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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZEN
AG DIGITALEBAS I SKOMPETENZEN
Timo Fleischer & Lena von Kotzebue
Experimentieren mit digitalen Sensoren –Unsichtbares sichtbar machen
AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENdes Lehrprojektes
Eckpunkte zum Lehrvorhaben
§ Entwickelt an der Universität Salzburg
§ Fächer: Biologie, Chemie
§ Pflichtseminar im Bachelor Lehramt Chemie, 8. Semester / Bachelor Lehramt Biologie, 7. Semester
§ Teilnehmerzahl pro Durchgang: 15
Beschreibung
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENProfessionswissen von Lehrkräften
Digitale Basiskompetenzen
Kompetenzen & Curricula
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Digitale Kompetenzen für das Lehramt in den Naturwissenschaften
AG DigitaleBAS ISKOMPETENZEN
Einordnung des Lehrprojektes
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Professionswissen von Lehrkräften
Digitale Basiskompetenzen
AG DigitaleBAS ISKOMPETENZEN
Cobra SMARTsense Pasco Smart Vernier Go DirectSofort einsetzbar, drahtlos (Bluetooth), kein
Datenlogger
Sofort einsetzbar, drahtlos (Bluetooth), kein
Datenlogger
Sofort einsetzbar, drahtlos (Bluetooth), kein
Datenlogger
Batteriebetrieben Batteriebetrieben Batteriebetrieben
Wenn für die Anwendung sinnvoll:
wasserdicht (IP67)
Wenn für die Anwendung sinnvoll: wasserdicht
(IP67)
Wenn für die Anwendung sinnvoll:
wasserdicht
Tablets: iOS, AndroidTM, Smartphones:
Android
à gratis App „PHYWE measureAPP“
Android™, iOS und Chromebooks™
à gratis App „SPARKvue“
Android™, iOS und Chromebooks™
à gratis App „Graphical Analysis TM 4 App“
Schüler können ihre eigenen
Smartphones/Tablets nutzen
Schüler können ihre eigenen Smartphones/Tablets
nutzen
Schüler können ihre eigenen
Smartphones/Tablets nutzen
Zwei Jahre Garantie Fünf Jahre Garantie Fünf Jahre Garantie
Digitale Messsensoren
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Bekannte Hersteller
(nach Fleischer & Huwer, im Druck)
AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENCO2- und O2-Sensor
CO2-Sensor O2-Sensor
Digitale Messsensoren
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App „SPARKvue“
AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENTechnische Einführung (nach Fleischer & Huwer, im Druck)
Kalibrierung§ Sensor und Bluetooth am Tablet einschalten§ App „SPARKvue“ öffnen und O2-Sensor auswählen. Automatisches Koppeln des Sensors
(LED blinkt grün) § Bei „Wireless Oxygen Gas Sensor“ „O2 Concentration“ und bei „Template“ die
Darstellungsform „Graph“ auswählen§ Sensor kalibrieren:
§ In der unteren Menüleiste das „Sensor & Zahnrad-Symbol“ auswählen
§ Auf Zielscheibe bei „O2 Concentration“ drücken. „Continue“, dann „Set Calibration“ und „OK“
§ Kalibrierung erfolgreich bei einem Wert von ca. 209000,0 ppm (20,9 %)
O2-Sensor
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZEN
Vorteile § Messwerte einfach und schnell erfassen§ Möglichkeit von Messwertwiederholungen (hierfür fehlt im Unterrichtsalltag oft die Zeit)§ Automatische Darstellung der Daten in Tabellen und Diagrammen
§ Erstellung sonst meist zeitaufwändig und schwierig für SchülerInnen (von Kotzebue, Gerstl, & Nerdel, 2015)
§ Mehr Zeit für:
àEigenständige Interpretation der Daten
àIntensive Auseinandersetzung mit biologischen/chemische Phänomen
(Lampe, Liebner, Urban-Woldron, & Tewes,2015)
Warum digitale Sensoren?
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZEN
Vorteile § Verbindung von Experiment und Repräsentation durch simultane Darstellung der Daten
in grafischer Form (Beichner,1990)§ Veränderung einer Variable kann z.B. direkt in der Grafik nachvollzogen und verinnerlicht
werden§ „Unsichtbare“ Messgrößen (CO2-Gehalt) werden „sichtbar“ (Lampe et al., 2015)
Warum digitale Sensoren?
