Arbeitsgruppe Prof. Kuhn

NET: iAcoustics

iAcoustics – Experimentieren und informelles Lernen mit Smartphone und Tablet-PC im Themenbereich Akustik für die Sekundarstufe 2

 

Projektskizze/Zielsetzung
Die Akustik ist wie kaum eine andere Teildisziplin der Physik mit der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler verknüpft und bietet darüber hinaus sehr vielfältige Verbindungen zu anderen Fächern wie Musik, Biologie oder Technik. Akustische Phänomene enthalten daher im Kern Komponenten, die die Thematisierung ihrer physikalischen Ursachen intrinsisch motivieren. Smartphones als intuitiv handhabbare und leistungsstarke Experimentiermittel  ermöglichen seit jüngster Zeit das hohe Potential der Akustik weit auszuschöpfen. So kann mit Hilfe des internen Mikrofons und des Lautsprechers Schall im Bereich 20 Hz bis 20 kHz ausgesandt, detektiert und durch geeignete Applikationen in Echtzeit dargestellt und analysiert werden. Experimente, die auf der Basis computerbasierter Messwerterfassung durchführbar sind und Einzug in die unterrichtliche Praxis genommen haben, können demnach ebenso und mit geringerem Materialaufwand mit mobilen Endgeräten durchgeführt werden.

Das Themenmodul "iAcoustics" realisiert einige dieser genannten Aspekte durch das Angebot von acht Experimentierstationen, die akustische Phänomene aus verschiedenen Kontexten erfahrbar machen. Fächerübergreifende Aspekte zur Musik, Biologie und Technik sowie der enge Lebensweltbezug sind ein wichtiges Merkmal der Stationen. Die Schülerinnen und Schüler werden beim Experimentieren Smartphones als intuitiv handhabbare und leistungsstarke Experimentiermittel einsetzen und damit ihr bisheriges Nutzungsspektrum des Mobiltelefons aus pädagogischer und didaktischer Sicht sinnvoll erweitern – kurzum: „Vom Alltagsmedium zum Lernmedium“. Das Themenmodul ist innerhalb des wahlobligatorischen Akustiklehrganges oder auch als Wiederholung und Anwendung nach dessen Abschluss geeignet. Die in den Stationen untersuchten Themen  sind nicht unmittelbar mit dem Curriculum verzahnt und sollten im Anschluss an den Schülerlaborbesuch im Regelunterricht etwa in Form von Schülerkurzvorträgen nachbereitet werden.

Ein Schwerpunkt des Forschungsvorhabens ist die Evaluation des Stationenbetriebes iAcoustcs im Schülerlabor iPhysicsLab vorrangig hinsichtlich Motivationseffekte. Ferner zielt das Themenmodul darauf ab, bei den Schülerinnen und Schülern eine epistemische Neugier zum Thema Akustik einerseits und zum mobilen Endgerät als Experimentiermittel für akustische Phänomene andererseits zu wecken. Epistemisch ist die Neugierde dann, wenn mit Ihr ein Drang nach Wissen verbunden ist und nicht etwa nur eine Verwunderung über das Erlebte oder auch eine Sensationslust. Dieser Drang nach Wissen kann für Schüler, die besonders neugierig sind, durch die Aushändigung eines kleinen Experimentierbüchleins mit informellen Anregungen gestillt werden, in denen sie von formalen Forderungen frei nach eigenem Interesse die im Schülerlabor durchgeführten Versuche vertiefen können. Dies geschieht einmal, indem die Versuche kurz theoretisch fundiert werden. Darüber hinaus werden konkrete Anregungen gegeben, wie mit einfachen Mitteln zu Hause mit den mobilen Endgeräten weiter experimentiert werden kann. Die Beantwortung der Frage „Können Schülerinnen und Schüler zum informellen Weiterlernen animiert werden“ stellt den zweiten Schwerpunkt der Arbeit dar.

 

Ziele/Forschungsfragen

  • Konzeption eines Themenmoduls iAcoustics für die Sekundarstufe 2 sowie deren praktische Erprobung.
  • Empirische Untersuchung des Themenmoduls iAcoustcs vorrangig auf die Variablen Motivation und epistemische Neugierde.
  • Erarbeitung eines Experimentierbüchleins zum informellen Weiterlernen im Anschluss des Besuches des Schülerlabors.
  • Empirische Untersuchung Möglichkeiten und Grenzen der Animation der Schülerinnen und Schüler zum informellen Weiterlernen.
  • Entwicklung der benötigten Testinstrumente

 

Inhalte/Beispiele
Das Hören von Musik mit mp3 – Playern ist heutzutage allgegenwärtig. Dabei ist den Schülern wahrscheinlich nicht bewusst, dass sich das mp3 – Format von der ursprünglichen Studioeinspielung  objektiv stark unterscheidet, was aber subjektiv kaum oder gar nicht empfunden wird. Das liegt daran, dass viele akustische Informationen gerade in einem Frequenzbereich über 16 kHz für unsere Wahrnehmung nur marginal von Belang sind (Hörkurve). Andere psychoakustische Effekte wie etwa der Maskierungseffekt, lassen es auch zu, dass akustische Informationen bei tieferen Frequenzen subjektiv nicht wahrgenommen werden können, weshalb sie im mp3 – Format weggelassen werden können.

