Neue Medien in der Physikausbildung

Transcription

Ein Bericht über den Einsatz
Neuer Medien
in der Physikausbildung
Emmerich Kneringer
Universität Innsbruck
server:projekt - 5.BM
Initiative "Neue Medien in der Lehre an
Universitäten und Fachhochschulen"
Innsbruck
29. - 30. November 2002
Bemerkung:
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Hier ein Beispiel
← zu dem
dargestellten
physlet (Aufzug).
Untertitel:
Warum machen Neue Medien
in der Physik süchtig?
potentiell
suchtgefährdet:
Experimentalphysiker
E. KNERINGER
5.BM - 2002
2
Abstract
Anhand
Anhandeiner
einerReihe
Reihevon
vonBeispielen
Beispielenwird
wirdgezeigt,
gezeigt,wie
wiephysikalische
physikalische
Lerninhalte
unter
Verwendung
von
Simulationen
für
den
Lerninhalte unter Verwendung von Simulationen für den
Hochschulunterricht
Hochschulunterrichtaufbereitet
aufbereitetwerden
werdenkönnen.
können.Besonderes
Besonderes
Augenmerk
wird
dabei
auf
die
Interaktivität
der
Studenten
Augenmerk wird dabei auf die Interaktivität der Studentenmit
mitdem
dem
Simulationsprogramm
gelegt.
Durch
Wahl
von
geeigneten
Simulationsprogramm gelegt. Durch Wahl von geeigneten
Parametern
Parameterneines
einesvirtuellen
virtuellenExperimentes
Experimentessoll
sollso
sodie
dieAntwort
Antwortauf
auf
eine
physikalische
Fragestellung
gefunden
werden.
eine physikalische Fragestellung gefunden werden.
Da
Dadie
dieNeuen
NeuenMedien
Medienparallel
parallelzu
zuden
dentraditionellen
traditionellenLehrmethoden
Lehrmethoden
verwendet
werden,
kann
man
leicht
erkennen,
was
die
verwendet werden, kann man leicht erkennen, was dieVorVor-und
und
Nachteile
der
Neuen
Medien
sind.
Eine
Umfrage
unter
Studenten
Nachteile der Neuen Medien sind. Eine Umfrage unter Studenten
während
währenddes
desSemesters
Semesterssowie
sowiespätere
spätereRückmeldungen
Rückmeldungengeben
gebendie
die
studentische
Sichtweise
wieder.
studentische Sichtweise wieder.
E. KNERINGER
5.BM - 2002
3
Zusatzinformationen
• •Ziel
Zielund
undArt
Artder
derMedienunterstützung
Medienunterstützung
Webbasierte
WebbasierteSimulationen
Simulationen
• •Zielgruppe
Zielgruppe(Umfang,
(Umfang,Fach,
Fach,Position
Positionim
imStudium)
Studium)
Ergänzung
Ergänzungzu
zuden
denGrundvorlesungen
Grundvorlesungendes
desPhysikstudiums
Physikstudiums
• •Besondere
BesondereRandbedingungen
Randbedingungender
derLehrveranstaltung,
Lehrveranstaltung,des
desMedieneinsatzes
Medieneinsatzes
keine
keine
• •Sichtweise
Sichtweisedes
desVortragenden
Vortragenden
Hochschullehrer
Hochschullehrer
• •Gewonnene
GewonneneErfahrungen
Erfahrungen
davon
davonwird
wirdzu
zuerzählen
erzählensein
sein
• •Hinweise
Hinweisefür
fürNachahmer/Übernehmer
Nachahmer/Übernehmer
macht
machtsüchtig
süchtig
zur
Auflockerung
zur Auflockerungdes
desUnterrichts
Unterrichtssehr
sehrempfehlenswert
empfehlenswert
fördert
den
Experimentiercharakter
fördert den Experimentiercharakter
• •Angaben
Angabenzum
zumReferenten
Referenten
Universitätsassistent
Universitätsassistentam
amInst.
Inst.f.f.Experimentalphysik
Experimentalphysikder
derUni
UniInnsbruck,
Innsbruck,
der sich aus Eigeninitiative mit den Neuen Medien in der Hochschullehre befasst.
der sich aus Eigeninitiative mit den Neuen Medien in der Hochschullehre befasst.
E. KNERINGER
5.BM - 2002
4
Übersicht

