7. – 13. Schuljahr

Raimund Girwidz und Bianca Watzka

Digitale Werkzeuge im Physikunterricht einsetzen

Mit Micro-Controllern und Mini-Computern einfach, kreativ und motivierend die Physik im Alltag verstehen lernen

Digitale Geräte und Technologien prägen zunehmend den Alltag, in den Schülerinnen und Schüler hineinwachsen. Mit dem Strategiepapier „Bildung in der digitalen Welt reagierte die KMK auf die gesellschaftlichen Herausforderungen der Digitalisierung und fordert dazu auf, digitale Medien in regulären Lehr- und Lernprozessen systematisch und verantwortungsvoll einzusetzen [1]. Der Physikunterricht kann dabei einen besonderen, fachspezifischen Beitrag leisten: Eine Zielsetzung aus dem Kompetenzbereich „Problemlösen und Handeln beispielsweise lautet: „eine Vielzahl von digitalen Werkzeugen kennen und kreativ anwenden [1]. Gemeint sind hierbei u.a. zentrale Kompetenzen zur technischen Problemlösung, zum bedarfsgerechten Einsetzen von Werkzeugen sowie zum Erkennen und Formulieren von Algorithmen.
Im Zusammenhang mit kontext- und problembasiertem Lernen sowie digitalen Technologien treten seit geraumer Zeit Micro-Controller wie Arduino und Mini-Computer wie Raspberry Pi hervor [2|. Ein Grund dafür ist, dass durch ihre große funktionale Offenheit und Flexibilität besonders intensiv und realitätsnah Problemlöseprozesse angesprochen werden können. Arduino, Raspberry Pi & Co. sind gerade nicht wie viele gängige Messwerterfassungssysteme oder andere digitale Werkzeuge des Physikunterrichts für die Demonstration einiger weniger physikalischer Zusammenhänge konzipiert. Somit ist die Passung zwischen den kleinen Micro-Controllern oder Mini-Computern und den Vorgaben des zu lösenden Problems heute oftmals realitätsnäher als bei der Verwendung gängiger Werkzeuge aus der Physiksammlung.
Die Physik kann die moderne, digitale Mess- und Regelungstechnik wie kein anderes Fach aufgreifen. Auch im Hinblick auf die Schlagworte „Internet der Dinge oder „Industrie 4.0 bietet kein anderes Fach vergleichbare Perspektiven und Zugänge [3]. Im Physikunterricht werden ja prinzipiell Grundlagen des Messens behandelt, und beim Experimentieren kommen verschiedenste Mess-, Auswerte- und digitale Ausgabetechniken zum Einsatz.
Genau genommen kommt auch der Physikunterricht selbst gar nicht an Grundfragen der Digitalisierung in der Messtechnik vorbei. Neben älteren analogen Drehspulinstrumenten sind in Physiksammlungen heute auch digitale Multimeter weit verbreitet. Moderne Multimeter verwenden jedoch ganz andere Techniken als analoge Drehspulinstrumente. Die Digitaltechnik dominiert damit auch in Schülerübungen, z.B. in Form von AD-Wandlern. Kaum eine Lehrkraft wird erklären wollen, wie ein AD-Wandler bei der Spannungsmessung mit einem digitalen Multimeter funktioniert. Allenfalls wird vielleicht herausgestellt, dass der Eingangswiderstand des Spannungsmessgerätes dank dieser Technik sehr groß ist, was für die Messung günstig ist.
Zusammengenommen können Schülerinnen und Schüler durch die Verwendung digitaler Werkzeuge also physikspezifische und IT-spezifische Kompetenzen integrativ im Unterricht ausbauen.
Arduino oder Raspberry Pi welches System passt am besten?
Oft fragen Lehrerinnen und Lehrer, welches System denn für den Unterricht besser geeignet ist Arduino oder Raspberry Pi. Die Antwort lautet: „Es kommt darauf an, was damit gemacht wird.
Arduino
Geräte aus der Arduino-Familie eignen sich sehr gut für die Datenerfassung und für Steuerungsaufgaben. Auf dem Arduino selbst arbeitet kein Betriebssystem. Der Arduino ist auf einen Computer angewiesen, um den Programmcode zu erhalten. Dieser wird vom Nutzer mit der kostenlosen Software „Arduino IDE erstellt und auf dem Arduino als Programm gespeichert. Der Arduino kann nur das aufgespielte Programm wiederholt abspielen.
Raspberry Pi
Der Raspberry Pi ist ein kleiner Computer, der mit einem Monitor verbunden und mit Maus und Tastatur gesteuert werden kann. Er kann...

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