7. – 10. Schuljahr

Roger Erb und Albert Teichrew

Geometrische Optik mit GeoGebra

Dynamische Modelle zum virtuellen und realen Experimentieren

Hier stellen wir eine Reihe von Materialien für die geometrische Optik vor (s.a. Kasten 1), die online abgerufen und demonstriert oder von Schülerinnen und Schülern selbst bearbeitet werden können. Sie erlauben Lernaktivitäten, in denen die Eigenschaften von Modellen in mit Augmented Reality (AR) angereicherten Experimenten diskutiert werden.
Material: Interaktives Buch zur geometrischen Optik
Material: Interaktives Buch zur geometrischen Optik
Einzelne Modelle lassen sich in GeoGebra zu einem Buch zusammenstellen (s. Abb. 1 ). Die im Artikel beschriebenen dynamischen Modelle zur geometrischen Optik können mit dem abgebildeten QR-Code (s. Abb. 2 ) oder direkt unter http://bit.ly/GeoOptUP aufgerufen werden. Die einzelnen Seiten bauen teilweise aufeinander auf und enthalten neben dem entsprechenden Modell auch eine kurze Einführung in das Thema sowie Arbeitsaufträge.
Erkenntnisgewinnung mit Modellen und Experimenten
Wenn es um Licht geht, denkt man unvermittelt zuerst an die Farben eines Regenbogens, an Tag und Nacht, an einen starken Scheinwerfer oder vielleicht auch an das Sehen. Obwohl all diese Sachverhalte Gegenstände des Physikunterrichts der Sekundarstufe I sind, stehen dort andere Themen im Vordergrund. Es wird üblicherweise zu Beginn zwar der Sehvorgang thematisiert, im weiteren Verlauf liegt der Schwerpunkt aber oft auf der Konstruktion der Lichtausbreitung an Spiegeln und Linsen.
Ein Grund für diese inhaltliche Auswahl ist sicherlich, dass so nicht nur die entsprechenden Inhalte bearbeitet werden, sondern auch ein „Erklären möglich ist, was bedeutet, dass mehrere Sachverhalte auf einer höheren Modellebene beschrieben werden. Die dabei verwendeten Modelle erlauben es, Vorhersagen zu treffen, die dann im Experiment überprüft werden können eine typische Vorgehensweise der Physik (Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung).
Damit Schülerinnen und Schüler die Bedeutung dieser Vorgehensweise erkennen, müssen sie selbst so arbeiten. Hierfür werden mithilfe des Modells des Lichtstrahls oder des Lichtwegs Konstruktionszeichnungen der zu untersuchenden Sachverhalte angefertigt, um daraus Vorhersagen für das Experiment zu gewinnen. Diese Vorgehensweise ist aber sehr zeitaufwendig, weshalb im Unterricht nur wenige Situationen konkretisiert und dann auch kaum variiert werden was aber notwendig wäre, um den Einfluss bestimmter Parameter zu untersuchen.
Dynamische Geometrie-Software
Seit geraumer Zeit wird im Mathematikunterricht für ähnliche Aufgaben spezielle Computersoftware eingesetzt.
Im Unterricht besonders verbreitet ist GeoGebra (http://www.geogebra.org), deren Hauptanwendungsgebiet in der Darstellung geometrischer Sachverhalte liegt. Sie enthält aber auch noch weitere Werkzeuge, wie etwa eine Tabellenkalkulation und eine umfangreiche algebraische Unterstützung.
Die Grundfunktion einer dynamischen Geometrie-Software (DGS) ist die Darstellung geometrischer Objekte auf einer Zeichenoberfläche. Man beginnt, indem man die Punkte durch Klicken auf der Zeichenfläche erzeugt. Diese Punkte dienen dann auch zur Definition weiterer Objekte wie Geraden, Strecken oder Kreise. Mit gedrückter Maustaste werden die Objekte verschoben oder verändert. Stehen mehrere Objekte durch Verwendung derselben Parameter miteinander in Verbindung, so wirken sich Veränderungen an einem Objekt auch auf alle verknüpften aus.
Weniger verbreitet ist Cinderella (http://www.cinderella.de), das darüber hinaus erlaubt, den Objekten physikalische Eigenschaften zuzuordnen.
Augmented Reality mit GeoGebra
Es ist naheliegend, Sachverhalte der geometrischen Optik mit einer Geometriesoftware wie GeoGebra darzustellen. Tatsächlich können auch Problemstellungen aus der Beugungsoptik modelliert werden (vgl. [1]) oder z.B. Diagramme aus der Relativitätstheorie (s.a. [2]).
Ein Vorteil für das Arbeiten im...

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