Allgemeine Bemerkungen

5 Komplexitätsstufen
Beispiele: Web-Formulare

E. KNERINGER
Verstehen durch Visualisieren
Akzeptanz neuer Medien

Atommodelle, Streuung, Zerfälle (Serverprogramme)
Physlets (Klientenprogramme)
Josephs These

Chronologie
Umfrage unter StudentInnen
Schlussbemerkungen
5.BM - 2002
Joseph
Joseph
↓↓
Studenten
Studenten
↓↓
Vortragender
Vortragender
5
Exp
Exp11
Exp
Exp33
Exp
Exp22
Warum
Neue Medien
in der Lehre?
Exp
Exp44

Die Physikausbildung präsentiert
die kondensierte Essenz vieler
z.T. anschaulicher Experimente in
knappen, abstrakten Formeln.

E. KNERINGER
z.B. Maxwell-Gesetze der Elektrodynamik
Diese Formeln werden zum Leben
erweckt, indem man sie auf
konkrete Fragestellungen
anwendet.
Die Neuen Medien erlauben es,
die mathematischen Formeln in
einfacher Weise zu visualisieren.
5.BM - 2002
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Chronologie

1991: WWW am CERN/Genf erfunden
1995: meine erste Web-Anwendung

seit 1999: Neue Medien in der Lehre

Phase 1
web-basierte Physiksimulationen
z

scriptable Java applets
z

komplette Eigenproduktionen
2001: Physlets

Phase 2
Verwendung von software anderer
2002: Baukasten (für Physikexperimente)

E. KNERINGER
Bilddatenbank am CERN
kaum Programmierkenntnisse notwendig
5.BM - 2002
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Allgemeines zum Thema
Lehren und Lernen mit Neuen Medien

Die Erwartungen an multimediales und
internetbasiertes Lernen sind gross!

E. KNERINGER
Können Sie immer erfüllt werden?
Überwiegen die Vorteile?
Welche Nachteile gibt es?
Wo liegen die Grenzen?
hoher
hoher Lernerfolg
Lernerfolg
erwünscht!
erwünscht!
ideal für Naturwissenschaften, speziell Physik
andere Vorträge: Theorieansätze
dieser Vortrag: aus der Praxis
5.BM - 2002
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beim Lehren mit Neuen Medien können
verschiedene Schwerpunkte gesetzt werden

z.B. Video, Animationen, MultiMedia allgemein
+
+
−

Ortsunabhängigkeit/Internet
+
−

Einbeziehung mehrerer Sinne
Dynamik von Systemen, Zeitentwicklung
nur sinnvoll wenn sorgfältig konzipiert → Folie 47
bessere Zeiteinteilung des Lernenden
eingeschränkte Dialogmöglichkeiten mit dem Lehrer
Interaktivität/Interaktion
+
virtuelles Labor, trial and error, learning by doing
diese Initiative (kein Projekt!)

noch kein langfristiges Konzept

E. KNERINGER
aus Zeitgründen (“one man show“) langsamer Umstieg
auf die Lehre mit den Neuen Medien
viele Einzelaktionen
Lösungen für spezielle Probleme
5.BM - 2002
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Die Neuen Medien erlauben es Physikern
Gedankenexperimente/Simulationen, d.h.
virtuelle Experimente durchzuführen.

