Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
VORWORT
1 - LERNEN MIT DEM COMPUTER – COMPUTERLERNEN
1.1 - Programmierter Unterricht
1.2 - CBT – Computer Based Training
1.3 - Hypermedia
2 - COMPUTER IM PHYSIK-UNTERRICHT?
2.1 - Einsatzbereiche des Computers im Physikunterricht
2.1.1 - Mathematische Berechnungen
2.1.2 - Simulationen
2.1.3 - Auswertung von Ergebnissen
2.1.4 - Modellbildung
2.1.5 - Meßwerterfassung
3 - SOFTWARE-TYPOLOGIE
3.1 - Präsentations- und Visualisierungssoftware
3.2 - Drill- und Testsoftware
3.3 - Tutorensysteme
3.4 - Simulationen
3.5 - Modellbildungssoftware
4 - PROGRAMME FÜR DEN PHYSIKUNTERRICHT
4.1 - INTERACTIVE PHYSICS V2.5
4.1.1 - Kurzbeschreibung:
4.1.2 - Technische Beschreibung
4.1.2.1 - Editor-Fenster
4.1.2.2 - Editor-Leiste
4.1.2.3 - Play-Leiste
4.1.2.4 - Bestimmung der Zykloide eines Rades mit IP2.5
4.1.3 - INTERACTIVE PHYSICS im Unterricht
4.2 - DYNASYS
4.2.1 - Kurzbeschreibung
4.2.2 - Technische Beschreibung
4.2.2.1 - Modelleditor
4.2.2.2 - Diagramm- und Tabellenausgabe
4.2.2.3 - Die numerischen Verfahren
4.2.3 - DYNASYS im Unterricht
4.3 - DAVID
4.3.1 - Kurzbeschreibung
4.3.2 - Technische Beschreibung
4.3.2.1 - Aufnahme von Bewegungen
4.3.2.2 - Auswertung der Meßdaten
4.3.3 - DAVID im Unterricht
4.4 - EUKLID
4.4.1 - Kurzbeschreibung
4.4.2 - Technische Beschreibung
4.4.2.1 - Konstruieren von geometrischen Figuren
4.4.3 - EUKLID im Unterricht
4.4.3.1 - Optik
4.4.3.2 - Mechanik
4.4.3.3 - Akkustik
4.5 - PAKMA
4.5.1 - Kurzbeschreibung
4.5.2 - Technische Beschreibung
4.5.2.1 - Begriffsklärung
4.5.2.2 - Arbeiten mit vorhandenen Projekten
4.5.2.3 - Modifikationen an vorhandenen Projekten
4.5.2.4 - Erstellen eigener Projekte
4.5.3 - PAKMA im Unterricht
4.6 - HOME PLANET 3.1
4.6.1 - Kurzbeschreibung
4.6.2 - Technische Beschreibung
4.6.2.1 - Darstellungsmöglichkeiten des Himmels
4.6.2.2 - Der Objekt Katalog (Object catalogue)
4.6.2.3 - Weitere Darstellungsmöglichkeiten
4.6.3 - HOME PLANET im Unterricht
5 - FAZIT
LITERATUR
Programmquellen
Vorwort
Computer gewinnen in der heutigen Zeit für die Gesellschaft und das Leben in ihr immer mehr an Bedeutung. In nahezu allen Bereichen und Berufsgruppen ist der Computer als Arbeitsmittel heute kaum noch zu ersetzen.
Nach einhelliger Meinung von Politikern und Pädagogen ist es daher notwendig, bereits in der Schule mit der Erziehung und dem Unterricht mit und am Computer zu beginnen.
Aus diesem Anlaß betrachtet diese Arbeit die Möglichkeiten, die ein Einsatz des PC / Computers innerhalb des Physikunterrichtes eröffnet.
Neben einer allgemeinen Übersicht, wie sich das Lernen am und mit dem Computer entwickelt hat, werden besondere Aspekte, die im Physikunterricht eine Rolle spielen betrachtet: wie und wofür ist ein Einsatz des Mediums Computer im Physikunterricht denkbar, möglich oder auch nicht.
Anschließend werden kurz die Idealtypen von Computerprogrammen beschrieben, die für einen Einsatz im Unterricht in Frage kommen.
Der anschließende Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit einer Vorstellung verschiedener Programme. Neben den Beschreibungen, was und wie etwas mit dem Programm zu erreichen ist, welche Einsatzmöglichkeiten es erlaubt, inwieweit der Benutzer bereits Erfahrungen am PC mitbringen muß usw., werden weiterhin die grundsätzlichen Bedienelemente und Programmeigenschaften erläutert, so daß sich der potentielle Nutzer ein Bild davon machen kann, ob das Programm für seine Zwecke und Anwendungen im Unterricht geeignet ist.
