Jochen Kuhn, Sebastian Kapp, Martin P. Strzys und Michael Thees

Augmented Reality beim Experimentieren

Versuchsaufbau Wärmeleitung VR-Brille Diagramm Visualisierung
AR-basiertes Wärmeleitungsexperiment, © TU Kaiserslautern/AG Kuhn

Jochen Kuhn, Sebastian Kapp, Martin P. Strzys und Michael Thees

Unterstützung beim Erwerb von Konzeptverständnis in der Wärmelehre

Der Erwerb von Konzeptverständnis spielt im Physikunterricht eine wichtige Rolle (s. z.B. [1]). Als erfolgversprechender Ansatz wird dabei die virtuelle Visualisierung naturwissenschaftlicher Phänomene, Konzepte und Gesetze beim Experimentieren diskutiert (vgl. [2], [3]). Erfolgt diese Visualisierung zeitgleich mit dem Experimentieren, so spricht man von Augmented Reality (AR; „erweiterte Realität): Die Lernenden interagieren einerseits mit realen Objekten (d.h., mit Experimentiermaterialien) und erhalten andererseits in die reale Experimentierumgebung virtuelle Objekte (z.B. Messdaten, Feldlinien oder Vektoren in verschiedenen Repräsentationen) eingeblendet (s. z.B. [4]). Ob und, wenn ja, wie stark diese Verbindung von Informationsquellen das Lernen erhöht, kann jedoch sowohl vom Lernziel des Experiments als auch von der jeweiligen Funktion der dabei eingesetzten virtuellen und realen Komponenten abhängen (s. [5], [6]).
Physik lernen mit AR
AR-basiertes Lernen mit physikalischen Experimenten beinhaltet somit Elemente des Lernens mit Multimedia: Visuelle (z.B. reale Experimentobjekte/-bauteile) und verbale Informationen (Arbeitsblätter, Messdaten) werden gemeinsam zur Wissenskonstruktion (z.B. zur Ableitung von Gesetzmäßigkeiten) genutzt. Dabei unterstützt insbesondere die Darstellung von AR-Informationen die Transformation traditioneller in digitale, multimediale Lernumgebungen, indem zusätzliche Visualisierungen buchstäblich in die reale Umgebung integriert werden.
Diese Perspektive erlaubt es, bewährte Lerntheorien anzuwenden, um die Ergebnisse von AR-Lernumgebungen vorherzusagen. Beim Lernen sind drei Prozesse erforderlich, nämlich
  • die Auswahl,
  • die Organisation und
  • die Integration von Informationen.
Der erste Prozess beinhaltet die Auswahl relevanter visueller oder verbaler Elemente aus den präsentierten multimedialen Informationen. Danach werden die ausgewählten Informationen in kohärente visuelle und kohärente verbale mentale Repräsentationen organisiert, die im visuellen und verbalen Arbeitsgedächtnis gespeichert werden. Schließlich werden diese Repräsentationen sowohl miteinander verknüpft als auch mit entsprechendem Vorwissen im Langzeitgedächtnis integriert.
Um solche Prozesse zu fördern, wurden verschiedene Gestaltungsprinzipien entwickelt, welche die kognitive Belastung der Lernenden beim Lernen mit solchen multimedialen Lernumgebungen berücksichtigen [7]. Demnach wird das Lernen gefördert, wenn entsprechende verbale und visuelle Repräsentationen gleichzeitig im Arbeitsgedächtnis verarbeitet werden können und dazu die kognitive Belastung nicht für unwesentliche Informationen verwendet werden muss. Zudem unterstützt eine gleichzeitige Präsentation mehrerer Repräsentationen den Lerner dabei, Informationen über die verschiedenen Repräsentationen hinweg zu integrieren [8].
In diesem Beitrag wird ein Ansatz für ein entlang dieser theoretischen Grundlagen gestaltetes, AR-basiertes Lernen beim Experimentieren an einem Beispiel aus dem Themenbereich der Wärmelehre vorgestellt.
Experimentaufbau und multimediale Lernumgebung
In dem hier beschriebenen Experiment wird die Wärmeleitung in Metallen untersucht. Der theoretische Hintergrund des Experiments ist in Kasten 1 kurz beschrieben.
Wärmeleitung im Metallstab
Wärmeleitung im Metallstab
Der Metallstab wird auf der einen Seite mit konstanter Heizleistung erwärmt und auf der anderen Seite abgekühlt. Bei idealisierter Betrachtung, also bei perfekter Isolierung des Stabs, erreicht das System nach einiger Zeit einen stabilen Zustand mit einem heißen und einem kalten Ende und einen konstanten Raumgradienten entlang der Stabachse. Dieser erlaubt es, die Wärmeleitfähigkeit λ des Materials zu berechnen.
Gemäß dem fourierschen Gesetz ist die Wärmeleitung λ, also die Energiemenge, die durch...

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Physik Nr. 179 / 2020

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