Vorteile:
z
billig
z ungefährlich
z 100% reproduzierbar
Was sind die Neuen Medien?
- gebe hier keine genaue Definition,
sondern zeige sie in Aktion
E. KNERINGER
5.BM - 2002
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Wie habe ich die NM in der
Lehre bisher eingesetzt?

home pages begleitend zu LV

Vorlesung mit Web-Präsentation

Unterlagen, Zusatzinfos
im Gegensatz zu .PPT
Videofilm eines Experimentes mit (online-)
Auswertung am Computer (nächste Folie)
Hausaufgaben, die mittels eines
Programms (Web-Formular) über das
Internet gelöst werden können
Mechanik Vorlesung mit interaktiven
Simulationen
in diesem Vortrag
E. KNERINGER
5.BM - 2002
11
VideoMess- und
Präsentationssystem
(ViMPS)
Video
Bestimmung der Erdbeschleunigung
E. KNERINGER
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12
ViMPS
E. KNERINGER
5.BM - 2002
13
Neue Medien
in zunehmender Komplexität
1.
2.
3.
Powerpoint ohne Animation (≈ Overhead)
Powerpoint mit Animation (≈ Folien abdecken)
animierte Gifs, Videoclips
der Grieche spaltet Materie
und sucht Atome
(flash Animation)
E. KNERINGER
5.BM - 2002
14
Neue Medien
1.
2.
3.
schematische Darstellung einer
Teilchenkollision in einem
Beschleunigerexperiment
E. KNERINGER
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15
Neue Medien
1.
2.
3.
4.
Simulationen mit Interaktion (Steuerung)

E. KNERINGER
Web-Formulare
Applets
Physlets
Kann das Auto vor dem
Hindernis anhalten?
5.BM - 2002
16
Neue Medien
1.
2.
3.
4.
5.
Simulationen mit Interaktion (Steuerung)
interaktive Erstellung einer Simulation

Baukasten
enthält
z
physikalische Objekte
z physikalische Gesetze
E. KNERINGER
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17
Der Baukasten
E. KNERINGER
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18
Der umfallende (elastische) Turm
E. KNERINGER
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19
Drei Beispiele aus Phase 1
E. KNERINGER
5.BM - 2002
20
1. Atommodelle

a) Rutherford:

b) Thomson (Alternativmodell):

Streuung an Atomen, daher Mehrfachstreuung
INPUT: Einzelstreuwinkelverteilung
Methode:

E. KNERINGER
α Strahl → auf Goldfolie
bei grösseren Ablenkwinkeln praktisch nur
Einfachstreuung
Berechnung/Abschätzung des maximalen
Streuwinkels bei homogener Kugelladung und
Vergleich mit dem Experiment
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21
Web
Web -Formular:
Formular:
Streuprogramm
E. KNERINGER
5.BM - 2002
22
Maximaler Streuwinkel bei
homogener Kugelladung

analytisch nicht
rechenbar
für Unterscheidung
RutherfordThomson
Atommodell
für Überlegungen
zur Substruktur des
Proton
job_max_animation.gif
E. KNERINGER
5.BM - 2002
23
job_rel2_animation.gif
Vergleich
relativistisch - nichtrelativistisch
nichtrelativistisch
relativistisch
klassisch,
keine Quantenmechanik,
Interpretation als
Periheldrehung
(wie in der ART)
zur Orientierung:
Radius des Proton
E. KNERINGER
5.BM - 2002
24
singul_zoom1_2.gif
Singularität
Der minimale Drehimpuls
wird unterschritten,
das Teilchen wird von der
Singularität verschluckt!
E. KNERINGER
5.BM - 2002
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Beachte

Die Simulation wird immer mit den
theoretischen Grundlagen kombiniert.
Ohne diese Grundlagen ist man ziemlich
sicher überfordert (“man muss einen
Simulator bedienen können,
um ihn geniessen zu können“).
Es soll immer eine Aufgabe gelöst werden,
die das Verständnis der der Simulation
zugrundeliegenden Physik erfordert.
E. KNERINGER
5.BM - 2002
26
2. Mehrfachstreuung

Analyse der Statistik von vielen Einzelstreuungen
E. KNERINGER
5.BM - 2002
27
Web
Web -- Formular:
Formular:
Mehrfachstreuung
eigentliche Aufgabe
Ausfüllen der Maske im Web-browser

Anzahl der Atome
maximaler Streuwinkel
Anzahl der einlaufenden
Teilchen (Statistik)
Wahl der Einzelstreuwinkelverteilung
z
z
z
z
z
z

Gleichverteilung
Gaussverteilung
Dreieck /\
Dreieck \/
1/x (Pol bei 0)
1/x (Pol bei max)
Optionen
E. KNERINGER
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28
Ergebnis