Hierbei wurden nur solche Programme untersucht, die sich ohne größere Einarbeitungszeit im Unterricht einsetzen lassen. Zwar existieren durchaus noch andere, komplexere Programme, bei denen die nötige Einarbeitungszeit einen Unterrichtseinsatz allerdings nicht zuläßt, da hierfür teilweise mehrere Schulstunden benötigt werden würden.
Weiterhin werden jeweils kurz denkbare Einsatzbereiche im Physikunterricht vorgestellt, sowie Möglichkeiten aufgezeigt, bestimmte Unterrichtsinhalte umzusetzen.
Am Ende der Arbeit stellt das Fazit die persönlichen Erfahrungen und Einschätzungen dar, die ich während der Untersuchung und dem Testen der Programme gemacht habe.
1 - Lernen mit dem Computer – Computerlernen
Medien sind und waren schon immer Bestandteil einer Didaktik. Allerdings sind mit dem Aufkommen des Computers in der Arbeitswelt diesem neuen Medium immer wieder Sonderstellungen, bis hin zum Ersatz des Lehrenden, zugesprochen worden. Die diversen Konzepte und Theorien die sich für einen Computereinsatz beim Lernen aussprechen sind alle gemeinsam dahingegen ausgerichtet, dass sie sowohl Lehr- als auch Bildungsprozesse mit Hilfe von Computern bzw. Lehr- und Lernprogrammen unterstützen, ja teilweise sogar ersetzen möchten.
Hierbei tauchen immer wieder sehr unterschiedliche Begrifflichkeiten, wie z.B. Computer Based Training (CBT), Programmierter bzw. Computer Unterstützter Unterricht, Hypermedia usw. auf. Auch wenn die Anzahl dieser Begriffe auf eine Vielzahl von Unterschieden und diversen Ansätzen schließen läßt, so sind die Übergänge jedoch meist fließend und nur sehr geringfügig.
Sinnvoll erscheint daher eine Einteilung, die sowohl maßgebliche Unterschiede, als auch eine historische Einordnung aufzeigt:
- Programmierter Unterricht
- CBT (Computer Based Training)
- Hypermedia
1.1 - Programmierter Unterricht
Der Programmierte Unterricht kam in den sechziger Jahren auf.
Sinn und Zweck dieser „Unterrichtsart“ war die Hoffnung auf eine hohe bis sehr hohe Behaltensleistung des Lernenden, die dem Lernen am Computer zugeschrieben wurde. Des weiteren setzte man große Hoffnung, irgendwann den Lehrenden durch Programme und Computer überflüssig zu machen, also zu ersetzen. Man sah im Computer und den dazugehörigen Programmen einen „gerechteren“ Informationsvermittler, der emotional unbeeinflußt auf den Lernenden „eingehen“ kann. Zusätzlich könnten so Lernabschnitte beliebig oft wiederholt und vertieft werden.
Maßgeblich wurde der Programmierte Unterricht dabei von Skinner/Watson und dem Behaviorismus1 beeinflußt.
1.2 - CBT – Computer Based Training
Bereits mit Beginn der 80er Jahre entstanden Programme, deren Nachfolger heute auf dem Markt der Lernsoftware immer noch Bestand haben.
Hierbei tauchten immer wieder Begriffe wie Computer Assisted Instruction (CAI), Computerunterstütztes Lernen (CUL) Computerunterstützter Unterricht (CUU) auf. Diese Programmarten entstanden in erster Linie zur Nutzung in Aus- und Weiterbildung, also auch als schulergänzende Übungsprogramme, wie z.B. Vokabeltrainer. Grundlegend für ihren Erfolg war die damalige rasche Verbreitung des Computers in Firmen und Ämtern, sowie die zunehmende Verbreitung sogenannter Volks- oder Homecomputer wie den Commodere-Modellen VC20 und C64.
Vorrangig waren diese Art von Programmen dafür entwickelt worden, den Lehrenden von sich immer wiederholenden Aufgaben, also Routinearbeiten, zu entlasten.
Weiterhin sollte eine individuelle Bearbeitung des Lernstoffes durch den Lernenden möglich werden.
