrauben.
 Dann den Spannungsregler einlöten, um 90° abzubiegen, das überstehende
Gewinde durch das vorgesehene Loch stecken und alles mit einer 2. Mutter
auf der Platine befestigen.
Spannungsregler L7805, Kühlkörper und Montage
Funktionskontrolle vor dem Einsetzen des Mikrocontrollers
 Polung der Elektrolyt-Kondensatoren (Elkos) prüfen.
 Sind alle Beinchen angelötet? Hat das Lötzinn an den Beinchen und der Platine guten Kontakt? Sind eventuell zwei benachbarte Beinchen unbeabsichtigt
durch Lötzinn verbunden? Alle Lötverbindungen nochmals genau z. B. mit einer Lupe prüfen.
19
Steckernetzteil
 Probeweise das Stecker-Netzteil an die Buchse anschließen: Am 100 nFKondensator links mittig der 40-poligen IC-Fassung müssen 5 V anliegen.
 Versorgungsspannung unbedingt wieder von der Platine trennen.
 Die Nuten auf den ICs am linken Rand müssen nach oben zeigen, d. h. Pin1
ist bei beiden ICs in der Abbildung links unten und auf der Platine oben links.
20
 Manchmal passen die Beinchen der ICs nicht in die Fassung, weil die Fassung scheinbar zu schmal ist. Dann den IC seitlich mit einer Beinchen-Reihe
flach auf den Tisch legen, den IC-Körper links und rechts greifen und Beinchen durch leichten Druck biegen. Einzelne verbogene Beinchen vorsichtig
mit einer kleinen Flachzange richten.
21
ICs MAX232 und ATmega16
 Wannenstecker an den vorgesehenen Stellen mit der Nut gegen Verpolung in Richtung des näherliegenden Platinenrands einlöten.
22
23
 Die Abbildung rechts zeigt die PinBelegung der Wannenstecker.
Wannenstecker 10- und 14-polig
24
Stiftleiste 8-polig
 40-pol. Stiftleiste in 4 jeweils 8-polige Stücke zerteilen und einlöten.
291
 In der Selbstbauvariante der Platine (Nr. 0) vor dem Einsetzten der Platine in
das Gehäuse passend positionierte Kunststoffstege am Gehäuseboden festkleben.
25
Kunststoffgehäuse
Tab. 58: Bestückung der Platine des Interface mit Bauelementen.
XI.2
Erweiterungsschaltungen
XI.2.1
Übersicht
In Tab. 59 sind von RCLs des RCL-Portals Sensoren und Aktoren mit den dazugehörigen
Erweiterungsschaltungen zusammengestellt. Da alle RCLs obligatorisch über mindestens eine Webcam verfügen, sind diese unter den Sensoren nicht aufgeführt. Die wenigen Erweiterungsschaltungen für Sensoren sind unter Sensoren in Klammern aufgelistet. Unter Aktoren
werden außer elektro-mechanischen Wandlern auch gesteuerte Geräte oder Bauelemente
verstanden. Anzeigeinstrumente sind unter Aktoren nur aufgeführt, wenn sie direkt vom Interface gesteuert werden. Die Schaltpläne der mit * gekennzeichneten Erweiterungsschaltungen sind in Staatsexamensarbeiten (← Anhang X.7, ▪ Staatsexamensarbeiten) zu finden,
alle anderen Schaltpläne sind bei den Autoren des Tutorials erhältlich. Mit ** gekennzeichnete Erweiterungsschaltungen befinden sich außerhalb des Interface.
RCL
Beugung und
Interferenz I
Beugung und
Interferenz II
Sensoren
 Referenz-Taster
 4 Referenz-Taster
 Lichtsensor
Elektronenbeugung
Fotoeffekt
 Photozelle
Halbleiterkennlinien*
und
 Referenz-Taster
Halbleiterkennlinien - Schülerprojekt
Heißer Draht
 4 Endtaster
 4 Drehgeber
 Kurzschlusssensor
 Drehimpulsgeber
 2 Taster an Enden
der Eisenbahnstrecke
Aktoren
Erweiterungsschaltungen
für Aktoren
 Schrittmotor (Rotation)
 Laser-Modul
 Geschaltete Spannungsversorgung
 4 Schrittmotoren (Translation)
 4 Schrittmotorsteuerungen
 5 Laser-Module
 LED für Position des
Lichtsensors
 LED für Linealbeleuchtung
 Hochspannungsnetzgerät
 Hochspannungsnetzgerät
 Steuerung der Hochspannung
 2 Schrittmotoren (Rotation)
 Quecksilberdampflampe
der Drossel für Quecksilberdampflampe
 Oszilloskop
 Oszilloskop
 Instrumentenverstärker für X- und
Y-Ablenkung
 Multimeter
 Steuerung Spannungs- oder Stromanzeige
 4 Gleichstrommotoren
 4 Treiber
 Zweifarbige LED
 Steuerung der LED-Farbe
 2 Schrittmotoren
 Oszilloskop
 Motor der Lokomotive
 Steuerung des Ein- und Ausschaltens und der Bewegungsrichtung
Maut
MillikanVersuch*
Optische Computertomographie*
 Infrarot-Sensor
 2 Lichtsensoren
Optische Fou 2 Referenz-Taster
rierTransformation*
Oszilloskop*
Radioaktivität*
Roboter im
Labyrinth
 Geiger-MüllerZählrohr
 Infrarot-Sensor
Rutherfordscher
 Halbleiterdetektor
Streuversuch*
(Impulsformer**)
Weltpendel*
Windkanal*
 Referenz-Taster
 Lichtsensor der
Lichtschranke (Impulsformer**)
 Temperatursensor
 Referenz-Taster
 Dehnungsmessstreifen (Wheatstone´sche Brücke,
Messverstärker,
Multimeter)
292
 Gleichstrommotor
 Geschaltete Spannungsquelle
 2 IR-Fernbedienungen
 Spannungsregler
 2-stellige 7-Segmentanzeige
 LED-Treiber**
 Lichtquelle (LED) für MillikanKondensator
 Airbrush-Kompressor
 Magnetventil
 Millikan-Kondensator
 Gesteuertes Hochspannungsmodul
 Schrittmotor (Translation)
 2 Laser-Module
 2 geschaltete Spannungsversorgungen
 Laser-Modul
 Oszilloskop
 Signalgenerator
 Steuerung der Signalart
 4-stellige 7-Segment-Anzeige
 Treiber**
 Elektromagnet
 2 Schrittmotorsteuerung
 Infrarot-Sender
 Treiber
 4-stellige 7-Segment-Anzeige
 Treiber**
 Elektromagnet
 Laser der Lichtschranke
 Gebläsemotor
und Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation
 Anemometer
 Multimeter
Tab. 59: Sensoren, Aktoren und Erweiterungsschaltungen der RCLs des RCL-Portals.