Demonstration des Zentralen Grenzwertsatzes
E. KNERINGER
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29
Web
Web -- Formular:
Formular:
Lebensdauer
3.
oder Bsp. Tritium
(νe -Massenbestimmung)
E. KNERINGER
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30
Simulationsprogramme
1. NICHT Internet-basiert

2. Web/Internet-basiert
plattformabhängig
lokale Installation
manchmal kostenpflichtig
Atomos - Repetitorium
der Atomphysik
(Programme zu Bohr,
Rutherford, Schrödinger)
Qphyslab [lizenzpflichtig]
(1-d Schrödingergl,
2-Zustandssysteme)
Field-Lab , Beisp.
Matlab
E. KNERINGER

5.BM - 2002
plattformunabhängig
sofort verwendbar
(falls Internetanschluss
vorhanden)
manchmal kostenpflichtig
Applets - vom Klienten
(browser) ausgeführt
Physlets = scriptable
physics Applets
→ einfach modifizierbar
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Applets

geschlossenes System
steuerbar, aber nicht modifizierbar
Beispiele
Superposition von Wellen, Gruppengeschwindigkeit
Newtons Apfel
auch als Physlet implementierbar

E. KNERINGER
5.BM - 2002
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Physlets
(scriptable Java Applets designed for physics education)

für einfache physikalische Simulationen
erfordert geringe Programmierkenntnisse
Philosophie:
Was kann ich mit den zur Verfügung
stehenden Bausteinen konstruieren?
manches nicht implementiert

recycling sehr effizient
gezeigte Beispiele (in diesem Vortrag):

E. KNERINGER
z.B. Rotationen
umfallender Turm
Bremsweg des Autos
Newtons Apfel
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Josephs These

Metaphorik der Maschine

Neue Metaphorik

"Verstehen" bedeutet, etwas mittels Zahnrädern und
sich hin und her bewegenden Stangen zu visualisieren.
"Verstehen" bedeutet,
etwas mittels Computerprogramm zu visualisieren.
Joseph glaubt, dass diese Änderung
tiefgreifende Konsequenzen haben wird.
E. KNERINGER
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34
Neue Metaphorik

genau das passiert in der Physik

"Verstehen" in der Physik bedeutet, die grundlegenden
physikalischen Gesetze interpretieren und anwenden zu
können.
In der höchsten Komplexitätsstufe der Anwendung der
Neuen Medien in der Physik bedeutet dies aber genau
das Visualisieren mittels eines Computerprogramms.
Beispiel

Newton's Apfel und das Gravitationsgesetz
z
E. KNERINGER
Ein fallender Apfel und der kreisende Mond sind,
physikalische gesehen, dasselbe Phänomen.
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Visualisierung mittels
Computerprogramm
folgendes Programm in den Baukasten kopieren
Erde =
document.Animator1.addObject("circle","x=0.0,y=-6.4,r=6400");
document.Animator1.setRGB(Erde,0,0,255);
document.Animator1.setSticky(Erde,true);
Apfel = document.Animator1.addObject("circle","r=5");
document.Animator1.setTrail(Apfel,1000);
document.Animator1.setForce(Apfel, "0","0",0.0,0.1, 0.001,0.0);
document.Animator1.addInteraction(Erde, Apfel,"-0.0004/r/r","r");
document.Animator1.setSticky(Apfel,true);
document.Animator1.forward();
time step per frame = 5
pixel per unit = 1000
E. KNERINGER
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36
Computerprogramm
E. KNERINGER
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37
Computerprogramm
E. KNERINGER
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38
Computerprogramm
E. KNERINGER
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39
Computerprogramm
E. KNERINGER
5.BM - 2002
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Meinungsumfrage
unter StudenInnen zur
Akzeptanz Neuer Medien
E. KNERINGER
5.BM - 2002
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E. KNERINGER
5.BM - 2002
42
Schlussbemerkungen
E. KNERINGER
5.BM - 2002
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WH: Chronologie

Phase 1 (99 - 01)

