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Druckansicht von http://lehrerfortbildung-bw.de/faecher/physik/gym/nm/video/didaktik/, Stand 1. Nov. 2014

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Digitale Videoanalyse


Bisher nicht Messbares wird messbar!

Evelin und Sophie lassen einen elastischen Ball fallen. Stefans Auswertung der anschließenden Springbewegung ergibt das untenstehende s-t-Diagramm.

Wenn Sie die Auswertung selbst nachvollziehen wollen, lesen Sie das Blatt Praktikumsversuche (Ende dieser Seite)!

Einleitung

Neuerdings gibt es mit der digitalen Videoanalyse einen einfachen Weg, die Schüler mit dem Mechanikunterricht zu überzeugen und sogar zu begeistern. Die Methode wurde in den 90er Jahren an verschiedenen amerikanischen und deutschen Universitäten entwickelt, ist aber erst jetzt für Schulen wirklich bezahlbar geworden, seit digitale Videokameras für einige Hundert € zu haben sind. Besonderes Gewicht hat dies, weil der bisherige Physikunterricht die Schüler nicht nachhaltig zu überzeugen scheint, dass unsere Experimente und Erklärungsmodelle ihre eigene Wirklichkeit betreffen. Eine ausführliche Begründung gibt der Artikel
(Claus Meyer-Bothling: Neue Medien – Hilfe oder Hindernis, Lehren und Lernen 10/2001
), dessen Manuskript [pdf] [228 KB] Sie hier finden.

Das Prinzip

Das Prinzip der „DiVA” ist einfach: Eine Bewegung wird mit einer Videokamera aufgenommen und auf einen Computer überspielt. Das digitale Video kann nun mit einem Hilfsprogramm ausgewertet werden, d.h. der untersuchte Punkt wird von Bild zu Bild durch Anklicken mit der Maus identifiziert. Das Ergebnis der Auswertung ist eine Tabelle von Wertepaaren, die Ort und Zeit des relevanten Punktes wiedergeben.Die Wertepaare können nun mit üblichen Programmen weiter verarbeitet, also beispielsweise als Orts-Zeit-Diagramm oder Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm dargestellt werden. Für eine quantitative Auswertung müssen die Bildrate, sowie eine Länge im Bild bekannt sein, aber alle Detailarbeit lässt sich an den Rechner delegieren.Das Erstellen eines s-t-Diagrammes, traditionell ein langwieriger Vorgang, ist damit zu einer einfachen Vorbereitung geworden. Der Schwerpunkt verlagert sich auf die Interpretation der Diagramme und auf das Verständnis bzw. die Verfeinerung des Experimentes, d.h. auf die eigentliche Physik.

Ein Mechanikkurs mit DiVA

Ein Mechanikkurs, der Videoanalyse einsetzt, braucht – grob gesagt – drei Phasen.

  1. Zu Beginn werden einfache Bewegungen aus der Schülerwelt direkt mit Stoppuhr und Meterstab gemessen. Dabei begegnen die Schüler (gemeint sind immer auch die Schülerinnen) denselben Prinzipien, die auch die Videoanalyse einsetzt, und werden damit auf die späteren Abstraktionsschritte gründlich vorbereitet. Das Wichtigste sind die Messung von Ort und Zeit, das Kennen lernen systematischer Fehler, die Beschreibung von Bewegungen durch die Orts- und Zeitkoordinaten, sowie das Verständnis der zugehörigen Diagramme.
  2. In einer zweiten Phase lernen die Schüler wie bisher die Erklärungsmodelle der Physik, darunter die Bewegungsgleichungen, die Newtonschen Gesetze, Vektoren, Erhaltung von Energie und Impuls.
  3. Spätestens in der dritten Phase kommen die Vorteile der Videoanalyse zur Geltung, denn bisher nicht messbares wird nun messbar: Bewegungen aus allen möglichen Gebieten können differenziert untersucht werden, beispielsweise das Hüpfen eines Balles, die Schwingung einer Schaukel, die Bahn eines (angeschnittenen) Tischtennisballes oder ein Trampolinsprung. Das kann im Unterricht vor der ganzen Klasse geschehen, aber natürlich bietet sich hier eine gute Gelegenheit, dass die Schüler im Projektunterricht die physikalischen Modelle auf ihre eigene Welt selbständig anwenden. Hier findet auch Binnendifferenzierung statt, denn einerseits können die Schüler schon auf physikalisch niedrigem Niveau das Gelernte sichern und mit ihren eigenen Vorstellungen von der Welt verknüpfen, und andererseits können sie in ihrem Projekt die physikalischen Modelle beliebig vertiefen und verfeinern. (Dass hier die behutsame Hilfestellung des Lehrers entscheidend zum Erfolg beiträgt, ist selbstverständlich.)

Bezug zum Lehrplan

Ein möglicher Mechanikkurs nach bisherigem Lehrplan („Bildungsplan”) wird hier [pdf] [16 KB] vorgestellt.

Auch nach dem zukünftigen Lehrplan („Standard”) gibt es viele Gelegenheiten, die Videoanalyse einzusetzen. Geeignete Themen sind:

  • Kraft, Geschwindigkeit, Impuls, Impulserhaltung, Beschleunigung
  • Zentripetalkraft, Drehimpuls und Drehimpulserhaltung
  • Energie, Energieerhaltung
  • Beschreibung von mechanischen Energietransporten
  • Harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung
  • Mechanische Welle
  • Stehende Welle, Eigenschwingungen begrenzter Wellenträger
  • Reflexion, Brechung

Auch die Leitgedanken und Kompetenzen des Standards lassen sich mit der Videoanalyse in wesentlichem Umfang verwirklichen. Dies wird an zwei Aufgaben beispielhaft dargestellt:

Insbesondere in der zweiten Aufgabe wird deutlich, dass die Videoanalyse nicht nur in der Physik, sondern auch in fächerverbindenden Themen aus Physik und Sport, Physik und Biologie, Natur und Technik, ... eingesetzt werden kann.

Folgen für den Unterricht

Die DiVA ist nicht nur eine Messmethode, sondern sie hat darüber hinaus Wirkungen auf den Unterricht:

  • Die untersuchte Bewegung muss nicht einfach sein und auf dem Experimentiertisch stattfinden, sondern nun können Bewegungen aus der Lebenswelt der Schüler untersucht werden, die bisher der Messung nicht zugänglich waren.
  • Die Gesamtschau des Vorganges bekommt eine höhere Bedeutung als die Betrachtung einzelner Werte.
  • Das bisher mühsame Gewinnen und Berechnen einzelner Messwerte wird stark vereinfacht, so dass sich die Schüler stärker auf den eigentlichen Versuch konzentrieren, Veränderungen planen und die wieder analysieren können – Die Beschäftigung mit der Physik rückt in den Vordergrund.
  • Die Schüler können Teile ihrer Lebenswelt zum Gegenstand der Untersuchung machen. Manche gewinnen dadurch mehr Interesse an der Physik.

Praktikum

Ob Sie die Videoanalyse im Unterricht oder auf einer Fortbildung einsetzen, hier ist eine Reihe von Vorschlägen für Praktikumsversuche.

Claus Meyer-Bothling,

 

 

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Letzte Änderung: 08.12.2013