XI.2.2
TMC222-Modul zur Schrittmotorsteuerung
XI.2.2.1
Schaltplan und Bauteilliste
293
Abb. 92 zeigt die Beschaltung des TMC222 von Trinamic auf dem TMC222-Modul:
Abb. 92: Beschaltung des TMC222 von Trinamic.
Anhand der Bauteilliste in Tab. 60 können die elektronischen Bauelemente des TMC222Moduls bei Reichelt electronic bestellt werden. Ein TMC222-Modul kostet ungefähr 10 €.
Kurzbeschreibung des Bauteils
Best.-Nr. bei Reichelt
electronic
Einzelpreis
in €
BEL75X100-1
0,96
Nr.
Anzahl
0
1
Epoxyd-Fotoplatine, einseitig, 75x100 mm, 1,5 mm, 35 µm
1
1
Integrierter TMC-Schrittmotor-Controller
TMC 222 SI
≈7
2
1
Elektrolytkondensator, 8x11 mm, Rm 3,5 mm, 100 µF/35 V
RAD 100/35
0,04
3
1
Tantal-Kondensator, Rm 2,5, 1,0 µF/35 V
Tantal 1,0/35
0,14
4
2
Vielschicht-Keramikkondensator 220 nF, 20 %
Z5U-2,5 220N
0,11
5
3
Vielschicht-Keramikkondensator 100 nF, 20 %
Z5U-2,5 100N
0,04
6
2
Metallschichtwiderstand 1,00 kΩ
Metall 1,00K
0,082
7
1
1x36pol. Stiftleiste, gewinkelt, Rm 2,54
SL 1X36W
0,27
8
1
1x36pol. Buchsenleiste, gerade, Rm 2,54
BL 1X36G
0,25
Tab. 60: Bauteilliste mit Bestellnummer und Einzelpreisen der Bauelemente bei Reichelt
electronic (Stand 23.10.2010).
XI.2.2.2
294
Abb. 93 zeigt die fertig bestückte Platine mit den Nummern aus Tab. 60:
Abb. 93: Bestückte Platine des TMC222-Moduls
mit nummerierten Bauelementen.
Die Platine (35 mm x 30 mm) kann anhand des Layouts in Abb. 94 hergestellt werden. Der
IC TMC222 wird auf der Lötseite der Platine aufgelötet. Das TMC222-Modul kann mit der
Stiftleiste nach Tab. 60 unter Nr. 7 in eine Buchsenleiste nach Tab. 60 unter Nr. 8 auf die
Platine des Interface gesteckt werden.
Abb. 94: Platine des TMC222-Moduls von der Lötseite (links) und Layout.
XI.2.2.3
Quellcode des Mikrocontroller-Programms
Im Folgenden ist der in Pascal erstellte Quellcode zum ansteuern des Schrittmotormoduls
durch den Mikrocontroller angegeben:
$regfile = "m16DEF.dat"
$crystal = 11059200
$baud = 9600
'****Definitionen:****
Config Scl = Portc.0
Config Sda = Portc.1
Const Adress = &B11000000
Const GetFullstatus1 = &B10000001
'Taktleitung
'Datenleitung
'I2C Adresse des TMC222
'Kommando des TMC222
Const Resetpos = &B10000110
Const Motorparameter = &B10001001
Const Setposition = &B10001011
Dim Puffer(10) As Byte
'****Programm:****
I2csend Adress , GetFullstatus1
I2creceive Adress , 7 , Ack
Puffer(1)
Puffer(2)
Puffer(3)
Puffer(4)
Puffer(5)
Puffer(6)
= Motorparameter
= 255
= 255
= &B11110011
= &B01110001
= &B00010000
Puffer(7) = 0
Puffer(8) = &B00001100
I2csend Adress , Puffer(1) , 8
295
'GetFullstatus1 (Initialisierung des TMC222)
'Daten in Puffer auslesen
'puffer auffüllen
'nicht belegt
'nicht belegt
'1111:irun; 0011:ihold
'0111:vmax; 0001:vmin
'000:securepos(bit10-8); 1:shaft;
'0000:acceleration
'securepos(bit7-0)
'000:nicht belegt; 0:accshape; 11:stepmode; 00:nicht belegt
I2csend Adress , Resetpos
'aktuelle Position auf 0 setzen
Puffer(1) = Setposition
Puffer(2) = 255
Puffer(3) = 255
Puffer(4) = &B01111111
Puffer(5) = &B11111111
I2csend Adress , Puffer(1) , 5
'Motor bewegen
'nicht belegt
'nicht belegt
'position(bit 15-8)
'position(bit 7-0)´
End
XI.2.3
Geschaltete Spannungsquellen und Verbraucher
Die Ausgänge des Mikrocontrollers dürfen nur mit Strömen kleiner als ungefähr 20 mA belastet werden. Verbraucher mit einer Stromlast größer als 20 mA können daher nicht direkt an
den Mikrocontroller angeschlossen werden. Abb. 95 zeigt links eine Schaltung zum Schalten
einzelner Verbraucher wie z. B. des Relais und rechts eine Schaltung mit dem IC ULN2803A
zum Schalten mehrerer Verbraucher wie z. B. Glühlampen:
Abb. 95: Erweiterungsschaltungen zum Schalten eines (links) oder
mehrerer Verbraucher (rechts).
