Sensoren und Messungen
Unterrichtsmodul aus Polen
Die meisten Forschungsarbeiten beinhalten Beobachtung, Analyse und Interpretation der Ergebnisse. Wenn man plant, Schülerinnen und Schüler für die wissenschaftliche Forschung zu begeistern, lohnt es sich, ihre Aktivitäten um diese Komponenten als wesentlichen Teil der Arbeit des Experimentators zu ergänzen. Aufgrund der begrenzten Ausstattungsmöglichkeiten von Schulen und der pandemischen Notwendigkeit, Experimente an abgelegenen Orten durchzuführen, oft ohne die Möglichkeit, Spezialgeräte zu benutzen, schlagen wir vor, im Haushalt vorhandene Materialien und Werkzeuge zu verwenden.
Die im Abschnitt H0 ("Messfehler") vorgeschlagenen Aktivitäten befassen sich mit einfachsten Messungen, die es den Schülern ermöglichen zu verstehen, dass es in der Welt der Messungen normal ist, unterschiedliche Ergebnisse zu erhalten. Zum Beispiel können wir als Klasse die Diagonale eines DIN-A4-Blattes mit verschiedenen Linealen, Maßbändern und Zimmermannsmaßstäben messen, um grobe, systematische und zufällige Fehler festzustellen. Die Schülerinnen und Schüler können auch Unterschiede in der Genauigkeit der verwendeten Messgeräte feststellen und deren Verwendung bei entsprechenden Messungen in der Klasse angeben sowie Möglichkeiten vorschlagen, um genauere Ergebnisse zu erzielen. Auch die Frage nach der "wahren" Länge der Diagonale eines gemessenen Blattes Papier lässt sich diskutieren und beantworten.
Die durch direkte Messungen gewonnenen Größen werden oft in Formeln für weitere Berechnungen verwendet. Die damit verbundenen Überlegungen lassen sich am Beispiel des in Abschnitt H0 vorgeschlagenen Baus eines Pendels und der Bestimmung des Wertes der Erdbeschleunigung untersuchen. In diesem Fall haben die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, mit Hilfe eines Fadens, eines Gewichts und einer Stoppuhr nicht nur den Einfluss einzelner Größen (z.B. Länge des Fadens, Schwingungsdauer) auf das Ergebnis und eine mögliche Fehlerhäufung zu untersuchen, sondern auch den Einfluss des menschlichen Faktors und des durch automatische Messungen erhaltenen Wertes zu erkennen. Dies wird Teil der nachfolgenden Einheiten sein.
Das Hauptthema der in Abschnitt H1 ("In Bewegung") vorgeschlagenen Aktivitäten ist die potenzielle Energie der Elastizität, die am Beispiel eines gespannten Gummibandes dargestellt wird. Sowohl das Einführungsexperiment zur Untersuchung der Wurfweite eines Flaschendeckels in Abhängigkeit von der Auslenkung des Gummibandes als auch das abschließende Fahrzeugrennen befassen sich mit demselben Thema. Das Interesse der Schülerinnen und Schüler an der Umwandlung von potenzieller Energie in kinetische Energie und das Verständnis der Beziehung, die beispielsweise durch das Hook'sche Gesetz definiert wird, kann durch die Verwendung von Gegenständen aus der Alltagswelt anstelle spezieller Physiklaborgeräte erleichtert werden.
Das Szenario H1 beinhaltet den Bau eines Fahrzeugs, bei dem ein gedehntes, verdrehtes Gummiband die Rolle des Antriebs übernimmt. Die Schülerinnen und Schüler können die Art der Übertragung auf die Räder frei gestalten und ihre eigene Konstruktion entwickeln, aber um die Aufgabe zu standardisieren, haben wir ein 3D-Druck-Modell entwickelt. Die Schülerinnen und Schüler erhalten gedruckte Komponenten, die sie zusammenbauen können, oder sie drucken ihre Fahrzeuge selbst anhand der ihnen zur Verfügung gestellten Dateien (und nehmen dabei vielleicht interessante Änderungen vor) und entwickeln dabei digitale Kompetenzen.
Es ist natürlich möglich, Wettbewerbe zwischen einzelnen Teams und Konstruktionen zu organisieren, die auf Standardaufgaben basieren, z. B. die maximale Entfernung, die das Fahrzeug zurücklegt. Um jedoch die Konstruktions- und IT-Kompetenzen der Schüler zu erweitern, schlagen wir vor, die Elemente des Wettbewerbs durch die Verwendung eines Smartphones mit einer vorinstallierten App wie dem Arduino Science Journal zu erweitern, das z. B. die Beschleunigung aufzeichnen kann. Das Handy, das auf dem gebauten Fahrzeug (als Trägerplattform) platziert wird, kann die Veränderungen des internen Beschleunigungsmessers aufzeichnen, was nach entsprechenden mathematischen Umrechnungen die Bestimmung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermöglicht; dies kann für die vorgeschlagene Herausforderung "Wer ist schneller" genutzt werden.
In den folgenden Abschnitten bieten wir den Lehrkräften die Möglichkeit, die Messgeräte, die sie in den Experimenten verwenden werden, je nach Vertrautheit mit der Programmierung (sowohl in ihrer Klasse als auch bei ihnen selbst) auszuwählen, damit sie sich bei der Umsetzung sicher fühlen können. Die in den Szenarien beschriebenen Experimente können entweder mit einem Smartphone oder einem speziellen Sensor, der von einem Mikrocontroller betrieben wird, durchgeführt werden.
Der Fokus von Abschnitt H2 ("Pendel") liegt auf der Bewegung eines Pendels. Das Experiment besteht darin, die Schwingungsdauer eines mathematischen Pendels zu messen, das die SchülerInnen selbst bauen werden. Die Messungen werden mit Hilfe der in einem Mobiltelefon eingebauten Sensoren und einer speziellen App durchgeführt, oder auf eine anspruchsvollere Methode, die darin besteht, ein Messgerät zu bauen, das auf einem Lichtsensor und einem Mikrocontroller basiert. Der Kurs behandelt Themen wie harmonische Schwingungen, Beschleunigung, Schwingungslehre und Datenauswertung.
In Abschnitt H3 ("Elektromagnetismus") werden die Schüler ein einfaches Modell eines Elektromagneten konstruieren. Mit Hilfe einer Anwendung in einem Telefon oder einem selbstgebauten Sensor (basierend auf dem Hall-Effekt) werden Experimente durchgeführt, um die Abhängigkeit der Intensität des elektromagnetischen Feldes von den Parametern des Elektromagneten (z. B. dem Material des Kerns oder der Anzahl der Spulen) zu bestimmen. Auf der Grundlage ihrer Beobachtungen und Schlussfolgerungen werden die Teilnehmer eine einfache Vorrichtung zum Sortieren von Münzen bauen.