Messwert- und Datenerfassung

"Der Kompetenzbereich 'Messwert- und Datenerfassung' (MD) beschreibt die individuelle Fähigkeit, mit digitalen Werkzeugen mittel- oder unmittelbar Daten zu erheben. Dies umfasst die Eingabe von (Mess-)Daten, die Digitalisierung analoger Daten, das Anfertigen von Bildern und Filme, den Einsatz von Sonden, Sensoren und Programme/Apps sowie die Messwertgewinnung aus Dokumentationsmedien wie Bildern oder Videos." (Arbeitsgruppe Digitale Basiskompetenzen, 2020)

Spezielle Technik (Technological Knowledge)

Angehende Lehrkräfte benötigen sowohl eine breite Kenntnis der verfügbaren Messmethoden und -instrumente als auch ein tiefergehendes Wissen zu ausgewählten digitalen Messwerterfassungssystem.

In der Physik ist die computerbasierte Messwerterfassung über viele Fachbereiche hinweg weit verbreitet. Für den Schulunterricht stehen seit 1990 (Einführung des CASSY von Leybold, heute LD Didactic) computergestützte Messwerterfassungssysteme zur Verfügung. Am Lehrstuhl für Didaktik der Physik arbeiten wir vornehmlich mit folgenden Systemen:

• LD Didactic CASSY
• Vernier Sensoren
• PASCO Sensoren

Neben einer Bedienung der Systeme und Sensoren der Lehrmittelhersteller müssen auch fachtypische Messwerterfassungen mit Labor- und Messinstrumenten aus der Fachphysik durchgeführt werden können. Dazu stehen diverse Geräte in unserer Sammlung bereit, z. B.

• Wärmebildkameras
• High-Speed-Kameras für Stroboskopaufnahmen
• Digitale Waagen

In Verbindung mit Smartphones oder Tablets lassen sich die oben genannten Sensoren auch mobil nutzen. Außerdem lassen sich die Sensoren sehr einfach an die mobilen Endgeräte anbinden und konfigurieren, so dass diese auch mit großer Anzeige oder über Distributionsfunktionen als Demonstrationsmessgerät genutzt werden können. Neben älteren Vernier und PASCO Sensoren können wir hier besonders folgende Sensoren empfehlen:

• PASCO Wireless Sensoren

Mobile Endgeräte lassen sich aber nicht nur zum Auslesen der Sensoren und zur Aufbereitung der Messdaten nutzen. Smartphones und Tablets beinhalten heute eine Vielzahl an eingebauten Sensoren, die mit passenden Apps zur Datenaufnahme genutzt werden können. Folgende Sensoren können enthalten sein:

• Kamera
• Mikrofon
• Beschleunigungssensor
• Gyroskop
• Magnetfeldsensor
• Lichtsensor
• Infrarotsensor
• Pulsoximeter

Da mit den eingebauten Kameras schnell Bilder und Videos aufgenommen werden können und die Bilddaten dank ausreichender Rechenleistung direkt auf dem Gerät weiterbearbeitet werden können, lassen sich Smartphones und Tablets auch hervorragend nutzen für mobile

• Videoanalyse
• Colorimetrie

Für den Physikunterricht eignen sich hier besonders folgende Apps:

• phyphox

Eine tiefergehende Auseinandersetzung mit dem Prozess der Messwerterfassung kann stattfinden, wenn die Messwerterfassungsgeräte selbst erstellt werden, z. B. unter Verwendung von Mikrokontrollern. Vorschläge hierzu lassen sich im Themenheft „Arduino, Raspberry Pi & Co“ der Lehrerzeitschrift Unterricht Physik finden.

Angehende Lehrkräfte sollten zu jeder der angegebenen Arten digitaler Messwerterfassung verschiedene Möglichkeiten zur Umsetzung nennen können und zu jeweils einer Art mindestens eine Möglichkeit beschreiben und durchführen können. Dies beinhaltet auch die Inbetriebnahme, Einrichtung und Kalibrierung der verwendeten System.

