Informatik-unterstützter Physikunterricht am Beispiel des Arduino
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Über dieses E-Book
Schließlich wird eine Unterrichtssequenz zum Erlernen der Kompetenzen rund um das Thema Beschleunigung mithilfe von Arduinos vorgestellt. Diese wurde an einer Oberstufe durchgeführt und wird hier hinsichtlich der vermittelten Kompetenzen aus beiden Fächern analysiert. Der Arduino kann vielseitig in Unterrichtsgegenständen, vorrangig im Bereich der Naturwissenschaften, eingesetzt werden und hat den Vorteil der geringen Anschaffungskosten.
Christopher Kommetter
Der Autor Christoph Kommetter studierte Lehramt Informatik an der Technischen Universität Graz und Lehramt Physik an der Universität Graz.
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Buchvorschau
Informatik-unterstützter Physikunterricht am Beispiel des Arduino - Christopher Kommetter
Vorwort der Herausgeber
Liebe Leserinnen und Leser!
Sie halten soeben bereits den neunten Band der Reihe „Internet-Technologie und Gesellschaft" in Ihren Händen oder lesen es ganz innovativ auf einem mobilen Endgeräte.
Wir, Martin Ebner und Sandra Schön, haben es uns schön länger zur Aufgabe gemacht Bildungsinhalte zu verbreiten und auch leicht zugänglich zu machen. So sind sehr früh die Zeitschrift Bildungsforschung entstanden und auch das weit bekannte Lehrbuch für Lernen und Lehren mit Technologien, kurz L3T. Dieses Buch ist in der zweiten überarbeiteten Auflage unter einer CC-BY-SA Lizenz frei zugänglich (http://l3t.eu).
Um Abschlussarbeiten, Projekten oder sonstigen Inhalten, wovon wir meinen, dass es von allgemeinen Interesse sein könnte sie einer breiten Personengruppe zugänglich zu machen, ist die Idee zu dieser Buchreihe entstanden. Als ersten Schritt wurde die Reihe „Beiträge zu offenen Bildungsressourcen" im Jahr 2011 gestartet, die mittlerweile bereits 13 Bände umfasst und unter http://o3r.eu verfügbar ist. Eine weitere Buchreihe rund um die Auswirkungen der Internet-Technologie auf die Gesellschaft soll nun helfen den Blickwinkel auf digitale Technologien zu schärfen und Bewusstsein über deren Auswirkungen zu schaffen.
Wir bedanken uns diesmal herzlich bei Christopher Kommetter der im Rahmen seiner Masterarbeit den Physikunterricht in einer innovativen Art und Weise gestaltete. Er hat dabei im Sinne eines fächerintegrativen Unterrichts den Arduino zum Einsatz gebracht und dabei schöne Ergebnisse erzielt.
Besonderer Dank gilt auch wieder dem Verein BIMS e.V., der auch für diese Buchreihe als Trägerverein zur Verfügung steht.
Sollten Sie Fragen, Wünsche und sonstige Kontaktanfragen haben, scheuen Sie sich nicht und schreiben Sie uns einfach. Wir antworten gerne unter der dafür eingerichteten E-Mail-Adresse martin.ebner@l3t.eu.
Viel Spaß mit der vorliegenden Lektüre.
Martin Ebner & Sandra Schön
August 2018
Geleitwort des BIMS e.V.
Liebe Leserinnen und Leser!
Der BIMS e.V. ist eine Plattorm für das gemeinnützige Engagement einiger Wissenschaftler/innen und Praktiker/innen aus dem Bildungsbereich. Der gemeinnützige Verein versteht sich nicht nur als ein „Think-Tank sondern gewissermaßen als ein „Think-and-Do-Tank
und möchte bei all seinen Projekten „Bildung erreichbar machen".
So unterstützen wir die Herausgeber/innen der interdisziplinären Fachzeitschrift bildungsforschung (http://bildungsforschung.org), die seit dem Jahr 2004 frei zugänglich erscheint. Weiters ist auch die Unterstützung des Lehrbuches für Lernen und Lehren mit Technologien für uns wichtiges Anliegen (http://l3t.eu), welche heuer im August bereits in der zweiten überarbeiteten und wesentlich ergänzten Auflage erschienen ist.
Die Buchreihe „Beiträge zu freien Bildungsressourcen" (http://o3r.eu) stellt den Anfang von Buchreihen dar, wo wir denken einen wesentlichen Beitrag leisten zu können um Bildung erreichbar zu machen. Das erfolgreiche Konzept spiegelt sich nun bereits in 14 Bänden wieder mit einer durchaus beachtlichen Reichweite.