Allerdings scheiterten diese Programme sehr schnell an ihrer einfachen Struktur: nach Anfänglicher Begeisterung für das neue Medium wurde die Arbeit damit für die Lernenden schnell langweilig, da sich diese Systeme nur auf Vermittlung und Überprüfung von Faktenwissen beschränkten, dabei aber methodische und didaktische Aspekte vernachlässigten.
Heute haben diese Programme nur noch in der Vermittlung von Faktenwissen, wie z.B. als Vokabeltrainer ihre Anwendung.
1.3 - Hypermedia
Hypermedia ist die mit dem Aufkommen des Internets erschienene, neueste Art des Lernens am Computers mit der Absicht, Bildungs- und Lernprozesse mit dem Computer zu verknüpfen.
Hypermedia setzt sich dabei aus den Begriffen Hypertext und Multimedia zusammen. Multimedia ist mit dem steigenden Interesse am Internet zu einem Schlagwort der Gesellschaft und zum Synonym für den Umgang mit neuen Medien geworden. Mit Multimedia wird der Zusammenschluß bisher getrennter Einzelmedien wie Video, Audio, Bild-, Animations- und Textpräsentationen genannt, welche auf einem multimediafähigem Rechner dargestellt werden kann.
Neu hierbei ist vor allem der Aspekt der Interaktion: der Computer reagiert nun nicht mehr im Sinne von richtig oder falsch auf eine Antwort des Benutzers. Vielmehr kann der Nutzer sich Hintergrundinformationen aufzeigen lassen oder auch Parameter bei Simulationen selbständig verändern.
Als Hypertest ist der flexible Zugriff auf Textdokumente zu verstehen, die nicht wie bisher in linearer Form geschieht. Ein Text kann nun „verlinkt“ werden, womit die Verknüpfung von Seiten, Grafiken, Stichworten usw. gemeint ist. Somit ist es für den Benutzer möglich, die Informationen nach seinen eigenen, persönlichen Bedürfnissen abzurufen.
Unter Hypermedia versteht man somit die zusätzliche Möglichkeit der Verknüpfung mit multimedialen Inhalten.
2 - Computer im Physik-Unterricht?
Filme, Schaubilder, Real-Experimente, Ergebnistabellen, Töne, bewegte und unbewegte Modelle, Overhead-Projektoren, ... – der (Physik-) Unterricht ist schon lange
„Multimedial“. Die aufgeführten Beispiele sind heute aus dem Schulalltag, insbesondere dem Physikunterricht, nicht mehr wegzudenken.
Neu ist allerdings, daß der Lehrende heutzutage die Möglichkeit hat, mit dem Einsatz eines Computers alle diese Aspekte zu vereinen:
Der Computer könnte heute z.B. Tafel, Dia- und Overhead-Projektoren und Videorekorder ersetzen. Auch lassen sich mit ihm unter Zuhilfenahme geeigneter Programme Versuche im Unterricht simulieren.
Ein weiteres Novum beim Computereinsatz stellen die (nahezu) unbegrenzten Möglichkeiten der Interaktion dar. Abläufe können kreativ auf die eigenen Bedürfnisse angepaßt werden.
Allerdings ist vor einem Einsatz im Unterricht die Frage zu stellen, inwieweit der Computer im Physikunterricht lohnend sein kann. Hierbei sind vor allem Überlegungen anzustellen, in welchen Gebieten der Computer eine sinnvolle Ergänzung bzw.
Ersetzung des „herkömmlichen“ Unterrichts sein kann und in welchen Gebieten er eher hinderlich oder überflüssig wäre.
Falsch ist die Ansicht, dass der Einsatz des Computers heutzutage unumgänglich und in jeder Situation notwendig ist. Zwar existieren inzwischen Programme für nahezu alle Themen und Teilgebiete des Unterrichts, allerdings ist die Umsetzung bzw. der didaktische Wert häufig fraglich, so daß in diesen Fällen eher von einem Einsatz abgesehen werden sollte.
Der öffentliche Druck, in Schulen interaktive Medien, also hauptsächlich Computer, einzusetzen, wächst. Mit den Medien wird die Vorstellung verknüpft, daß sie für eine zukunftsorientierte Bildung nicht nur hilfreich, sondern sogar notwendig sein könnten. Es gibt einen breiten Konsens darüber, daß sich Schule verändern und bewegen muß. So sollen bereits bis 2001 bundesweit ca. 44.000 Schulen sowohl mit Hilfe von staatlicher als auch wirtschaftlicher Unterstützung den Zugang zum Internet erhalten.2
Dahinter steht auch der Wunsch dem Schüler3 eine gewisse Kompetenz im Umgang mit den neuen Medien zu vermitteln. Und dies kann auch von Bedeutung sein, denn obwohl heutzutage schon viele Schüler einen eigen PC besitzen, so legen sie doch bei der Nutzung eher ein konsumorientiertes Verhalten an den Tag, wie z. B. Konsum von Spielen oder aber planloses „surfen“ im Internet.
