Experten-Treffen „Digitale Messwerterfassung“ auf der MNU-Tagung

Der 109. MNU-Bundeskongress fand 26.-28.3.2018 am Forschungsinstitut in München-Garching statt. Als nicht-MNU-Mitglied (ich glaube ich ändere das demnächst) bekomme ich eher indirekte Meldungen über solche Veranstaltungen. Diesmal wurde ich aber angefragt, ob ich nicht zu einem Experten-Treffen für Digitale Messwerterfassung kommen möchte. Ich hätte auch einen kleinen Vortrag bzw. Demonstration vorbereiten können und hätte dann Anfahrtskosten erstattet bekommen, da ich da aber nicht genug hätte bieten können, wollte ich mich nicht so „peinlich“ präsentieren.

Angesichts der renomierten Teilnehmer-Liste fühlte ich mich dann auch ein wenig „namenlos“. An sich war die Veranstaltung sicher auch interessant, mehr über Möglichkeiten der digitalen Messwerterfassung zu erfahren. Da das Ziel des Treffens aber vor allem war, einen Appell zu formulieren (bzw. über einen vorbereiteten zu diskutieren), dass die zukünftigen Lehrer sich schon in der Ausbildung mehr mit den Möglichkeiten zur digitalen Messwerterfassung beschäftigen müssen, fühlte ich doch ein wenig fehl am Platze, da ich ja mit der Lehrer-Bildung nicht so wirklich viel zu tun habe. Außer das ich hin und wieder Anleitungs-Videos veröffentliche (z.B. zu Chemie-Software) und auf Workshops die Nutzung digitaler Medien zu Chemie im Allgemeinen vorstelle.

Auf jeden Fall hat das Treffen mir etwas gebracht und vielleicht habe ich mit meinen neugierigen Fragen, auch einige der anderen Teilnehmer beeinflusst.

Teil 1 – Vortrag von Prof. Dr. Matthias Ropohl (Uni Duisburg-Essen)

Zur Einstimmung gab es einen kurzen Vortrag. Ich hoffe die Folien werden noch irgendwie veröffentlich, denn wegen einer ungünstigen Sitzposition und baulicher Probleme (Säule zwischen mir und der Projektions-Fläche!), konnte ich nicht alles lesen auf den Folien. Die folgenden Anmerkungen sind ein Gemisch aus Inhalten des Vortrags und eigenen Erfahrungen, Gedanken und Ideen.

Was man immer mal wieder braucht sind Argumente, um für digital wenig interessierte oder auch ablehnende Kollegen, die Frage nach dem Mehrwert bei der Durchführung eines Experimentes mit digitalen Hilfsmitteln zu beantworten. Wie auch bei der Nutzung von GeoGebra ist es nicht unbedingt sinnvoll, alles zu digitalisieren, was möglich ist.

So kann man eine Messung zum Verlauf einer Temperatur (Destillation, Reaktionswärme, …) natürlich sowohl mit einem Alkohol-Thermometer durchführen und die Werte von Hand notieren, aber eben auch mit einem Messfühler, der die Messwerte automatisch erfasst. Das Ergebnis wird oder sollte das gleiche sein. Der Messfühler mit App dahinter nimmt einem natürlich etwas Arbeit ab, man kann keine Messung vergessen, es können auch gleich Rechnungen mit den Messwerten durchgeführt und direkt einen Graph erzeugt werden. Letztendlich das gleiche, was man auch von Hand macht, nur das es eben wesentlich schneller geht.

Wo sind also die Vorteile? Ein Aspekt sind die Möglichkeiten, sich die Daten nicht nur direkt anzeigen zu lassen, sondern auch weitere Darstellungsarten zu ermöglichen, die eventuell die Auswertung eines Experimentes erleichtern. Der zeitliche Aspekt führt dazu, dass man mehr Experimente zu unterschiedlichen Ausgangsbedingungen durchführen kann, was das Stellen von Aufgaben ermöglicht, die mehr sind als die Ausführung von genau vorgegebenen Anweisungen, die die Schüler einfach nur nachvollziehen müssen. Im ungünstigen Fall werden die Anweisungen nicht eingehalten und das Ergebnis ist wertlos. Ich habe Schüler erlebt, die solche Experiment als ziemlich langweilig empfinden. Sicher steckt da auch ein gewisse Sättigung dahinter, die auch von Chemie-Shows im Fernsehen kommen, die Experimente wesentlich besser präsentieren können, als wir in der Schule (Großaufnahmen, Zeitlupe, größere Mengen als bei Schüler-Experimenten, …).