Fachwissenschaftlicher Kontext (Technological Content Knowledge)

In kaum einem anderen Bereich digitaler Kompetenzen ist die Notwendigkeit einer fachspezifischen Betrachtung so ausgeprägt wie bei der digitalen Messwerterfassung.

Angehende Physiklehrerinnen und Physiklehrer sollten wissen, welche digitalen Messmethoden in der Fachphysik Anwendung finden, und in welchen Szenarien und Kontexten dies geschieht, welche Geräte den Anforderungen aktueller fachwissenschaftlicher Forschung standhalten und welche Sicherheitsanforderungen damit verbunden sind. Auch der fachwissenschaftliche Einsatz ferngesteuerter Labore (z. B. Teleskope) zur Durchführung von Experimenten die nicht vor Ort durchgeführt werden können, sollte bekannt sein.

Studierende sollen ausgewählte Beispiele beschreiben können und im Laufe Ihres Studiums auch selbst Messwerte im fachwissenschaftlichen Kontext aufgenommen haben.

Methodik, Digitalität (Technological Pedagogical Knowledge)

Bei der Frage, ob in einer konkreten Unterrichtssituation digitale Messwerterfassung eingesetzt werden kann und welche Art zur Anwendung kommen kann, sind weitere pädagogische Aspekte zu berücksichtigen. Besonders wenn die Schülerinnen und Schüler selbst aktiv werden sollen, muss bedacht werden, wie viel Zeit benötigt wird, welche Organisationsformen und Methoden infrage kommen und ob die Schülerinnen und Schüler eingewiesen werden müssen.

Die Auswahl des Messwerterfassungssystem kann sich auch auf das Interesse und die Motivation der Lernenden auswirken. Während die computerbasierten Messwerterfassungssystem eindeutig Lehrmittel sind, handelt es sich bei Smartphones und Tablets um Gegenstände aus der Alltagswelt der Schülerinnen und Schüler. Fachwissenschaftlich genutzte Messinstrumente können als authentische Materialien wahrgenommen werden. Auch die Methode der Messwertfassung kann bestenfalls als authentische Handlung empfunden werden, wenn sie die Methoden der fachwissenschaft abbildet.

Sowohl bei der Auswahl des Fachinhalts, der Messmethode als auch des Messinstrumentes muss auf persönliche und soziale Konsequenzen bei den Schülerinnen und Schülern geachtet werden. Wenn z. B. biometrische Daten erhoben werden, darf dies nicht ohne Einwilligung und Risikoabwägung geschehen. Bring-Your-Own-Deivce-Ansätzen, also wenn Lernende Ihre eigenen mobilen Endgeräte nutzen sollen, können nur verfolgt werden, wenn die Lerngruppe dafür geeignet ist und Ungleichheiten in der Geräteausstattung nicht zu sozialen Konflikten führen.

Unterrichten (Technological Pedagogical and Content Knowledge)

Das für den Aufbau digitaler Kompetenzen im Bereich „Messwert- und Datenerfassung“ benötigte Wissen kommt zur Anwendung, wenn digitale Messwerterfassung in Unterrichtsszenarien eingebunden wird.

Angehende Lehrkräfte müssen verschiedene Szenarien zum Einsatz digitaler Messwerterfassung in spezifischen Lehr-Lern-Settings und die damit verbundenen Messstrategien kennen und zu fachwissenschaftlichen Methoden und Instrumenten für den Schuleinsatz taugliche Alternativen nennen können.

Physiklehrerinnen und Physiklehrer müssen die didaktischen Voraussetzungen für den Einsatz digitaler Messwerterfassungssysteme (z. B. angepasste individuelle Instruktionen) und die Auswirkungen auf das geplante Unterrichtsverfahren (t. B. Ermöglichung von forschend-entdeckendem Lernen) beschreiben können.

Unsere Studierenden planen dazu Unterrichtseinheiten und führen diese in Mikroteaching-Situationen mit Schülerinnen und Schülern probeweise durch.