Gerade hier stellt der Computereinsatz im Unterricht eine gute Chance dar, die Schüler aktiv zu beteiligen. Und hier muß auch die Medienerziehung einsetzen: dem Lehrer4 kommt hier die Aufgabe zu, sowohl Begeisterung als auch Kenntnisse der Schüler zu kanalisieren und den kreativen Umgang mit dem Computer als Medienwerkzeug aufzuzeigen. So lassen sich auch im Unterricht die Möglichkeiten des Mediums zur Interaktion und der Entfaltung eigener Kreativitäten nutzen.
2.1 - Einsatzbereiche des Computers im Physikunterricht
Schon früh in den 70er Jahren seit der Entwicklung der Mikrocomputer wurden verschiedene Wege erprobt, den Computer im Unterricht einzusetzen.
Speziell für den Physikunterricht bedeutete dies, dass versucht wurde Simulationen für viele Realexperimente zu entwickeln und zu programmieren, deren Nutzen aus heutiger Sicht allerdings mehr als fraglich war. Häufig lag der einzige Nutzen dieser Simulationen darin, aufzuzeigen, zu was der Computer grafisch und technisch zu leisten im Stande war, ohne dass diese Programme eine ernste Alternative zu den Realexperimenten darstellten.
Später ging man dann dazu über, den Computer hauptsächlich zur Meßwerterfassung und Meßwertauswertung zu verwenden, was auch nützlich war, da man nun umfangreiche Berechnungen vom Rechner ausführen lassen konnte. Auch grafische Auswertungen der Ergebnisse konnten so in relativ kurzer Zeit verwirklicht werden. Die Entwicklung ging soweit, dass Lehrmittelhersteller Interface-Systeme inklusive Auswertungssoftware für die üblichen Computer entwickelten.
Somit war auch die Meßwerterfassung mit dem Rechner im Unterricht möglich. Mit der schnell anwachsenden Leistungsfähigkeit der Rechner entstanden weitere Simulationsprogramme, welche sich im Gegensatz zu ihren frühen Vorgängern allerdings darin unterscheiden, dass sie verschieden Möglichkeiten des Eingriffs in den Programmablauf bieten. So können durch geeignete Parameterwahl beispielsweise komplexe und schwierige Situationen gezielt simuliert werden.
Hier kann das neue Medium als wirklich sinnvolle Ergänzung im Unterricht angesehen werden, denn es wird nicht versucht Realexperimente zu ersetzen, sondern aufgrund der vielfältigen Optionen, die solche Programme bieten können, wird ein durchaus sinnvoller neuer Weg der Erkenntnisgewinnung geschaffen.
Aber auch diesen Programmen sind gewisse Grenzen auferlegt, da sie immer nur eine physikalische Situation simulieren oder darstellen. So kann man zwar die unterschiedlichen Parameter, wie z. B. bei der Simulation einer Luftkissenbahn die Massen von Wagen und Massenstück, sowie die Reibungszahl, es ist aber immer nur möglich, eine Luftkissenbahn zu simulieren. (s. Abb. 1).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: Java-Programm „Luftkissenfahrbahn“ 5
Aufgrund der ansteigenden Rechenleistung der Computer sind weiterhin in den letzten zehn Jahren Programme entwickelt worden, die es dem Benutzer gestatten, physikalische Situationen selbst festzulegen. Erst danach berechnet das Programm aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten, die entweder fest integriert sind oder aber auch vom Benutzer bestimmt werden können, das Verhalten des Systems.
Hierbei erweist es sich als Vorteil, dass der Benutzer in der Lage ist, sowohl reale wie auch irreale physikalische Gesetzmäßigkeiten zu definieren.
Solche Simulationsbaukästen für virtuelle Experimente visualisieren ihre Ergebnisse in vielfältiger Art. In der Praxis hat sich gezeigt, dass diese Programme sehr gut für die Simulation komplexer mechanischer (s. Interactive Physics, Kap. 4.1) oder aber auch elektrischer Vorgänge geeignet sind.
