Der Computer - ein multimediales Werkzeug zum Lernen von Physik (Teil II)

Das Projekt "Galileo" - Videoanalyse von Bewegungsvorgängen

Peter Krahmer; Rolf Winter; Helmut Mikelskis

Bild 1: Das Videoauswertungsprogramm "Galileo"

Zielsetzung

Die Videoanalyse von Bewegungsvorgängen mit Hilfe des Computers ermöglicht eine praktische Realisierung der didaktischen Forderung nach Alltagsorientierung von Physikunterricht. Realvorgänge aus dem Sport, dem Verkehr, vom Jahrmarkt oder aus der Natur können so auf neue Weise insbesondere den Mechanikunterricht ab Klasse 10 oder 11 lebensnah gestalten helfen.

Mit physikalischen Denkwerkzeugen auf wirkliche Vorgänge dieser Welt zugehen, ohne schon gleich das Laborexperiment an den Anfang zu stellen, das soll im folgenden am Beispiel von "Galileo" (Bild 1) vorgestellt werden.

Und selbst dann noch, wenn einmal nicht alles klappt und der frustrierte Computerfreak das "gute Stück" aus dem Fenster wirft und dem freien Fall überläßt (Bild 2), ist uns das eine Videoanalyse wert. Schließlich gehören auch Karikatur und ein Schuß Selbstironie zum Physiklernen.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde vom Celtis-Gymnasium in Schweinfurt/Franken (OStR Peter Krahmer) und dem Bereich Didaktik der Physik der Universität Potsdam (Dr. Rolf Winter) ein gemeinsames Projekt in Angriff genommen, dessen Ziel darin bestand, ein Video - Auswertungsprogramm zu entwickeln, mit dem physikalisch interessante Vorgänge untersucht werden können. Gegenüber den aus den USA bzw. Frankreich kommenden Entwicklungen (CUPLE, Videopoint, 2-D Video QT bzw. IMAWIN /1/) sollte es folgende Vorzüge haben:

• Benutzeroberfläche in deutscher Sprache,
• bedienerfreundliches Anpassen einer Modellkurve an die Meßwertkurve (Fitten),
• Angebot als preiswerte Shareware.

Außerdem sollte eine Sammlung von didaktisch interessanten und lehrplanrelevanten Videoclips Bestandteil des Projekts sein.

Das Programm

Die Lernumgebung "Galileo" (Bild 1) besteht aus den Modulen Videoauswertung, Modellbildung, Simulation und Tabellenkalkulation, die miteinander vernetzt sind. Für das Arbeiten mit Galileo im Unterricht wird folgende Vorgehen empfohlen:

1. Lehrer und Schüler suchen gemeinsam ein geeignetes Bewegungsphänomen aus. Gesichtspunkte bei der Auswahl sollten vor allem der physikalische Gehalt und eine taugliche Kameraperspektive sein (wenig perspektivische Verzerrungen).
2. Herstellen eines Videoclips dieses Phänomens. Gut geeignet sind Mitschnitte aus dem Fernsehen (Sportsendungen) und Videoaufnahmen, die die Schüler selbst angefertigt haben (Projektarbeit). Im Programmpaket Galileo werden auch einige von den Autoren hergestellte Clips angeboten.
3. Umwandlung des analogen Videoclips in ein digitales Softwarevideo im Format Video for Windows (*.AVI - Datei). Technisch wird das mit einer Videokarte und entsprechender Software gelöst (zu technischen Einzelheiten und Problemen siehe /1/). Diese Aufgabe sollte der Lehrer in der Unterrichtsvorbereitung tätigen.
4. Im Unterricht wird zuerst die Zeit- und Längeneichung (Kalibrierung) vorgenommen. Das ist nötig, um später quantitative Auswertungen durchführen zu können. Außerdem muß der Koordinatenursprung festgelegt werden.
5. Mit der Computermaus als Meßinstrument wird dann die Position des bewegten Objekts auf den einzelnen Bildern ausgemessen. In dieser Phase sind die Schüler tätig. Der Lehrer gibt das Abtastsystem (x-y, x-t oder y-t) vor und die Schüler erarbeiten eine Meßwerttabelle. Auf die Koordinaten x und y und die Zeit als dritte Koordinate ist im allgemeinen besonders zu achten. Bei Wurfparabeln z.B. ergeben sowohl die x-y-Ortskurve als auch das y-t-Diagramm jeweils eine Parabel.
6. Die Meßwerttabelle wird grafisch dargestellt und mit diversen Modellansätzen verglichen. Die wenigen Modelle, die im Physikunterricht in Form geschlossener Lösungen relevant sind, können im Programm aufgerufen werden (siehe Bild 2, unten rechts). Es sind dies ein x-y-Modell (zeitfreies Modell, z.B. für Wurfparabeln), ein x-t - bzw. y-t-Modell jeweils in quadratischer Abhängigkeit von der Zeit (z.B. für Fall, Beschleunigung, Wurf und viele weitere Themen der Schulphysik) sowie ein x-t - bzw. y-t-Modell in sinusförmiger Abhängigkeit von der Zeit (z.B. für Schwingungen, Drehbewegungen usw.). Die Schüler drehen an den "Parameterschrauben", die im Programm durch Schieberegler realisiert werden, und finden die optimalen Parameter, z.B. den Wert für die Fallbeschleunigung (fitten).
7. An einem zweiten Ansatz, nämlich dem Vergleich der Messergebnisse mit einer durch Kraftgesetz und iterativer Simulation generierten grafischen Darstellung, wird zur Zeit gearbeitet. Die endgültige Version von Galileo wird dies beinhalten, um z.B. Reibungsvorgänge im Modellbild beschreiben zu können. Man kann aber auch externe Modellbildungsprogramme (z.B. MODUS, STELLA) einsetzen /1/.
8. In bestimmten Fällen erweist es sich als günstig, zusätzlich zur Videoanalyse auch noch ein Real-(Labor-)Experiment durchzuführen. Zum Vergleich der Ergebnisse werden die ermittelten Daten in ein Tabellenkalkulationsprogramm exportiert, z.B. EXCEL (siehe Bild 3). Allerdings funktioniert das nur dann, wenn die Schüler gewisse Vorkenntnisse im Umgang mit EXCEL besitzen. Ist das nicht der Fall, kann die Physikstunde auch mal zum Trainingsfeld für die IT-Bildung (informationstechnische Bildung) werden. Dies ist in den Rahmenlehrplänen der meisten Bundesländer auch so vorgesehen. Die Erfahrungen lassen sich in einer häufigen Schülerreaktion zusammenfassen: "Warum haben Sie uns den Umgang mit EXCEL nicht schon früher gezeigt, das ist ja toll!"
9. Hausaufgaben und Tabellenmitschrift ins Heft sind aus methodischer Sicht nach wie vor dringend anzuraten. Die Schüler betrachten sonst Filmvorführungen, Videostunden und manche Computerstunde als Unterhaltungsprogramm. Da läuft etwas, das der Lehrer später nicht abprüft.

Unterrichtsbeispiel 1: "Freier Fall"

Bild 2 Benutzeroberfläche von Galileo mit AVI-Clip "Fall"

An Hand des Videoclips "Fall", der in Form einer AVI-Datei im Programmpaket enthalten ist und den Wurf eines Computers aus dem zweiten Stock eines Hauses darstellt, soll das Vorgehen noch einmal detailliert beschrieben werden:

• Die AVI-Datei wird geladen. Es wird der Meßanfang (erstes auszuwertendes Frame des Clips) und das Meßende (letztes Frame) mit Hilfe der Schieberegler festgelegt und diese Auswahl dann fixiert. Es ist günstig, die kleine Sequenz ein paarmal ablaufen zu lassen, damit die Schüler Vertrauen in die Anordnung gewinnen. Der Eichschritt ist ebenso einfach, da die Höhe des Fensters in den Clip eingeblendet ist. Ein Mausklick am Anfang, ein Mausklick am Ende, und das Meßinstrument Maus ist geeicht. Eventuell kann man in der Oberstufe auf einfache lineare Transformation eingehen.
• Der Schüler tastet nun einfach das Bild ab (ohne eine Maustaste zu drücken) und durcheilt den aus der Realität abgebildeten Bereich. Er lernt dabei oben, unten, links und rechts den x-y-Meßwertpaaren zuzuordnen. Je jünger die Schüler sind, um so wichtiger erscheint gerade diese vertrauensbildende Maßnahme.
• Nun wird die linke untere Ecke des Computers als Hot-Spot ausgewählt, und der Meßwert mit einem Maustastendruck in Grafik und Tabelle übertragen. Automatisch rückt der Zeiger der Tabelle um eine Zeile weiter, der zweite Meßwert folgt. Die 10 bis 20 Meßwerte sind schnell ermittelt.
• Jetzt wird das quadratische Modell mit x(t) und y(t) ausgesucht, wobei man natürlich im Unterricht die Formeln schon besprochen haben sollte.
• Als letzter Schritt erfolgt nun der Vergleich von Modellbild aus diesen Formeln und den Meßwerten. Die Schüler legen durch Drehen an den Parameterschrauben (Schiebereglern) Ausgangshöhe, Startgeschwindigkeit und Fallbeschleunigung fest, und bereits während des Drehens ändert sich der Modellgraf im Grafikfenster. Der Schüler erlebt so aktiv die Bedeutung der Parameter in den sonst so trockenen Formeln.
• Bei optimaler Deckung wird der Wert für die Fallbeschleunigung abgelesen. Die Videoanalyse liefert mit g = (9,8 ± 0,5)m/s² einen erstaunlich guten Wert. Dies entspricht einem relativen Fehler von 5%, und liegt somit trotz der prinzipiellen Mängel des Verfahrens (siehe /1/) innerhalb der typischen Genauigkeit in der Schulphysik.