Zu beachten ist, dass der Transistor BC337 maximal 800 mA schalten kann und für größere
Ströme andere Transistoren verwendet werden müssen.
XI.2.4
296
Steuerung von Gleichstrommotoren
Sollen Gleichstrommotoren zum Bewegen von Objekten mit dem Mikrocontroller gesteuert
werden, dann eignet sich dazu der in Abb. 96 dargestellte, beschaltete IC L293D:
Abb. 96: Beschaltung des L293D zum
Steuern zweier Gleichstrommotoren.
Mit Pin 1 = Pin 9 = 1 (High) können zwei Gleichstrommotoren M1 und M2 (Versorgungsspannung U M < 36 V, Spulendauerstrom I M < 600 mA) unabhängig voneinander einund
ausgeschaltet sowie in der Drehrichtung über die Ports PA0 und PA1 für M1 und PA2 und
PA3 für M2 gesteuert werden. Z. B. gilt mit PA0 = PA1 = 0 (M1 ausgeschaltet), PA0 = 1 und
PA1 = 0 (M1 dreht sich), PA0 = 0 und PA1 = 1 (M1 dreht sich in Gegenrichtung).
XI.3
Quellcodes zum RCL Elektronenbeugung
XI.3.1
Mikrocontroller-Programmierung
297
Die hervorgehobenen Abschnitte des Quellcodes in Pascal sind spezifisch für das RCL
Elektronenbeugung, alle anderen Teile sind für alle RCLs identisch:
298
299
300
XI.3.2
301
PHP-Programmierung
Die hervorgehobenen Abschnitte des Quellcodes in Pascal sind spezifisch für das RCL
Elektronenbeugung, alle anderen Teile sind für alle RCLs identisch:
302
XI.3.3
303
Bedienfeld der Laborseite
Tab. 61 erläutert die Funktion der Blöcke im Quellcode:
Zeilen
Funktion
1
Datei "default.conf" einbinden
2
Datei "head.tpl" einbinden
5 - 11
Ausgabe der verbleibenden Experimentierzeit
18 - 21
Button zum Einschalten der Elektronenbeugungsröhre
28 - 30
Eingabefeld für die Beschleunigungsspannung
37
Rückmeldung zur eingegebenen Beschleunigungsspannung
42
Datei "foot.tpl" einbinden
Tab. 61: Funktion der Programmblöcke in der Datei experiment.tpl.
XI.3.4
304
Webcamfeld der Laborseite
In Tab. 62 ist die Funktion der Programmblöcke und die Anpassungen der Vorlage an das
RCL Elektronenbeugung beschrieben:
Zeilen
5
Funktion
Anpassung RCL Elektronenbeugung
 Titelangabe erscheint als Tabulatorbeschriftung in  Name des RCLs eintragen
Browsern
11 - 15
16 - 20
 Zwei Javascripts zum getrennten Aufrufen zweier Po-  Javascript 1 die IP-Adresse eintragen
pup-Fenster mit dargestelltem Webcambildern 1 und 2  Javascript 2 auskommentiert, weil nicht benötigt
24 - 40
42 - 60
 Zwei Javascripts zum Aktualisieren der Webcambilder  Javascript 2 auskommentiert, weil nicht benötigt
1 und 2
67 - 71
79 - 83
 Aufrufen des ersten Webcambilds der Webcams 1 und  Webcambild 2 auskommentiert, weil nicht benötigt
2 beim Aufrufen der Datei
72 - 78
84 - 90
 Buttons zum Aufrufen der Screenshots der Webcam-  Button 2 auskommentiert, weil nicht benötigt
bilder 1 und 2
91 - 95
 Zeile der Tabelle zum Eintragen von Informationen, die  Text in Zeile der Tabelle geschrieben
sich auf die Webcambilder oder den Versuch beziehen
Tab. 62: Funktionen der Codeabschnitte in der Datei "video.htm" und Anpassung der Vorlage an das RCL Elektronenbeugung.