Eine weiter Programmsparte stellen die Modellbildungswerkzeuge (s. Dynasys, Kap. 4.2) dar. Diese Programme sind nicht auf die Physik beschränkt. Mit ihnen ist es möglich komplexe Systeme aus vielen Bereichen zu simulieren. Ihre Stärke liegt darin, dass es mit ihnen möglich ist, auch Wechselwirkungen und Rückkopplungen zwischen den einzelnen Systemkomponenten mit einzubeziehen. Wie komplex dann die dargestellten Systeme sind hängt dabei ganz allein von dem Benutzer ab.
Zusammenfassend gibt es folgende Anwendungsbereiche des Computers im Physikunterricht:
2.1.1 - Mathematische Berechnungen
Zur Durchführung mathematischer Berechnungen eignen sich vorrangig Computeralgebrasysteme, wie z.B. DeRive, Maple oder Mathematica. Durch diese Programme ist es möglich, den Physikunterricht von mathematischen Problemen zu entlasten, um sich so mehr den physikalischen Fragestellungen widmen zu können. Längere Berechnungen zur Herleitung von Beziehungen, sowie das für den Physikunterricht notwendige berechnen von Ableitungen und Integralen können so leicht, meist nur durch einen Knopfdruck, ausgeführt werden.
2.1.2 - Simulationen
Zur Simulation werden Programme verwendet, die gewisse Situationen veranschaulichen. Diese Programme sind meist recht starr auf ein bestimmtes Beispiel ausgelegt, so daß das „physikalische Experimentieren“ sich oft nur auf das Verändern weniger Parameter beschränkt. Solche Programme können vor allem zur Wiederholung und Vertiefung von Unterrichtsbereichen eingesetzt werden. Zusätzlich sind sie aber auch gut für die Veranschaulichung von Mikro- bzw. Makroskopischen Prozessen, da diese Vorgänge häufig der Anschauung entzogen sind, weil sie entweder zu schnell
ablaufen oder aber der Beobachtungspunkt nicht eingenommen werden kann, wie z.B. in der Astronomie (s. Home Planet, Kap. 4.6)
2.1.3 - Auswertung von Ergebnissen
Das Auswerten von Versuchsergebnissen stellt im Physikunterricht immer noch ein Problem dar. Da häufig die Berechnung der Meßwerte zu zeitintensiv ist, werden meist nur wenige Meßwerte aufgenommen. Oft werden Lösungswege und Lösungen vom Lehrer vorgegeben, so daß dem Schüler die Möglichkeit genommen wird, eigene Ideen einzubringen und zu untersuchen. Auch das Austesten alternativer Lösungswege ist meist zeitlich zu aufwendig. Viele dieser Probleme ließen sich durch die Verwendung von Tabellenkalkulations-Programmen, wie z.B. Excel verringern bzw. vermeiden.
2.1.4 - Modellbildung
Im Gegensatz zu Simulationsprogrammen muß bei den Modellbildungssystemen, wie
z.B. Dynasys (Kap. 4.2), die "Physik" vom Benutzer eingegeben werden. Damit besteht auch jederzeit die Möglichkeit, hier korrigierend einzugreifen. Ansonsten führen diese Programme ebenfalls Simulationen durch. Da jedoch der Benutzer die Tätigkeit der Modellierung selbst durchführen muß, ist der Erkenntnisgewinn entschieden größer. Außerdem hat er damit die Möglichkeit, die Richtigkeit seiner Ideen zu testen, indem er sein Modell durch begleitende Experimente oder Meßwerte aus der Literatur überprüft. Auch hier wird der Benutzer von mathematischem Ballast befreit, so dass der Schwerpunkt auf die Physik gelegt werden kann. Im Gegensatz zu Computeralgebrasystemen erlauben Modellbildungssysteme keine geschlossenen Lösungen. Dafür lassen sich jedoch auch Systeme modellieren, für die es keine analytische Lösung gibt.
2.1.5 - Meßwerterfassung
Zur Meßwerterfassung kann der Computer im Physikunterricht eine große Hilfe darstellen. So können Werte genauer aufgezeichnet werden, größere und über längere Zeiträume anhaltende Meßreihen durchgeführt werden; außerdem ist eine direkte Weiterverarbeitung der Werte mit dem Computer möglich (s. PAKMA, Kap. 4.5) Zusätzlich zu einem Computer werden bei der Meßwerterfassung noch zusätzliche Geräte (Interfaces) benötigt. Diese werden an den Computer angeschlossen und „lesen“ die Werte direkt aus den Experimenten aus, welche dann mit einer mitgelieferten Software ausgewertet werden können.