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENBeispiel für den Einsatz des CO2- und O2-Sensors
Materialliste § CO2-Sensor (z.B. von PASCO)§ O2-Sensor (z. B. von PASCO)§ Tablet mit der App SPARKvue§ Kerze§ Feuerzeug§ Glaswanne
29 cm (Länge) x 19,5 cm (Breite) x 15 cm (Höhe)
Kerzenflammen und Sauerstoffvorrat
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENBeispiel für den Einsatz des CO2- und O2-Sensors
Zitate aus bisherigen Seminaren § „Die Kerze verbraucht den gesamten Sauerstoff, der im Glas vorhanden ist, bis nur noch
CO2 vorhanden ist, wodurch sie erstickt und erlischt.“§ „Durch das Überstülpen des Glases begrenzt man den Sauerstoff. Die Reaktion kann dann
so lange ablaufen, bis einer der Reaktanden aufgebraucht ist. In diesem Fall ist Sauerstoff der begrenzende Reaktand […]. Wenn der Sauerstoff verbraucht ist, kann kein Paraffin mehr umgesetzt werden und die Flammen erlöschen.“
Vorteile der Sensoren bei diesem Experiment§ Nicht sichtbare Edukt Sauerstoff sowie die nicht sichtbaren Produkte Kohlenstoffdioxid
und Wasser werden grafisch als Diagramm sichtbar§ Konzentrationsänderungen werden im Verlauf der Reaktion dargestellt
Kerzenflammen und Sauerstoffvorrat
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENBeispiel für den Einsatz des CO2- und O2-Sensors
Ablauf§ Sensoren über App SPARKvue (Bluetooth) mit Tablet koppeln und kalibrieren.
§ O2-Sensor: ca. 20,80 bis 21,10 %
àSensor kann auch relative Feuchtigkeit [%] messen und somit das Produkt Wasser (Wasserdampf ) grafisch darstellen
§ CO2-Sensor: ca. 400 ppm
§ Beide Sensoren und die Kerze unter der Glaswanne platzieren
§ Nach Entzünden der Kerze Glaswanne über beide Sensoren und die Kerze stülpen.
§ Gleichzeitig wird die Messung für O2- und CO2-Konzentration sowie relative Feuchtigkeit gestartet
Kerzenflammen und Sauerstoffvorrat
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENBeispiel für den Einsatz des CO2- und O2-Sensors
Kerzenflammen und Sauerstoffvorrat
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENBeispiel für den Einsatz des CO2- und O2-Sensors
Kerzenflammen und Sauerstoffvorrat
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENBeispiel für den Einsatz des CO2- und O2-Sensors
Kerzenflammen und Sauerstoffvorrat
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENBeispiel für den Einsatz des CO2- und O2-Sensors
Lessons learned
§ Vereinfacht findet folgende chemische Reaktion statt(Schlichting, 1994):
Paraffin + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser
§ Die Kerze erlischt zwischen 15 und 17 % Restsauerstoffgehalt (Belcher & McElwain, 2008).
Kerzenflammen und Sauerstoffvorrat
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENBeispiel für den Einsatz des CO2- und O2-Sensors
Zitate aus bisherigen Seminaren § „Die Kerze verbraucht den gesamten Sauerstoff , der im Glas vorhanden ist , bis nur noch CO2 vorhanden ist , wodurch sie erstickt
und erlischt .“§ „Durch das Überstülpen des Glases begrenzt man den Sauerstoff . Die Reaktion kann dann so lange ablaufen, bis einer der
Reaktanden aufgebraucht ist . In diesem Fall ist Sauerstoff der begrenzende Reaktand […]. Wenn der Sauerstoff verbraucht ist , kann kein Paraffin mehr umgesetzt werden und die Flammen erlöschen.“
Lessons learned§ Durch Sensoren ist eindeutig zu erkennen, dass nicht der gesamte Sauerstoff bei der
Reaktion aufgebraucht wird!§ O2-Konzentration noch über 15 %.§ Fehlinterpretation, dass kein Sauerstoff mehr vorhanden ist, wenn die Kerze erlischt,
kann mithilfe der Sensoren entgegengewirkt werden
Kerzenflammen und Sauerstoffvorrat
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZEN
Einordnung des Lehrprojektes
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Professionswissen von Lehrkräften
Digitale Basiskompetenzen
AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENAllgemeinere Kompetenzen
Dokumentation (http://dikolan.de/do)Fertigkeit digitale Werkzeuge zur systematischen Ablage und dauerhaften Speicherung von Daten und Informationen fachgemäß zu nutzen. Dazu gehört u.a.: § Fotos, Bilder und Videos aufnehmen, bearbeiten und einbinden§ verschiedene Medien kombinieren und speichern§ Informationen strukturiert sichern und archivieren
DO.T.N1: Technische Ansätze nennen, wie z. B.: § Möglichkeiten zur digitalen Dokumentation von z. B. Protokollen, Experimenten, Daten,
Analyseprozessen, digitalen Herbarien (z. B. mittels Word, OneNote, Etherpad) § Möglichkeiten von Systemen für dauerhafte Datenablage/ -speicherung und
entsprechende Softwareangebote/-archive (z. B. Netzwerkspeicher, Archivierungsserver, Cloudspeicher) …
Einordnung des Lehrprojektes
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENAllgemeinere Kompetenzen
Präsentation (http://dikolan.de/p)Fähigkeit, digitale Medien ziel- und adressatengerecht für den Erkenntnis- und Kommunikationsprozess einzusetzen sowie das Wissen über Grenzen und Potenziale unterschiedlicher digitaler Präsentationsmedien.