Umso mehr freut es mich, dass wir nun auch diese Buchreihe unterstützen können. Eine die die Auswirkungen der Internet-Technologie auf die Gesellschaft kritisch betrachtet, diese diskutiert und hilf aus Gedanken Taten folgen zu lassen.
Ich würde mich auch sehr freuen, wenn sie einmal auch bei unserer Homepage vorbeischauen (http://bimsev.de) und sich ansehen welche weiteren Projekte und Forschungsarbeiten wir durchführen. Sie werden ein engagiertes Team erleben können, das sich verschrieben hat Bildung zugänglich zu machen, zu verbreiten und neu zu denken. Insbesondere haben wir auch einige medienpädagogische Projekte in Umsetzung die die Zugänglichkeit zu digitalen Technologien auch für Kinder erleichtern soll. Bildung als ein wertvolles Gut unserer Gesellschaft zu verstehen und umzusetzen, sind Anliegen die wir nun schon viele Jahre einfordern, aber auch unterstützen.
Vielen Dank an dieser Stelle nochmals dem Autor und den Herausgebern für ihre unermüdliche Arbeit und Ihnen liebe Leserinnen und Leser eine spannende Diskussion im Anschluss an die Lektüre.
Martin Schön
Geschäftsführer des BIMS e.V.
August 2018
Inhaltsverzeichnis
Abstract
Theoretischer Hintergrund
1. Einleitung
2. Fächerübergreifender Unterricht
2.1. Ein Versuch einer Begriffsdefinition
2.2. Ziele: Wozu fächerübergreifend unterrichten?
2.3. Probleme und Grenzen
2.4. Handlungsorientierter Unterricht
3. Rahmenbedingungen gemäß Vorgaben des BMBWF
3.1. Der Lehrplan ist Gesetz!
3.1.1. Lehrplan Unterrichtsfach Informatik Oberstufe, 2004
3.1.2. Lehrplan Unterrichtsfach Physik Oberstufe, 2004
3.1.3. Verknüpfung der Lehrpläne für Informatik und Physik
3.2. Semestrisierte Lehrpläne und NOST
3.3. Digitalisierungsstrategie Schule 4.0. – jetzt wird’s digital
3.4. digi.komp
3.4.1. Kompetenzmodelle
3.4.2. digi.kompP
3.5. Grundsatzerlass Medienerziehung
3.6. NAWI Kompetenzmodell
4. Informatisierung aller Schulfächer
4.1. Beiträge zum fächerübergreifenden Lernen
4.2. E-Learning und Flipped Classroom
4.3. Modelle werden lebendig
4.4. Willkommen im IKT - Zeitalter
5. Technologiestudium
5.1. Eine Katze namens Scratch
5.2. Kein Himbeerkuchen: der Raspberry Pi
5.3. Arduino - kopieren erlaubt!
5.4. Ozobot - Miniroboter im Kindergarten
5.5. Lego zum mitnehmen: Pocket Code
5.6. BBC micro:bit - Bildungsauftrag erfüllt
5.7. Calliope mini - micro:bit made in Germany
5.8. Bring your own device (BYOD)
5.9. Vergleich der vorgestellten Technologien
6. Arduino im Physikunterricht
6.1. Technische Merkmale des Arduinos
6.2. Experimente im Physikunterricht
6.2.1. Winkelmessung mit dem Gyrosensor
6.2.2. Messen von Kräften
6.2.3. Stom und Spannung messen
6.2.4. Luftdruck und Luftfeuchtigkeit
Praktischer Teil
7. Unterrichtsvorbereitung
7.1. Ausgangssituation
7.2. Auswahl der verwendeten Technologien
7.2.1. Anschaffungskosten
7.2.2. Kompetenzen der Informatik
7.2.3. Integration im Physikunterricht
7.2.4. Schwierigkeitsgrad der Umsetzung
7.3. Wahl der Unterrichtsmethode
8. Durchführung der Unterrichtseinheiten
8.1. Erhebungsmethoden
8.1.1. Vorerhebung
8.1.2. Zwischenerhebungen
8.1.3. Auswertung der Arbeitsblätter
8.1.4. Enderhebung
8.1.5. Gespräche mit dem Stammlehrer
8.2. Unterrichtssetting
8.3. Die acht Stationen
8.3.1. Station 1 und 2: Messbereich
8.3.2. Station 3 und 6: ESP
8.3.3. Station 4 und 5: Beschleunigung beim Springen und beim freien Fall
8.3.4. Station 7: Organisatorisches
8.3.5. Station 8: Bauteile und Code
8.3.6. Leerlaufstationen
8.4. Probleme bei der Umsetzung
Analyse
9. Auswertung der Unterrichtseinheiten
9.1. Ergebnisse der Vorerhebung
9.2. Erhebungen an den Stationen
9.3. Enderhebung und Lernzuwachs
9.4. Zeitaufwand vs. Lernerfolg
10. Resümee und Ausblick
Appendix
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Literatur
Teil I.
