TeachAR – Lehren und Lernen in der erweiterten Realität

Im Projekt TeachAR an der TU Braunschweig werden in Zusammenarbeit von Physikdidaktik und Computergraphik AR-Experimentierumgebungen für die Lehre entwickelt.

Dahinter steht die Idee, dass das Lernen in der Physik häufig in zwei voneinander getrennten Lernräumen stattfindet, die mittels AR stärker verbunden werden können. Auf der einen Seite steht der mathematisch geprägte, formal-virtuelle Lernraum, in dem das Studium von Theorien, Modellen und deren Verhalten stattfindet.  Auf der anderen Seite findet das Lernen am und mit dem Experiment im experimentell-reellen Lernraum statt, in dem das Verhalten realer Systeme untersucht wird.

Die AR-Experimentierumgebung wurde speziell auf Experimente aus der Elektrizitätslehre ausgerichtet, in denen elektrische und magnetische Felder eine wichtige Rolle spielen. Eines der Ziele dieser Umgebung ist, die Felder, die nicht direkt sichtbar sind, virtuell mit Hilfe von AR direkt über dem realen Experiment zu visualisieren. Dabei ist die Visualisierung der Felder an die entscheidenden Parameter des Experiments wie Stromstärke oder Spannung gekoppelt. Wenn also ein Parameter im Experiment verändert wird, passt sich die Visualisierung der Felder auf der AR-Brille (HoloLens) in Echtzeit an. Um AR als Schnittstelle zum Datenaustausch nutzen zu können, wurden im Experiment Messgeräte mit einem USB-Ausgang verbaut, die an einen Einplatinencomputer (SBC) angeschlossen sind. Dieser wiederum schreibt die aktuellen Messwerte auf einen Webserver, auf den die HoloLens zeitgleich zugreift. Für die Visualisierungen werden die Felder vorab für unterschiedliche Parameterkonfigurationen numerisch berechnet und die Ergebnisse auf der HoloLens gespeichert. Dementsprechend werden zu den eingelesenen Messwerten nur noch die passenden zuvor gespeicherten Visualisierungen geladen.

Bisher wurden drei Experimente in der AR-Experimentierumgebung zur Unterstützung der Lernenden umgesetzt. Die Navigation innerhalb der Anwendung erfolgt mittels Gestensteuerung. Im Menü können die verschiedenen Experimente ausgewählt sowie passende Visualisierungen der Felder aktiviert werden.

Vorstellung der bisherigen Experimente

1. Der Plattenkondensator

Beim Plattenkondensator wird durch eine an zwei planparallelen Aluminiumplatten angelegte Spannung ein elektrisches Feld erzeugt. Dieses Feld wird mit der HoloLens in Abhängigkeit des Abstandes der Platten und der angelegten Spannung visualisiert. Die Spannung wird über ein entsprechendes Messgerät mit USB-Ausgang an den Einplatinencomputer gekoppelt, während für den Abstand der Platten ein Infrarot-Sensor verbaut ist, der direkt an den Computer angeschlossen wird. Für die Visualisierung des elektrischen Feldes werden hauptsächlich Vektorpfeile genutzt. Unterstützend kann auch die Energiedichte der Felder als Dichteplot dargestellt werden. Für eine noch engere Kopplung zwischen Theorie und Experiment werden oberhalb des Experimentes die relevanten Formeln eingeblendet.

2. Das Fadenstrahlrohr

Beim Fadenstrahlrohr geht es um die experimentelle Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons, wobei ausgenutzt wird, dass bewegte Elektronen durch ein homogenes Magnetfeld auf eine Kreisbahn gelenkt werden. Das Magnetfeld ist nur vom Spulenstrom abhängig und wird in der AR-Experimentierumgebung mittels Vektorpfeilen dargestellt. Unterstützend kann optional ein Dichteplot des Magnetfeldes sowie vergleichend der theoretische Verlauf des Elektronenstrahls betrachtet werden. Zusätzlich zur Darstellung des Magnetfeldes haben wir eine virtuelle Messvorrichtung eingebaut. Hiermit kann der Radius der Elektronenbahn sehr genau gemessen und somit die spezifische Ladung mit einer Abweichung von unter 1 % vom Literaturwert bestimmt werden.

3. Die Elektronenstrahlablenkröhre

Die Elektronenstrahlablenkröhre zeigt, wie bewegte Elektronen in einem elektrischen und magnetischen Querfeld abgelenkt werden. Bei diesem Experiment wird unterstützend das Magnetfeld in Abhängigkeit der Stromstärke und das elektrische Feld in Abhängigkeit der Spannung visualisiert. Auch hier können die Energiedichten der Felder optional angezeigt werden. Ebenso kann der theoretische Verlauf des Elektronenstrahls dargestellt werden. Damit ist ein direkter, visueller Vergleich von Modellverhalten und Systemverhalten möglich.

Evaluation

Die AR-Experimentierumgebungen wurden bereits in einem Laborpraktikum von 8 Lehramtsstudierenden der Physik eingesetzt und überwiegend positiv evaluiert. Weiterhin wurde das konzeptuell-fachliche Verständnis der Studierenden in einer Interviewstudie im Vorher-Nachher-Vergleich untersucht, wobei auch eine leichte Verbesserung der Fehlvorstellungen sowie eine stärkere Vernetzung von Fachwissen nach dem Experimentieren mit AR festgestellt werden konnte.

Dieses Lehrprojekt wurde im Rahmen des Innovationsprogramms Gute Lehre der TU Braunschweig aus dem BMBF-Projekt teach4TU unter dem Förderkennzeichen 01PL17043 gefördert.

Referenzen

Bodensiek, O., Sonntag, D., Wendorff, N., Albuquerque, G., Magnor, M. (2019): Augmenting the fine beam tube: From hybrid measurements to magnetic field visualization. Erscheint in: The Physics Teacher, Vol. 57 (April 2019), Preprint: https://arxiv.org/abs/1901.00859

Weitere Publikationen finden sich demnächst auf der Webseite des Projektes.

 

Kontaktdaten und weitere Informationen

Jun.-Prof. Dr.rer.nat. Oliver Bodensiek
Technische Universität Braunschweig
Institut für Fachdidaktik der Naturwissenschaften
Abteilung Physik und Physikdidaktik
Tel.: +49 531 391 94126
E-Mail: o.bodensiek[at]tu-braunschweig.de

Dörte Sonntag, M.Ed.
Technische Universität Braunschweig
Institut für Fachdidaktik der Naturwissenschaften
Abteilung Physik und Physikdidaktik
Tel.: +49 531 391 94122
E-Mail: doerte.sonntag[at]tu-braunschweig.de

 

 


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Ich bin wissenschaftlicher Mitarbeiter (Postdoc) in der Informatik der Universität Potsdam. Dort bringe ich verschiedene VR-bezogene Projekte voran und arbeite als Mitgründer der Arbeitsgruppe bundesweit an der Systematisierung und Professionalisierung des Lehrens und Lernens mit VR-Technologien.