Eine besondere Möglichkeit der Meßwerterfassung stellt momentan das Programm David dar. Mit ihm können Filme, die mit einer herkömmlichen Videokamera aufgenommen wurden, direkt am Computer ausgewertet werden. Dies ist besonders bei Bewegungsvorgängen vorteilhaft (Wurf, Beschleunigung, usw.).
3 - Software-Typologie
Um Lern- respektive Bildungssoftware beurteilen zu können, ist zunächst eine Unterteilung in verschieden Untertypen nötig. Obwohl aus medienpädagogischer Sicht eine Einteilung nach rein pädagogischen Aspekten sinnvoll wäre, so hat sich doch eine Klassifizierung nach technischen Gesichtspunkten durchgesetzt.
Die im folgenden aufgeführten Kategorien sind so in der Praxis meist nicht zu finden. Vielmehr handelt es sich bei den heute verfügbaren Programmen um Mischformen der hier aufgeführten „Idealtypen“.
3.1 - Präsentations- und Visualisierungssoftware
Während computergestützte Präsentationsformen in früherer Zeit sich in erster Linie nur aus textgefüllten Bildschirmseiten zusammensetzten und dadurch in Verruf gerieten, so haben die heutigen Vertreter dieses Typus durchaus ihre Berechtigung gefunden. Diese Art der Software ist vor allem dort sinnvoll, wo herkömmliche Medien, wie z. B. Bücher, die Möglichkeiten der Darstellung einschränken.
Die Präsentations- und Visualisierungssoftware setzt sich aus folgenden Untertypen zusammen:
- Visualisierungssoftware zur Darstellung komplexer Gebilde und Vorgänge
- Multimediasoftware mit Einbindung verschiedener Präsentationstechniken, wie z. B. Ton, Musik, bewegte Bilder
- Hypertexte6, sofern sie nicht durch den Benutzer aktiv umgestaltet werden können.
3.2 - Drill- und Testsoftware
Der in der Literatur weitaus häufiger verwendete Name für diesen Softwaretyp ist „Drill & Practice“. Doch für Baumgartner und Payr7 greift der Begriff „Practice“ viel zu weit, da er in deren erweitertem handlungsorientierten Ansatz sowohl die Ausübung einer komplexen kognitiven Tätigkeit bedeuten kann wie auch jede Art des mechanischen Einübens von Fertigkeiten. Mit der Bezeichnung Drill- und Testsoftware ist hier jene Form der Bildungssoftware gemeint, die zur Festigung von bereits gelernten Inhalten dienen soll.
Die Programme dieses Typus sind daran zu erkennen, dass sie häufig Sequenzen des Typs „Aufgabe – Antwort – Rückmeldung“ aufweisen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2: Screenshot eines „Drill and Practice“-Beispiels 8
Software dieser Art ist mit relativ geringem Aufwand zu programmieren, so dass sie daher auch schon recht lange verfügbar ist.
Leider sind viele der kommerziell angebotenen Lernsoftwareprogramme nach diesem Schema programmiert und meist nur von geringer Qualität.
Dies liegt wohl in erster Linie an der bereits erwähnten simplen Struktur dieser Gattung: Programme dieser Art sind leicht zu programmieren und erlauben auch mit relativ geringem Aufwand ein Feedback über den „Lernerfolg an“ den Benutzer.
3.3 - Tutorensysteme
Bei diesem Softwaretypus übernimmt der Computer die Rolle eines Tutors bzw. Lehrers für einen Einzelschüler. Dabei werden Inhalte vermittelt, eingeübt und oft auch wieder überprüft. Neue Begriffe und Regeln werden verbal oder an Hand von Beispielen eingeführt und erläutert. Dabei wird in erster Linie kein reines Faktenwissen vermittelt, sondern diese Programme zielen auf die Vermittlung von Regeln und Anwendungen.
Von der Konzeption her handelt es sich somit um Software mit einem hohen didaktischen Anspruch. In ihr sind Merkmale der Kategorien Präsentationssoftware sowie Drill- und Testsoftware vertreten.
Lehrstrategien, die dem Lernenden ein Problem stellen, dessen Lernziel das Verfahren zur Lösung dieses Problem ist, sind der prototypische Einsatz für Tutorensysteme. Je umfassender jedoch eine Problemstellung ist, desto komplexer und vielfältiger werden die möglichen Lösungsstrategien. Konventionelle Tutorensysteme mit fest programmierten Regeln und Verfahren sind damit überfordert. In der Mediendidaktik werden daher große Hoffnungen in die Forschung zur KI9 gesetzt. Sogenannte
„Intelligente Tutorensysteme“ (ITS), die auf Forschungen der KI aufbauen, müssen nicht nur Wissen zur inhaltlichen Seite der Problemstellung repräsentieren, sondern auch Wissen über Lehren und Lernen. Der Lernende wird vom Programm beobachtet, seine Aktionen aufgezeichnet und ausgewertet, um Wissensstand sowie die Wissenslücken des Lernenden zu ermitteln und entsprechend zu reagieren. Ein idealtypisches Merkmal intelligenter tutorieller Systeme ist also die Möglichkeit verschieden Lernwege zu beschreiten.