P.M.N1/B1: Prinzipien/Kriterien zur adressatengerechten Gestaltung digitaler Präsentationsmedien (z. B. CTML nach Richard E. Mayer) nennen/ beschreiben.
P.F.A1 Erstellung und Vorführung von Präsentationen im fachwissenschaftlichen Kontext unter Verwendung digitaler Präsentationsmedien, z. B.: Anfertigen von Diagrammen
Einordnung des Lehrprojektes
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENAllgemeinere Kompetenzen
Kommunikation/ Kollaboration (http://dikolan.de/kk)Fähigkeit, mit digitalen Werkzeugen synchrones oder asynchrones Arbeiten von Einzelpersonen oder Gruppen auf ein gemeinsames Ziel hin zu planen und mit Lernenden durchzuführen. § Erstellen und bearbeiten von gemeinsamen Dateien oder Produkten § Anlegen und bearbeiten von gemeinsamen Datenpools§ Einplanen und umsetzen von Systemen zur Rechtevergabe
KK.T.A1 Nutzen kollaborative Software für Text- und Datenverarbeitung.
KK.T.A5 Erstellen und bearbeiten (synchron und asynchron) kollaborativ Text- und Datendateien.
Einordnung des Lehrprojektes
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENFachspezifischere Kompetenzen
Messwert-/ Datenerfassung (http://dikolan.de/md)Fähigkeit, mit digitalen Werkzeugen mittel- oder unmittelbar Daten zu erheben, indem (Mess-)Daten eingegeben, analoge Daten digitalisiert, Bilder sowie Filme angefertigt, Sonden, Sensoren und Programme (bzw. Apps) eingesetzt und Messwerte aus Dokumentationsmedien wie Bildern oder Videos gewonnen werden.
MD.F.N1 Fachwissenschaftliche Szenarien und ggf. Kontexte der digitalen Messwerterfassung (dME) (z. B. Videoanalyse, Aufnahme eines EKG, pH-Wert-Erfassung) nennen.
MD.T.B2 Die Messcharakteristika (z. B. Messbereich, Messgenauigkeit, Auflösung, Abtastrate, Einsatzbereiche, Limitierungen) der Systeme beschreiben.
MD.T.A1 Inbetriebnahme, Kalibrierung und Messwerterfassung für mindestens ein Beispiel jeder Art der oben genannten Möglichkeiten der dME.
Einordnung des Lehrprojektes
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZENFachspezifischere Kompetenzen
Datenverarbeitung (http://dikolan.de/dv)Fähigkeit, Daten mit digitalen Werkzeugen weiterzuverarbeiten. Dies umfasst Filterung, Berechnungen neuer Größen, Aufbereitung, statistische Analysen und Zusammenführen von Datensätzen .
DV.F.N2 Fachwissenschaftliche Szenarien mit zugehörigen Methoden der fachspezifischen Datenverarbeitung nennen, z. B.: Bestimmung und Extraktion von Kurvenmaxima, Messunsicherheiten, Standardfehler, Streuung, etc. bei der Auswertung von Messdaten Konzentrationsberechnungen aus Stoffmengen- und Volumenangaben inklusive einer fachlichen Kontextuierung.
DV.T.N4 Möglichkeiten des Exports und Imports von digitalen Daten der genannten Datentypen und Kodierungen nennen.
Einordnung des Lehrprojektes
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZEN
Welche Probleme könnten beim Einsatz von digitalen Messsensoren im Rahmen von „distance learning“ auftreten?
Wie kann diesen Problemen begegnet werden?
Diskussionsfragen
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AG DigitaleBAS ISKOMPETENZEN
§ Beichner, R. J . (1990). The Effect of Simultaneous Motion Presentation and Graph Generation in a Kinematics Lab. Journal of Research in Science Teaching, 27(8), 803-815.
§ Belcher, C. M., & McElwain, C. J . (2008). Limits for Combustion in Low O2 Redefine Paleoatmospheric Predictions forthe Mesozoic. Science, 321(5893), 1197-1200. https://doi.org/10.1126/science.1160978
§ Fleischer, T. & Huwer, J . (im Druck). 33 Ideen Digitale Medien Chemie. Step-by-step erklärt, einfach umgesetzt - das kann jeder! Augsburg: Auer Verlag
§ Lampe, H.-U., Liebner, F. , Urban-Woldron, H., & Tewes, M. (2015). Innovativer naturwissenschaftlicher Unterricht mit digitalen Werkzeugen. Experimente mit Messerwerterfassung in den Fächern Biologie, Chemie, Physik. MNU Themenreihe Bildungsstandards. Neuss: Verlag Klaus Seeberger
§ Schlichting, H. J . (1994). Die Kerzenpumpe. Praxis der Naturwissenschaften Physik, 43(4), 12-15.§ Von Kotzebue, L. , Gerstl, M., & Nerdel, C. (2015). Common Mistakes in the Construction of Diagrams in Biological
Contexts. Research in Science Education, 45(2), 193-213. https://doi.org/10.1007/s11165-014-9419-9
Literatur
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