Ermöglicht die digitale Messwert-Erfassung mehr Experimente, so kann man die Aufgabenstellung für die Schüler offener gestalten. Damit erfolgt gleichzeitig aber auch Umänderung des Experiment-Ziels von einer reinen Erkenntnis-Gewinnung (Erkennen eines Gesetzes – der Lehrer gibt die Bedingungen vor, so dass der Schüler dies vermutlich mit dem Experiment erkennen wird) hin zu einer methodischen Frage, wie man mit Hilfe vorgegebener Materialien Experimente durchführen muss, um etwas über den Einfluss möglicher Parameter auf ein Phänomen zu erfahren. Fehlschläge können hier ein Teil der Erfahrung darstellen. Man könnte auch sagen, dass dann der Weg das Ziel ist.

Digitale Mess-Sensoren können nicht nur eine Ergänzung darstellen, die eine Vertiefung oder Öffnung einer Fragestellung ermöglichen. Sie ermöglichen gänzlich neue Fragestellungen, bei denen man ohne entsprechende Sensoren gar nicht die Möglichkeit hat, diese zu untersuchen. Von Prof. Ropohl wurde ein einfaches Beispiel genannt, nämlich dass man eine brennende Kerze in ein abgeschlossenes Glas stellt.

  • Bei einem einfachen Experiment könnte man verschieden große Gefäße betrachten und schauen, wie lange die Kerze darin brennen kann. Das kann man mit Stopp-Uhr und Volumen-Berechnung (bei einer einfachen Form der Gefäße) durchführen und so einen Vergleich zwischen Brenndauer und Volumen herstellen.
  • Hat man O₂ und CO₂-Sensoren zur Verfügung kann man schön die Änderung der Luftzusammensetzung erkennen, stellt dann aber überraschenderweise fest, dass die Kerze ausgeht, obwohl noch 18% Sauerstoff vorhanden sind.

Daraus ergeben sich also ganz neue Fragestellungen, die mit den üblichen analogen Messgeräten überhaupt nicht möglich sind. Natürlich sind diese zwei verschiedenen Experimente für verschiedene Jahrgangsstufen interessant. Mir fällt hier spontan ein, dass man bei anderen Reaktioen von Stoffen mit Sauerstoff überprüfen könnte, ob auch immer ein gewisser Anteil an Sauerstoff zurückbleibt, oder ob er auch zu 100% verbraucht wird. Daraus ergibt sich natürlich wiederrum die Frage, warum die chemischen Reaktionen so unterschiedlich sind?

Ergänzend sollte bei der Nutzung von Mess-Sensoren auch die Frage nach der Messgenauigkeit gestellt werden, welchen Grund es für Ungenauigkeiten gibt und wie man damit umgehen muss. Das sind Aspekte, die normaler Weise gar nicht Teil des Unterrichts sind.

Teil 2 – Präsentation der Beispiele

Im Anschluss folgte die Möglichkeit, die vorbereiteten Experimente anzuschauen und sich mit den Kollegen zu unterhalten. Anteilsmäßig waren deutlich mehr Präsentationen zur Physik vorhanden, aber auch für Chemie gab es ein paar. Nur die Biologie war etwas wenig repäsentiert und einige Mehlwürmer mussten ihre Stoffwechsel-Aktivität herzeigen.

Es wurden zu Chemie Experimente zu Verdunstungs-Kälte gezeigt, wo mit drei Temperatur-Fühlern parallel gezeigt wurde, dass bei feuchten Reinigungs-Tüchern verschiedene Stoffe enthalten sind, die sich unterschiedlich verhalten. Das könnte man als Einstieg in die Eigenschaften der Alkohole nutzen. Bei drei einfachen Thermometern wäre der Vergleich nicht so schnell ersichtlich, wie es bei drei in einem Koordinatensytem gezeichneten Graphen ist. Dazu gab es Vorführungen mit den Systemen von Vernier und Texas Insturments.

Ein Kollege zeigte ein kleines Spektrometer, mit dem man die Farbe analysieren kann und mit einer Messreihe auch Konzentrationen bestimmen könnte.

Ein Stand verglich selbstgebastelte Mess-Geräte, die eine recht günstige Möglichkeit im Vergleich zu gekauften Systemen darstellen. Die selbstgebauten nutzen Arduinos mit einfachen Sensoren, die nur einen Bruchteil kosteten.