Theoretischer Hintergrund - der fächerübergreifende Unterricht und die Rahmenbedingungen
1. Einleitung
Erst kürzlich stellte Apple einen Rahmenlehrplan vor, welcher sich in bestehende Unterrichtspläne für jedes Fach integrieren lässt und der den Einsatz von iPads in allen Fächern und Schulstufen ermöglicht¹. Eine flächendeckende Ausstattung mit iPads und der nötigen Infrastruktur an allen österreichischen Schulen würde zweifelsfrei Unmengen an finanziellen Mitteln verschlingen. Viele Lehrunterlagen mit wesentlich günstigeren Technologien werden, sofern sie überhaupt eingesetzt werden, in den Informatikunterricht eingegliedert.
Themengebiete der Informatik, wie sie derzeit im gleichnamigen Unterrichtsfach bearbeitet werden, beispielsweise Tabellenkalkulationen und Microsoft Word, sollten nicht als eigenständige Kompetenzen im Informatikunterricht erlernt werden, sondern vielmehr als Werkzeug in mehrere Unterrichtsfächer übernommen werden und hier durch gezielten Einsatz ihren Platz finden. Vergleichbar mit dem Taschenrechner im Mathematikunterricht könnten sich auch Tabellenkalkulationsprogramme, wie Microsoft EXCEL, aus dem Informatikunterricht in den Mathematik- und Physikunterricht verlagern. Durch Anwendung dieser Software wird ein neuer Zugang geschaffen und als Hilfe empfunden, anstelle eines weiteren Lernaufwandes. Eine große Auswahl an günstigen Einplatinencomputern und Mikrocontrollern kann hier neben dem Vermitteln von Kompetenzen der Informatik auch in anderen Unterrichtsgegenständen eingesetzt werden und vermittelt Kompetenzen beider Unterrichtsgegenstände. Vor Allem im Physikunterricht stellen diese Technologien eine Alternative zu teurem Equipment, wie etwa Oszilloskopen, für den Einsatz als Werkzeuge für Schüler oder Demonstrationsversuche dar.
Mit dieser Arbeit wird versucht, eine Verbindung zwischen den beiden Unterrichtsfächern Informatik und Physik zu entwickeln. Diese Verbindung soll ganzheitliche Lernmöglichkeiten für Schülerinnen und Schüler schaffen, wie dies durch die Trennung in Einzelfächer nicht möglich wäre. Die Auslagerung von informatischen Systemen in Unterrichtsfächer wie Physik sollen zu einem Lernzuwachs von Kompetenzen der Informatik führen. Das Ziel dieser Arbeit stellt die Beantwortung einer Reihe an zentralen Fragestellungen dar.
Für die Umsetzung eines fächerübergreifenden Unterrichts zwischen Physik und Informatik ergeben sich die folgenden Fragestellungen, welche im Verlauf dieser Arbeit beantwortet werden:
Können durch den Einsatz von Arduinos als Werkzeuge für Experimente im Physikunterricht die Schülerinnen und Schüler auch Kompetenzen aus dem Unterrichtsfach Informatik erwerben?
Ist der Mehraufwand für Lehrkräfte, den der Einsatz von Arduinos im Physikunterricht mit sich bringt, im Bezug auf den Lernzuwachs der Schülerinnen und Schüler, im Vergleich zu herkömmlichen Unterrichtsmethoden, gerechtfertigt?
Rechtfertigt der Lernzuwachs aus dem Bereich Informatik die dafür verwendete Unterrichtszeit des Faches Physik durch den Einsatz von Arduinos?
Wie legitimieren sich die Anschaffungskosten von Arduinos im Physikunterricht gegenüber alternativen Technologien?
Die Arbeit gliedert sich in drei Teile, beginnend mit einer Literaturrecherche, welche den theoretischen und rechtlichen Rahmen dieser Arbeit bildet. Im zweiten Teil wird ein Unterrichtsbeispiel mit dem Einsatz von Arduinos im Physikunterricht