XI.4
305
Entwicklungsumgebungen zur Mikrocontroller-Programmierung
Im Folgenden wird die Installation und Konfiguration des AVR-Studios 4.18 und der Bascom
1.11.9.8 Demoversion beschrieben. Alle Anleitungen sind zeilenweise von links nach rechts
zu lesen.
XI.4.1
AVR-Studio 4.18
XI.4.1.1
Installation
Auf der Webseite von ATMEL Register AVR Studio 4.18 (build 684) anklicken und Registrierungsformular ausfüllen. Danach die Datei AvrStudio4.18Setup herunterladen. Durch Doppelklick auf den Dateinamen die Installation starten:
 "Ausführen" wählen.
 "Next" wählen.
 "I accept …" und "Next" wählen.
 Installationsordner und "Next" wählen.
 "Install/upgrade …" und "Next" wählen.
306
 "Install" wählen. Die Installation beginnt.
 "Finish" wählen.
XI.4.1.2
Konfiguration
AVR Studio 4.18 in Windows XP Professional unter Start/Programme aufrufen:
307
 Startfenster mit "Cancel" schließen.
 Unter Tools/Program AVR "Auto Connect" wählen.
 Im eingeblendeten Fenster auf der Registerkarte "Main" als
Device "ATmega16" und als Programming Mode "ISP mode" wählen.
 In der Registerkarte "Fuses" alle Häkchen und Auswahlfelder wie angegeben wählen.
 Optional kann Signatur gelesen werden.
XI.4.2
BASCOM 1.11.9.8 Demoversion
XI.4.2.1
Installation
 Dann "Program" wählen.
Auf der Webseite von Bascom unter Bascom AVR Demo die Zip-Datei setupdemo.exe heruntergeladen. Durch Doppelklick auf den Dateinamen die Installation starten:
 "Next" wählen.
 "I accept the agreement" und "Next" wählen.
308
 "Next" wählen.
 Installationsordner eingeben und "Next" wählen.
 Eintrag im Start-Menü eingeben und "Next" wählen.
 "Next" wählen.
 "Yes, restart the computer now" und "Finish" wählen.
XI.4.2.2
309
Konfiguration
Bascom AVR in Windows XP Professional unter Start/Programme zum Einstellen der Parameter des Mikrocontrollers und des Terminals aufrufen:
 Options/Compiler/Chip wählen.
 Einstellungen wie im Bild vornehmen und "OK" wählen.
 Unter Options/Communication Einstellungen wie im Bild
vornehmen und "OK" wählen.
XI.5
 Auf der Registerkarte "Communications" Einstellungen wie
im Bild vornehmen und "OK" wählen.
 File/New wählen.
 Unter Tools/Terminal emulator das Terminal aufrufen und
"?" eingeben. Die Befehlsliste des RCLs Elektronenbeugung wird angezeigt.
Installation und Konfiguration von Programmen auf dem RCL-Server
Im Folgenden wird der Download, die Installation und die Konfiguration von Programmen auf
dem RCL-Server unter Windows XP Professional beschrieben. Alle Anleitungen sind zeilenweise von links nach rechts zu lesen. Die Installation der Programme sollte in der angegebenen Reihenfolge erfolgen.
XI.5.1
310
Einrichten des Internet-Zugangs
LAN-Verbindung unter Start/Systemsteuerung/Netzwerkverbindungen aufrufen:
 Internetprotokoll (TCP/IP) und "Eigenschaften" wählen.
XI.5.2
 Folgende IP-Adresse verwenden wählen, IP-Adressen eingeben und "OK" wählen.
Paket XAMPP 1.7.4
Unter apache friends - xampp für windows und XAMPP Windows 1.7.4 "Installer" anklicken
und Datei "xampp-win32-1.7.4-VC6-installer.exe" speichern. Durch Doppelklick auf die Datei
die Installation starten:
 Sprache und "Ok" wählen.
 "Ok" wählen.
 "Weiter" wählen.
311
 Zielverzeichnis mit "Durchsuchen" wählen oder eingeben.
 Apache nicht als Dienst installieren..
 "Fertig stellen" wählen.
 "Ja" wählen.
 Zum Starten des Apache Webservers das Control Panel
unter Start/Programme/XAMPP 1.7.3 for Windows mit
"Start" starten. Anstelle von "Start" erscheint "Running".
 Zum Beenden des Apache Webservers "Stop" wählen.
Zum Beenden des Control Panels "Exit" wählen.
XI.5.3
312
Videoserver webcamXP 5 Private
Auf der Webseite von Moonware Studios unter webcamXP 5.5.x.x die Datei wlite550 herunterladen. Durch Doppelklick auf den Dateinamen die Installation starten:
 "I Agree" wählen.
 "Next" wählen.
 Außer webcamXP 5 brauchen keine weiteren Komponenten installiert zu werden.
 Den vorgeschlagenen Ordner und "Install" wählen.
 "Finish" wählen.
 WebcamXP unter Start/Programme aufrufen. Zugesandte
Lizenz-Daten in das eingeblendete Fenster eingeben und
"Register" wählen.
 Beim Starten des Programms stellt webcamXP automatisch eine Verbindung zu den am Computer angeschlossenen Webcams her.
 Das Videoformat muss für eine passende Darstellung auf
der Laborseite auf 320 x 240 eingestellt sein. Ist das nicht
der Fall im Kontextmenü unter "Video Format" einstellen.