3.4 - Simulationen
Mit Simulationsprogrammen wird eine Veranschaulichung komplexer Sachverhalte und Situationen beabsichtigt. Sie beruhen auf mathematisch definierten und parameterisierten Modellen meist recht hoher Komplexität.
Dem Lernenden stellt sich die Aufgabe, durch gezielte Manipulation von Parametern ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Da die Parameter des Systems jedoch in Beziehungen zueinander stehen, hat die Maximierung eines Faktors meist auch – unerwünschte – Auswirkungen auf andere Faktoren. Es gilt also, die Wechselwirkungen eines Systems herauszufinden und aufgrund der gemachten Erfahrung situativ optimale Einstellungen zu ermitteln.
Das System ändert sich laufend, was eine schrittweise Handlung nach erlernten Regeln unmöglich macht. Es kommt vielmehr darauf an, die Situation in ihrer Gesamtheit zu erfassen.
Software diesen Typs ist recht häufig anzutreffen. In der Wirtschaft wird sie ebenso eingesetzt (z.B. Was-wäre-wenn-Analysen) wie auch in der Ausbildung (z.B. Unternehmensplanspiele).
3.5 - Modellbildungssoftware
Gegenüber Simulationen gehen Modellbildungsprogramme noch einen Schritt weiter. Anstatt wie in einer Simulation eine bestimmte Situation lediglich zu repräsentieren, wird der Lernende vor die Aufgabe gestellt, eine solche Situation erst einmal erschaffen zu müssen. Des weiteren ist der Anwender gehalten, seine eigenen (Lern-) Ziele zu definieren. In einer solchen „Welt“, die aus veränderbaren Eigenschaften besteht, werden „Experimente“ konstruiert, angeordnet und durchgeführt. Allen Objekten sind bestimmte Eigenschaften zugeordnet, die manipulierbar sind. Die Aufgabe besteht nun nicht mehr nur darin, eine komplexe Situation zu bewältigen, sondern sie zu modellieren, das heißt eine Welt zu konstruieren.
4 - Programme für den Physikunterricht
Im Folgenden werden nun die Programme besprochen, die sich aufgrund verschiedener Aspekte gut für einen Einsatz im Physikunterricht eignen:
- leichte Verständlichkeit
- schnelle Einarbeitungszeit
- leichte Bedienung
- Eignung sowohl für Gruppen- und Einzelarbeit, als auch für den Unterricht im Plenum
Darüber hinaus stellen die Programme einen Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten eines Computereinsatzes dar:
Interactive Physics (Kapitel 4.1) Simulationsbaukasten
Dynasys (Kapitel 4.2) Modellbildungs-Software
David (Kapitel 4.3)
Videobearbeitung und –Auswertung mit dem Computer
Euklid (Kapitel 4.4)
Geometrie-Programm zum vielfältigen physikalischen Einsatz
Pakma (Kapitel 4.5)
offenes Softwaresystem für Real- und Modellversuche
Home Planet (Kapitel 4.6)
Visualisierungs- und Simulationsprogramm mit Lexikon- (Informations-) Funktion
4.1 - INTERACTIVE PHYSICS V2.5
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bezugsquelle:
E.M.B. Lehr- und Lern-Software Erftstraße 20
41238 Mönchengladbach
Internet: Demo-Download bei http://www.kronas.de/cgi-bin/dinclude/ip.html Preis: Einzelplatzlizenz 299,-- US$ ; Zehnerlizenz 1095,-- US$
Systemvoraussetzungen:
Windows 95 oder NT, 16 MB RAM, 12 MB HD Apple-Mac OS 7.1, 12 MB RAM, 12 MB HD
4.1.1 - Kurzbeschreibung:
INTERACTIVE PHYSICS ist eine englischsprachige Simulationsumgebung für die klassische, Newtonsche Mechanik. Es erlaubt dem Benutzer das Konstruieren nahezu beliebig komplexer physikalischer (mechanischer) Systeme. Dies geschieht wie in einem Zeichenprogramm.