Bild 3 Die Daten der Videoauswertung werden in ein Tabellenkalkulationssystem, z. B. EXCEL , exportiert und ausgewertet

Unterrichtsbeispiel 2: "Weitsprung"

Beispiele aus dem Sport bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten zur physikalisch relevanten Videoauswertung. Deshalb wurden Videos von Wurfbewegungen sowie von Stoß- und Schlagvorgängen aufgenommen. Dazu zählen

• Wurf eines Basketballs
• Stoßen einer Kugel
• Treten eines Elfmeters
• Schlagen eines Tennisballs
• Weitsprung.

Eine ausführliche Darstellung der Videoauswertung dieser Clips im Physikunterricht der Abiturstufe erfolgt in den Teilen III und IV dieser Reihe "Der Computer - ein multimediales Werkzeug zum Lernen von Physik". Deswegen soll hier nur kurz auf die Auswertung des Weitsprungs eingegangen werden.

Der Videoclip "Weitsprung.AVI" wird wie im Unterrichtsbeispiel 1 beschrieben in das Programm geladen, Anfang und Ende festgelegt und die Eichung vorgenommen. Dazu ist in den Clip ein weißes Quadrat mit der Kantenlänge 1 m eingeblendet. Der Koordinatenursprung wurde auf den Absprungbalken gelegt. Als Hot-Spot zur punktweisen Auswertung eignen sich Körpermittelpunkt oder Kopf des Springers. Die Füße sind z.B. sollte man nicht nehmen, da sie eine zusätzliche Bewegung ausführen. Es ergibt sich eine typische Wurfparabel, deren Parameter aus der Fittingkurve entnommen werden können (Bild 4). Aus dem y-t-Diagramm kann man z.B. für g = 9,89 m/s² entnehmen.

Bild 4 y - t - Diagramm eines Weitsprungs

Unterrichtsbeispiel 3: "Frosch"

Aber auch etwas "fremdere" Bewegungsvorgänge können untersucht werden. Quakt ein Frosch sinusförmig oder nicht ? Dazu wurde ein quakender Frosch mit einer Videokamera aufgenommen und in ein Softwarevideo konvertiert. Nur bei kleinen Amplituden sind fast alle periodischen Bewegungen sinusförmig (Bild 5).

Bild 5 Auswertung des Videoclips "Frosch.AVI"

Wie erhält man das Programm "Galileo"?

Das Programmpaket "Galileo" enthält das eigentliche Programm Galileo.EXE, eine Beschreibung des Programms Galileo.TXT sowie einige Videoclips im VfW-Format als AVI-Dateien (z.B. Fall, Basketballwurf, Elfmeter, Tennis, usw.). Die Videoclips wurden von einer Arbeitsgruppe des Bereichs Physikdidaktik der Universität Potsdam (Mikelskis, Seifert, Winter) hergestellt. Das Paket "Galileo.ZIP" (1 Diskette), das die Dateien Galileo.EXE, Galileo.TXT und Fall.AVI enthält, ist gegen eine Selbstkostenerstattung von 20,- DM bei Peter Krahmer (Adresse s.u.) erhältlich. Es läuft auf 486er Rechnern (und höher) unter Windows. Das Programmpaket ist auch im Internet abrufbar (bitte das Sharewarekonzept beachten), und zwar wahlweise über

Über die HomePages und die Teacher’s Pages kann man sich ständig über weitere Verbesserungen informieren. An Unterrichtserfahrungen der Leserinnen und Leser mit dem Programm sind die Autoren sehr interessiert.

Literatur:

/1/ Mikelskis, H.; Seifert, S.; Winter, R.: Der Computer - ein multimediales Werkzeug zum Lernen von Physik (1), Multimedia und Hypermedia im Physikunterricht - eine einführende Übersicht. - In: Physik in der Schule. - Berlin, 35 (1997) 6 - S. ...)