313
 Nach dem Start ist "Überwachen" gewählt. Durch Rechtsklick mit der Maus auf das Videofenster wird zu jeder Videoquelle ein Kontextmenü angezeigt. Wird kein Videobild
dargestellt (keine Quelle verbunden) das Kontextmenü aufrufen, Art der Videoquelle wählen (hier USB) und unter den
erkannten Videoquellen (hier USB-Videogerät) die gewünschte wählen.
 In gleicher Weise kann eine zweite Videoquelle hinzugefügt
werden.
 In der Registerkarte Web / Broadcast kann unter
"Broadcast (HTTP)" der Videoserver mit "Ausschalten" gestoppt und mit "Aktivieren" gestartet werden.
XI.5.4
314
 Zur Zielwahl des Webservers (131.246.237.167 - Internet,
D16W3X3J - Computer, 127.0.0.1 - Local Host) Videoserver stoppen und einstellen. Danach Videoserver wieder
starten.
Terminalprogramm Hyperterminal
Hyperterminal in Windows XP Professional unter Start/Programme/Zubehör/Kommunikation
aufrufen:
 Name der neuen Verbindung - z. B. Interface - eingeben
und "OK" wählen.
 Die Verbindung zwischen Computer und Interface wurde
über einen USB-Seriell-Adapter hergestellt. Dann erscheinen zwei zusätzliche Einträge (Motorola Comp Modem und
COM5) in der Liste. Prinzipiell muss eine COMxVerbindung gewählt werden.
315
 Eigenschaften von COM 5 wie im Bild einstellen und "OK"
wählen.
 Datei/Eigenschaften aufrufen und "ASCII-Konfiguration"
wählen.
 Haken bei "Eingegebene Zeichen lokal ausgeben (lokales
Echo)" setzen, um eingegebenen Zeichen im Hyperterminal
zu sehen.
 Bei funktionsfähiger Verbindung erscheint nach Eingabe
von "? Return" die Befehlsliste des Interface.
316
 Durch Aufrufen von Datei/Speichern die erstellte Verbindung z. B. auf dem Desktop speichern. Dadurch braucht die
Verbindung nicht immer wieder von neuem konfiguriert werden.
 Nach Aufrufen von Datei/Beenden die bestehende Verbindung mit "Ja" beenden.
 Wurde ein falscher COM-Port gewählt, reagiert das Interface auf die Eingabe "? Return" nicht. Hyperterminal dann
beenden.
 Der COM-Port kann dann nicht unter Datei/Eigenschaften
im Hyperterminal, aber unter "Eigenschaften" des Kontextmenüs der Datei "Interface.ht" in der Registerkarte "Verbinden mit" geändert werden. Dann "OK" wählen und erneut
Verbindung testen.
XI.5.5
317
Fernwartungssoftware TeamViewer 6 Host
Auf der Webseite von Teamviewer GmbH unter "Für unbeaufsichtigte Server: TeamViewer
Vollversion" die Datei "TeamViewer_Setup-wq" herunterladen. Das Programm muss auf dem
RCL-Server und dem Computer, der auf den RCL-Server zugreifen soll, installiert werden.
Durch Doppelklick auf die Datei die Installation starten:
 "Weiter" wählen.
 Für die private, nicht kommerzielle Nutzung ist Teamviewer
kostenlos.
 Beide Häkchen setzen und "Weiter" wählen.
 privat / nicht-kommerziell und "Weiter" wählen.
318
 "Ja" un "Weiter" wählen.
 "Weiter"
 Computername und Kennwort für den Zugriff auf den RCLServer oder den eigenen Computer vergeben. Kenn wort notieren.
 Ein Teamviewerkonto ist nicht erforderlich. Kann auch
später noch eingerichtet werden.
 ID für den Computer auf dem das Programm installiert wird für
Zugriff notieren.
 Das Programm wird gestartet. Standardmäßig voreingestellt ist der Start des Programms beim Start des Betriebssystems.
XI.6
Selbstbau eines elementaren RCLs
XI.6.1
Hard- und Software
319
Auch ohne gleich ein vielleicht teures physikalisches Experiment zu steuern, lässt sich mit
wenigen Bauelementen ein elementares RCL realisieren. Von einer Webseite im Internet sollen eine Leuchtdiode (LED) einoder ausgeschaltet sowie der Zustand der Leuchtdiode und
eines Tasters abgefragt werden. An Hard- und Software werden benötigt:
 1 Low-Current-LED, 5 mm, 2 mA; 1 Widerstand 1,8 kΩ; 1 Taster und optional zwei 10polige Wannenstecker mit ungefähr 10 cm passendem Flachbandkabel und Buchsen
 Interface in Basisschaltung, Null-Modem-Kabel, 12 V DC Steckernetzteil (← XI.1)
 Installierte Bascom-Demo-Version (← XI.4.2)
 AVR ISP-Programmer mit 10-poligem Programmierkabel
 Installiertes und konfiguriertes AVR Studio 4.18 (← XI.4.1)
 Installiertes Paket XAMPP (← XI.5.2)
 Texteditor wie z. B. Notepad in Windows XP Professional
 Konfigurierte Hyperterminalverbindung (← XI.5.4)
XI.6.2
Abb. 97 zeigt zur Orientierung für das Einlöten der Bauelemente die fertig bestückte Platine
des Interface:
Abb. 97: Mit elementarem RCL bestückte Platine
des Interface.
LED mit Vorwiderstand und der Taster sind rechts neben dem Mikrocontroller im Lochrasterbereich aufgebaut und über Wannenstecker und Flachbandkabel mit dem Port A des Mikrocontrollers verbunden. Die drei Bauteile rechts neben dem ATmega16 werden nicht benötigt.