Nicht zu einem Stand aber nebenbei beteiligte ich mich an einer Diskussion, wo es um DEGINTU und die Veröffentlichung von Experimentieranleitungen ging. Dazu aber später mehr.

Die Stände zur Physik waren, wie schon erwähnt in der Überzahl. Interessant fand ich vor allem die Gespräche, wo es mir um die Umsetzung der Mess-Konzepte in den Schulen ging und wie die Sensoren verbunden werden. Besonders erwähnenswert waren zwei Themen:

Zum einen die Vorstellung der inzwischen recht erfolgreichen App PhyPhox, deren Entwickler und Erfinder ein Beispiel präsentierte und seine Entwickler-Version mit ihren neuen Funktionen vorstellte. Hier wird mal wieder klar, dass Chemie im Gegensatz zu Physik den Nachteil hat, dass wir die eingebauten Sensoren im Smartphone nicht wirklich intensiv nutzen können und stattdessen externe Sensoren kaufen müssen. Ich erfuhr dabei aber, dass es wohl schon einfache Bluetooth-Sensoren gibt, die für sich alleine arbeiten können.

Ziemlich futuristisch war eine AR-Brille, die der Physik-Didaktik-Fachbereich der Uni Kaiserslautern vorstellte. Dabei ging es um die Anzeige von Messwerten in einer speziellen Brille, so dass man direkt ein Experiment beobachten kann und die Daten eingespielt bekommt. Eine der Begleitpersonen stimmte mir zu, dass es genügend AR-Ideen gibt, die man für Chemie einsetzen könnte, wie etwa für Einblendungen, mit denen man zum Beispiel den Schülern den inneren Aufbau und die Bedienung eines Gasbrenners erklären könnte. Das muss ja nicht unbedingt mit einer Spezial-Brille geschehen, ein Smartphone ist für die Einführung sicher ausreichend.

Für mich war das Ergebnis, neben den Unterhaltungen mit den Kollegen, dass die vorgestellten Mess-Geräte eher noch zu teuer sind und nicht immer Software zur Nutzung an einem Smartphone oder Tablet angeboten haben. Interessant war es aber trotzdem!

Teil 3 – Abschluss-Diskussion

Nach der Vorstellung der Experimente waren nicht mehr alle anwesend, die noch am Anfang da waren und so war die Runde etwas kleiner, aber trotzdem recht aktiv am diskutieren.

Es ging zum Teil darum, an wenn sich der Appell den überhaupt richten soll? Denn für die Ausbildung der angehen MINT-Lehrer spielt, neben den Ausbildern an den Unis und den Fachleitern, ja auch die Politik eine wesentliche Rolle. Etwa wenn es um die Bereitstellung von Zeit und Personen geht und gar um eine Umgestaltung von Unterricht an sich, der sich die Möglichkeiten digitaler Medien allgemein zu nutze macht. Tatsächlich zielten viele Ergänzungs-Wünsche eher auf die Politik ab, indem auf aktuelle Probleme hingewiesen wurden und da eine Verbesserung gefordert wurde (mehr Zeit, mehr Personal, …).

Es gab auch auch einige Ergänzungs-Vorschläge, die die schon vorhandenen Forderungen in der Vorlage etwas präzisierten, wie etwa die Tatsache, dass man deutlicher auf die Vorteile der digitalen Messwert-Erfassung hinweisen muss, wie sie schon im Vortrag erwähnt wurden.

Was auch angesprochen wurde, und mich natürlich besonders interessierte, war der Hinweis, dass man nicht nur die angehenden Lehrer betrachten darf, sondern natürlich auch die schon vorhandenen Lehrer nicht vergessen darf, die eine Chance haben müssen, sich fortzubilden (vielleicht auch zwangsweise? *hüstel*) . Ich konnte mir dann nicht den Einwurf verkneifen, dass hier die Veröffentlichung von Informationen und Experimentier-Anleitungen, am besten in einer bearbeitbaren Version mit passender Lizenz (also OER!) , auch sinnvoll wären.

Eine richtig positive Abschlussstimmung gab es nicht, denn obwohl alle Anwesenden sich einig waren, dass die Nutzung digitaler Mess-System sinnvoll ist, war klar, dass die Verbreitung nicht so einfach ist. Aber die Einwürfe und Ergänzungs-Vorschläge waren notiert worden, um sie in den Appell zu übernehmen und dann möglichst bald zu veröffentlichen. Auch für ein bald in Berlin stattfindendes Treffen, wo es um die digitale Bildung in der Schule gehen soll.

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