Speziallösungen für bestimmte Themenbereiche
z
verwendbar für eine kleine Klasse von anspruchsvollen
Problemen
Streuung von Teilchen
Zerfall von Atomkernen

Phase 2 (01 - 02)

umfassende Lösung (Physlets)
z
kann fast den gesamten Stoff einer
Physikgrundvorlesung abdecken
Mechanik
Elektrizität
z
Lehrbuch der Physik auf dieser Grundlage möglich
→ wird von amerikanischen Kollegen realisiert
E. KNERINGER
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Wenige wollen auf den
fahrenden Zug aufspringen!

man begibt sich auf ein Gebiet (Neue Medien),
auf dem man nicht ausgebildet ist
die erfolgreiche Umsetzung ist nicht trivial
daher gibt es wenige Eigenentwicklungen

man kauft ein oder lässt von Profis entwickeln
Angst, sich zu blamieren?

E. KNERINGER
Studenten kennen sich mit den Neuen Medien zum Teil
besser aus, als man selbst
5.BM - 2002
45
Ist es der richtige Weg?

man versucht Studenten etwas zu verkaufen,
von dem man selbst überzeugt ist

"Wenn ich zu meinen Studienzeiten so etwas gehabt hätte, dann
hätte ich mich sicher leichter getan."
man geht von seinem eigenen Lerntyp aus
"schlecht gemacht ist nicht angebracht"

der Einsatz von Animationen (eines physikalischen Prozesses)
muss wohlüberlegt sein
z
man sieht selber nur den gewünschten Aspekt
z die Studenten sehen u.U. ganz etwas anderes

wenn eine Animation einen Sachverhalt gut darstellt,
gleichzeitig aber bestimmte Aspekte nicht korrekt wiedergibt,
muss das unbedingt diskutiert werden
z
Beispiel: Luftreibung beim Flug des Newton'schen Apfels
Wir
Wirhoffen,
hoffen,der
derZug
Zugfährt
fährt
nicht
auf
einem
Abstellgleis!
nicht auf einem Abstellgleis!
E. KNERINGER
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Einfluss von Animationen
auf die Antworten von Studenten
(auf konzeptuelle Fragen der Physik)
(M.Dancy, A.Titus, R.Beichner)
webphysics.davidson.edu/Applets/resources/EffectofAnimation.pdf

Um die Frage beantworten zu können, ob die
neuen Medien ein besseres/korrekteres
Verständnis von physikalischen Konzepten hier dem Kraftkonzept - ermöglichen, wurden
Animationen eingesetzt, um die Dynamik bei
Vorgängen, bei denen Kräfte im Spiel sind, zu
vermitteln.

Es zeigte sich eine gewisse Ambivalenz:
je nachdem, welcher Aspekt bei einer Animation
besonders betont wurde, kam es zu einer
Zunahme oder Abnahme der Wahrscheinlichkeit
für eine korrekte Antwort (im Vergleich zum selben
Test ohne Verwendung von Animationen).
E. KNERINGER
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Lernplattform?
http://serverprojekt.fh-joanneum.at/sp/index.php?n=id240
Lernplattformen sind eines der wichtigsten Themen
für den Einsatz Neuer Medien in der Lehre.

nicht in der Physik
... sage ich nach 4 Jahre Neue Medien (ein Web server reicht)

da noch fast ausschliesslich Präsenzunterricht
wir müssen zuerst e-teaching beherrschen ...
... bevor e-learning für Studenten Sinn macht
StudentInnen müssen e-learning auch erst lernen

E. KNERINGER
im Kindergarten?!
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48
Schlussworte

E. KNERINGER
Befinde mich noch in der kreativen Phase.
Die rasante Entwicklung bisher liess noch
keine Standardisierung zu.
Einzelaktion
Offiziell wird noch keine Notwendigkeit für
den Einsatz Neuer Medien in der Physik
gesehen (Freiheit der Lehre).
Komplette Vorlesung auf der Basis Neuer
Medien wird als grosse Herausforderung
gesehen.
Aussage?
5.BM - 2002
49
In diesem Sinne

Freie Fahrt voraus!

E. KNERINGER
Die Hindernisse aus dem Weg, bitte.
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