Tab. 63 erläutert die Schritte zur Bestückung der Platine des Interface:
Nr.
320
Schaltung
µC PortA.0
(PIN40)
Erläuterung
LED rot
1K8
1
 Die Leuchtdiode (LED) mit dem Pluspol (langes Beinchen) an PortA.0 (PIN40 oben rechts) des Mikrocontrollers anlöten.
 An das kurze Beinchen einen 1,8kΩ Widerstand löten,
dessen anderes Ende mit der Masse (GND) verbinden.
µC PortA.1
(PIN39)
2
Taster
1
2
3
3
Draufsicht
 Den Taster mit PortA.1 (PIN39 = 2. Beinchen von oben
rechts) und Masse (GND) verbinden.
 Belegung des 10-poligen Wannensteckers:
1: GND (Masse), im Foto oben links
2: +5 V
3: PortA.0
4: PortA.1
...
10: PortA.7, im Foto unten rechts
Tab. 63: Schritte zum Aufbau des elementaren RCLs.
XI.6.3
Lokal gesteuertes RCL
Nachfolgend ist der Basic-Programmcode des Mikrocontrollers zur Steuerung und Abfrage
der LED und des Tasters angegeben:
01 $regfile = "m16DEF.dat"
'Microcontroller ATmega16
02 $crystal = 11059200
'11.0592MHz Quarz
03 $baud = 9600
'Baudrate
04
05 '---[ Variables ]--------------------------------------------------------------06 Dim Rs232kommando As String * 10
'erst Befehlspuffer, dann Kommando
07 Dim Parameter As String * 10
'Parameter
08 Dim Str_pos As Byte
'Position von Leerzeichen, zur Trennung von Kommando und Parameter
09
10 '---[ Initialisierung ]--------------------------------------------------------11 Ddra.0 = 1
'PortA.0 als Ausgang für LED
12 Porta.0 = 0
'LED aus
13 Ddra.1 = 0
'PortA.1 als Eingang für Taster
14 Porta.1 = 1
'Pull-Up aktivieren
15
16 '---[ Main program loop ]------------------------------------------------------17 Do
'Start der Endlos-Schleife
18
19 If Ischarwaiting() = 1 Then
'Zeichen über RS232 empfangen?
20
Input Rs232kommando
'neues Kommando lesen
21
Parameter = ""
'Parameter initialisieren
22
Str_pos = Instr(rs232kommando , " ")
'Leerzeichen im Kommando suchen
23
If Str_pos > 0 Then
'falls Leerzeichen, dann in Kommando+Parameter zerlegen:
24
Incr Str_pos
'Str_pos soll jetzt auf 1.Zeichen des Parameters zeigen
25
Parameter = Mid(rs232kommando , Str_pos )
'Parameter = Teilstring nach Leerzeichen
26
Parameter = Ucase(parameter)
'in Grossbuchstaben umwandeln, damit unabhängig von Schreibweise
27
Str_pos = Str_pos - 2
'Str_pos soll jetzt auf letztes Zeichen des Kommandos zeigen
28
Rs232kommando = Left(rs232kommando , Str_pos)'Kommando = Teilstring vor Leerzeichen
29
Rs232kommando = Ucase(rs232kommando)
'in Grossbuchstaben umwandeln, damit unabhängig von Schreibweise
30
End If
31
32
Select Case Rs232kommando
'Eventhandler: Interpretation der Kommandos
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
321
Case "?" : Print "Hilfe:"
'Hilfeseite anzeigen
Print "LED on - LED einschalten"
Print "LED off - LED ausschalten"
Print "LED? - zeigt Status der LED an"
Print "SW? - zeigt Status des Schalters an"
Case "LED" : If Parameter = "ON" Then
Porta.0 = 1
End If
If Parameter = "OFF" Then
Porta.0 = 0
End If
'LED schalten
Case "LED?" : If Porta.0 = 0 Then
Print "LED aus"
Else
Print "LED an"
End If
'Status der LED ausgeben
Case "SW?" : If Pina.1 = 1 Then
Print "Taster offen"
Else
Print "Taster geschlossen"
End If
'Status des Schalters ausgeben
Case Else : Print ">" ; Rs232kommando ;
"< ungueltiger Befehl - weitere Infos mit ?"
End Select
59
60
61 End If
62
63 Loop
64
65 End
'Info bei ungültigen Eingaben
'Endlos-Schleife: Springe zu "Do"
'wird nie erreicht!
Der erste Teil des Programms in den Zeilen 1 - 15 enthält die Systemparameter, Variablen
und Initialisierung der Ein- und Ausgänge. Der zweite Teil enthält ab Zeile 17 das Hauptprogramm, in dem Benutzereingaben über die serielle Schnittstelle empfangen, interpretiert und
in entsprechende Anweisungen umgesetzt werden. Tab. 64 erläutert den Programmcode detaillierter:
Zeilen
Erläuterung
1-3
Diese Angaben teilen dem Compiler (Bascom) mit, welcher Prozessor eingesetzt wird, wie schnell dieser getaktet
(Quarz) ist und mit welcher Übertragungsgeschwindigkeit die Kommunikation über die serielle Schnittstelle
(RS232) mit dem PC erfolgen soll.