Der Benutzer hat die Möglichkeit, verschiedene vorgefertigte Objektformen zu verwenden, oder aber selbst Objekte „frei Hand“ zu zeichnen.
Diese können dann in beliebigem bezug zueinander gestellt, also miteinander verknüpft werden: So kann z.B. definiert werden, dass ein Ball an einem Seil befestigt ist, welches wiederum an einem Brett hängt.
Des weiteren ist es ebenfalls möglich, die Eigenschaften der verschiedenen Objekte bezüglich ihrer magnetischen und elektrischen Felder, Elastizität, Masse, Ladung, Reibung usw. zu definieren
Dadurch wird eine modellhafte Darstellung des jeweiligen Systems erreicht. Die so konstruierten Systeme stellt das Programm grafisch dar und erlaubt eine Analyse der zu simulierenden Bewegungsabläufe.
Somit ist es in allen Bereichen, in denen Bewegungen und Bewegungsvorgänge simuliert, grafisch ausgewertet und dargestellt werden sollen, universell einsetzbar. Auch zu der Demoversion sind im Internet viele Beispiele aus der Mechanik zum Download verfügbar, so dass man sich schnell einen Überblick über das Leistungsvermögen von INERACTIVE PHYSICS verschaffen kann.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3: INTERACTIVE PHYSICS, Energieübertragung beim Pendel
4.1.2 - Technische Beschreibung
Die vorliegende Demoversion von INTERACTIVE PHYSICS 2.510 benötigt mindestens einen PC mit Windows 95 als Betriebssystem und 16MB RAM11. Die installierte Version belegt auf der Festplatte einen Platz von ca. 12 MB.
Alternativ ist IP2.5 auch auf Apple-Macintosh-Rechnern mit Apple-MAC OS 7.1 als Betriebssystem mit 12 MB RAM lauffähig.
Die Installation erfolgt über das mitgelieferte Setup-Programm in ein beliebiges Verzeichnis.
Die Windows-Version weist die üblichen Eigenschaften eines Windows-Programms auf und ist somit für Windows-Erfahrene Benutzer intuitiv zu bedienen.
Nach dem Programmstart öffnet sich das Hauptprogrammfenster mit den programm- eigenen Bedienleisten (s. Abb. 4)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4: IP2.5, Programmfenster beim Start
Den größten Platz nimmt dabei das Editor-Fenster ein, in welchem die Konstruktionen der physikalischen Systeme ausgeführt werden. Links von dem Editor-Fenster befindet sich die Editor-Leiste mit den wählbaren Objekten, unterhalb des Editor-Fenster die Play-Leiste für die Steuerung des Programmlaufs.
Darüber hinaus verfügt das Programm noch über die Windows-übliche Menü-Leiste, die ein schnelles Zugreifen auf die einzelnen Befehle erlaubt.
Bei IP2.5 sind bereits sämtliche Naturkonstanten, wie Gravitation der Erde usw. voreingestellt, so dass direkt nach dem Erstellen eines Modells die Simulation gestartet werden kann.
IP2.5 liegt in englischer Sprache vor; die einzelnen Bezeichnungen und Optionen sind aber aufgrund ihrer Einfachheit leicht verständlich (z.B. Kraft, engl. Force).
[...]
1 Objektivität der Psychologie: nur zu beobachtende Reaktionen sollen anerkannt und erfaßt werden. Nicht beobachtbare, also geistige, Reaktionen sollen außen vor bleiben. Erstmalig von J.B. Watson in einem Aufsatz von 1913 erwähnt
2 dpa, Deutsche Schulen gehen ans Netz; Neue Westfälische 12.2.2000
3 im Folgenden wird immer der Begriff Schüler verwendet, gemeint sind aber beide Geschlechter
4 im Folgenden wird immer der Begriff Lehrer verwendet, gemeint sind aber beide Geschlechter
5 Fendt, Walter; Java-Applets zur Physik; http://home.a-city.de/walter.fendt/phys/indexph.htm
6 In sich verlinkter Text, mit der Möglichkeit, direkt an weiterführende bzw. erklärende Textstellen zu gelangen (siehe auch Kapitel 1.3)
7 Baumgartner, Peter & Payr, S. (1994): Lernen mit Software. Digitales Lernen. Österreichischer StudienVerlag, Innsbruck
8 CTSim, Lernprogramm zur Funktionsweise eines CT-Gerätes
9 Künstliche Intelligenz; engl. artificial intelligence, AI
10 im weiteren nur noch IP2.5 genannt
11 Arbeitsspeicher