6-8
Es werden drei Variablen genutzt. Die Eingabe über die serielle Schnittstelle wird in "rs232kommando" gespeichert. Es wird ein Text der Form "Kommando <Leerzeichen> Parameter" erwartet, so dass die Variable "Parameter" denselbigen aufnimmt. Die Variable "str_pos" wird für die Trennung von Kommando und Parameter benötigt.
11 - 14
Mit dem Befehl ddrP.X (ddr = data direction) wird festgelegt, ob ein Beinchen als Ausgang (=1) oder als Eingang
(=0) arbeiten soll. Der ATmega16 besitzt 32 Ein-/Ausgänge, die in vier Ports (P=A..D) zu je 8 Pins (X=0..7) unterteilt sind. ddrA.0 = 1 legt also das 1. Beinchen (Pin 0) von PortA als Ausgang (=1) fest. Mit dem Befehl PortA.0 =1
kann dieser Pin dann durch Zuweisen von 1 oder 0 an- bzw. ausgeschaltet werden. Im Datenblatt erfahren Sie,
welches der 40 Beinchen des Mikrocontrollers wie bezeichnet wird (Pin-Belegung). Wird ein Beinchen als Eingang
verwendet (ddrA.1 = 0), können Sie optional einen so genannten Pull-Up-Widerstand aktivieren (PortA.1=1) oder
deaktivieren (PortA.1=0). Auch hierzu sollten Sie sich unbedingt mit dem Datenblatt vertraut machen.
17, 63
Das "Hauptprogramm" besteht aus einer Endlosschleife, d. h. der Mikrocontroller verrichtet ununterbrochen seinen
"Job", so lange er mit Strom versorgt wird.
19 - 30
Falls ein Zeichen über die serielle Schnittstelle empfangen wurde, wird dieses und alle folgenden gelesen. Anschließend wird geprüft, ob der empfangene Text von der Form "Kommando <Leerzeichen> Parameter" ist, so
dass er gegebenenfalls in ein Kommando und einen Parameter zerlegt werden kann.
32 - 59
Dieser Abschnitt wird mit "Event-Handler" bezeichnet. Hier wird auf die Kommandos (Events) reagiert und die entsprechenden Schritte ausgeführt, z.B. schalten LED, je nach Wert der Variablen "Parameter" an- bzw. ausschalten.
46, 52
322
In beiden Zeilen wird ein Wert eines Ports abgefragt. Unterschiedlich ist, dass in Zeile 46 der Status eines Ausgangs abgefragt wird (porta.0) und in Zeile 52 der Zustand eines Eingangs (pina.0). Die Anweisung IF porta.0 = 0
THEN prüft (hier ist "=" ein Vergleich und KEINE Zuweisung!), ob zuletzt die LED ausgeschaltet (Zuweisung porta.0 = 0) wurde. Die Anweisung IF pina.1= 1 THEN liest den Status eines Eingangs. Hier kann festgestellt werden,
ob der Eingang über den internen Pull-UP-Widerstand auf +5V liegt (pina.1 liefert 1) oder ob der Schalter den Eingang mit Masse (0V) verbindet (pina.1 liefert 0).
Tab. 64: Erläuterung des Mikrocontroller-Programmcodes für elementares RCL.
In Bascom AVR eine neue Datei erzeugen (File/New), den Programmcode ohne Kommentare eingeben und mit Program/Compile (F7) eine Hexadezimaldatei erzeugen. Die Hexadezimaldatei mit dem AVR-Studio und dem AVR-ISP-Programmer in den Mikrocontroller schreiben (← V.2.1.3, ▪ Programmübertragung). Nach dem Verbinden von Computer und Interface
per Null-Modem-Kabel kann durch Eingabe von ? in das konfigurierte Hyperterminal die Befehlsliste in Abb. 98 aufgerufen werden:
Abb. 98: Aufgerufene Befehlsliste im Hyperterminal.
Durch Eingabe von "LED on" oder "LED off" kann die LED einund ausgeschaltet, "LED?"
zeigt den Status der LED und "sw?" den Status des Tasters an. Alternativ zum Hyperterminal
kann auch das Terminal in BASCOM unter Tools/Terminal Emulator verwendet werden (←
XI.4.2.2).
XI.6.4
Ferngesteuertes RCL
Zum Ansteuern des Interfaces und zum Bedienen des Versuchsaufbaus über das Internet
wird eine Webseite benötigt, die dem Benutzer alle Bedienelemente des Experiments zur
Verfügung stellt:
 Der Benutzer benötigt anklickbare Buttons im Webbrowser.
 Der Webserver muss die Information, welcher Button gedrückt wurde empfangen und ein
entsprechendes Kommando über die serielle Schnittstelle an das Interface senden.
Beide Schritte sind im nachfolgenden PHP/HTML-Quellcode zusammengefasst:
323
01 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN" "http://www.w3.org/TR/html4/loose.dtd">
02 <html>
03 <head>
04 <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=iso-8859-1">
05 <title>elementares RCL</title>
06 </head>
07
08 <body>
09 <?php
10 if (isset($_POST['Kommando'])){
//wurde bereits Kommando gesendet?
11
if( ! ( $handle = fopen( 'COM1:', 'w+' ) ) )
//Schnittstelle öffnen
12
{
13
throw new Exception( 'Can not access serial port', 2 ); //ohne Erfolg?
14
}
15
fwrite( $handle, $_POST['Kommando'] .chr( 13 ) );
//Befehl an Interface senden
16
switch ( $_POST['Kommando'] ){
//Antwort von Interface auswerten:
17
case 'LED?': { $tmp = fgets( $handle );
//Echo von Interface ignorieren
18
$antwort = fgets( $handle ); //Antwort des Interfaces
19
echo 'Antwort: '.$antwort; //Ausgabe auf Webseite
20
break;
//switch verlassen
21
}
22
case 'SW?' :{ $tmp = fgets( $handle );
//Echo von Interface ignorieren
23
$antwort = fgets( $handle ); //Antwort des Interfaces
24
echo 'Antwort: '.$antwort; //Ausgabe auf Webseite
25
break;
//switch verlassen
26
}
27
}
28
29
fclose( $handle );
//Schnittstelle schließen
30 }
31 else {
32
`mode com1: BAUD=9600 PARITY=N data=8 stop=1 xon=off`; //Schnittstellenparameter setzen
33 }
34
35 ?>
36
37 <h3>Befehl senden:</h3>
38 <form method="post" action="<?=$_SERVER['PHP_SELF']?>">
39
<input type="hidden" name="Kommando" value="LED ON" >
40 <input type="submit" value="LED anschalten" >
41 </form>
43
<input type="hidden" name="Kommando" value="LED OFF" >
44 <input type="submit" value="LED ausschalten" >
45 </form>
47
<input type="hidden" name="Kommando" value="LED?" >
48 <input type="submit" value="LED abfragen" >
49 </form>
51
<input type="hidden" name="Kommando" value="SW?" >
52 <input type="submit" value="Taster abfragen" >
53 </form>
54 </body>
55 </html>
Den Quellcode in den Texteditor kopieren und im Ordner htdocs von XAMPP z. B. unter
rcl.php speichern. HTML-Dateien mit PHP-Code der Zeilen 9 - 35 müssen mit der Erweiterung php gespeichert werden, damit der Apache Webserver zwischen HTML-Seiten mit und
ohne PHP-Code unterscheiden kann. Den installierten Apache Webserver starten und im
Adressfeld des Webbrowsers die IP-Adresse http://127.0.0.1/rcl.php aufrufen. Das Bedienfeld des elementaren RCLs in Abb. 99 wird im Browserfenster angezeigt:
324
Abb. 99: Laborseite des elementaren RCLs.
Im Bedienfeld kann die LED anund ausgeschaltet sowie der Status von LED und Taster
abgefragt werden.
XII LITERATURVERZEICHNIS
XII
325
LITERATURVERZEICHNIS
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329
LEBENSLAUF
Persönliche Daten
Name, Vorname:
Gröber, Sebastian
Geburtsdatum, -ort:
10.06.1961, Ludwigshafen/Rhein
Familienstand:
ledig
Schulausbildung
08/1967 - 06/1980
Wolfgang-Ernst-Gymnasium in Büdingen: Abitur
Bundeswehr
10/1980 - 09/1982
Soldat auf Zeit in Homberg/Efze: Vermessungsunteroffizier
Hochschulausbildung
10/1982 - 09/1984
Elektrotechnikstudium an der TH Darmstadt
10/1984 - 09/1987
Lehramt für Gymnasien (Mathematik/Physik) an der
RWTH Aachen: Zwischenprüfung und Vordiplom Physik
10/1987 - 06/1991
Lehramt für Gymnasien (Mathematik/Physik) an der Philipps-Universität in Marburg: 1. Staatsexamen
Beruflicher Werdegang
Vorbereitungsdienst
11/1991 - 10/1993
Studienreferendar Mathematik/Physik in Bensheim:
2. Staatsexamen
Schuldienst
02/1994 - 07/2007
Gymnasiallehrer Mathematik/Physik am Hans-PurrmannGymnasium in Speyer: Seit 05/2005 Oberstudienrat
Abordnungen
07/2002 - 07/2008
Landesmedienzentrum Rheinland-Pfalz in Koblenz:
Lehrerfortbildungen im Bereich Medienbildung
Seit 02/2008
Technische Universität Kaiserslautern: Ausbildung von
Studierenden des Lehramts Physik
Zweitstudium
04/2003 - 03/2005
Weiterbildendes Fernstudium „Medien & Bildung“ an der
Universität Rostock: Master of Arts
Promotion
02/2006 - 08/2011
Technische Universität Kaiserslautern: Dr. rer. nat. der
Physik
330
DANKSAGUNG
In den letzten fünf Jahren konnte ich außer der Lehrtätigkeit an der Schule in einem spannenden didaktischen Projekt an der Technischen Universität Kaiserslautern mitarbeiten. Dafür danke ich der Arbeitsgruppe Didaktik der Physik:
Der Dank gilt speziell Prof. Dr. H.-J. Jodl für die gute und freundschaftliche Zusammenarbeit
und die gute Betreuung der Arbeit auch in schwierigen Phasen. Dr. Martin Vetter danke ich
für seine allzeitige Hilfsbereitschaft und Unterstützung in allen technischen Fragen des RCLProjekts. Dr. Bodo Eckert danke ich für die Unterstützung vieler Arbeiten im RCL-Projekt und
der Weitergabe seines reichen Erfahrungs- und Wissensschatzes in Lehre und Forschung.
Nicht zuletzt gilt mein Dank den Studierenden des Lehramts für Gymnasien ohne deren Engagement während Staatsexamensarbeiten das RCL-Projekt nicht hätte realisiert werden
können.

Untitled - Remotely Controlled Laboratories - RCLs

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