Diese psychoakustischen Effekte machen es beim subjektiven Hören sehr schwierig verschieden komprimierte Audiofiles in eine Ordnung zu bringen. Abbildung 1 zeigt hierfür die objektiven Aufnahmen eines kurzen Musikstückes im mp3 – Format, das verschieden stark komprimiert wurde.


Abb. 1:

Von links nach rechts sind die Sonagramme (zeitabhängige Frequenzspektren) von immer stärker komprimierten Audiofiles aufgenommen. Deutlichstes Erkennungsmerkmal der Komprimierungen ist, dass obere Frequenzbereiche einfach abgeschnitten werden. In der Tat klingen die mp3 – Files 1 – 3 wie das Original. Auch bei den Files 4 und 5 fällt die Komprimierung dem ungeübten oder unkritischen Ohre kaum auf. Erst ab File 6 ist Unterschiede sehr deutlich wahrzunehmen.

 

Während die Station „Datenreduktion via mp3“ im Schülerlabor darauf abzielt, überhaupt die Komprimierung von mp3 – Files zu entdecken und den Höreindruck von mp3 – Files mit den objektiven Messungen qualitativ zu vergleichen, werden im Experimentierbüchlein die psychoakustischen Ursachen dieses Phänomens diskutiert. Ein einfaches Experiment, das die Schülerinnen und Schüler mit Ihren Eltern und Großeltern durchführen können, ist es zu ermitteln, bis zu welcher Frequenz sie noch Töne wahrnehmen können. Dies gelingt z.B. mit Tongenerator – Apps.

Eine Datenreduktion findet man nicht nur bei mp3 – Files, sondern z.B. auch beim Telefonieren. Hier können deutliche Unterschiede zwischen der echten Sprache und der über das Telefonieren übertragenen Sprache auch subjektiv wahrgenommen werden. Wie Abbildung 2 zeigt, sind beim Telefonieren via Festnetz alle Frequenzen oberhalb von 3,4 kHz abgeschnitten. Trotz der Unterschiede können wir uns aber deutlich verständigen, weil die vorrangig für die Vokalartikulation wichtigen sogenannten Formanten (= Resonanzfrequenzen des Vokaltraktes) unterhalb von 3000 Hz liegen. Formanten höherer Ordnung sorgen nur für einen Feinschliff des Klanges der Stimme.

 


Abb. 2:

Abschnitt von Frequenzbestandteilen und damit Datenreduktion ist beim Telefonieren nicht nur objektiv im Sonagramm sichtbar, sondern auch unmittelbar erfahrbar. Obwohl z.B. beim Telefonieren via Festnetz alle Frequenzen über 3,4 kHz abgeschnitten sind, können wir uns klar verständigen. Das liegt daran, dass sich die wichtigsten Frequenzbestandteile bei der Vokalartikulation unter 3000 Hz befinden.

 

Untersuchungsdesign der Hauptstudie


Abb. 3:

Studiendesign zur Hauptstudie des Projektes iAcoustics.

Die Studie findet gemäß dem Ablaufplan von Abbildung 3 statt. Im Vorfeld des Schülerlabor-besuches, können die Schüler in Fragebögen Angaben zur Motivation zur Physik und zu Ihrer Einstellung gegenüber Medien machen (Zeitpunkt t1). In der Vorbereitungsstunde werden die im Schülerlabor zu bearbeitenden Stationen sowie die Ziele des Projekts kurz vorgestellt; die Arbeit mit den Apps, die zum Einsatz kommen, wird eingeübt. Die Experimentierphase bildet das Kernstück des Ablaufplanes und umfasst ca. 3 Zeitstunden (4 Unterrichtsstunden). In der Nachbearbeitungsstunde stellen die Schülerinnen und Schüler Ihre Erkenntnisse zu ausge-wählten Stationen in Kurzvorträgen vor, was eine Einbindung des Schülerlaborbesuches in den Unterricht gestattet. Hieran schließt sich ein Fragebogen zur Motivation zur geweckten Neugierde an (Zeitpunkt t2). Besonders neugierige Schülerinnen und Schüler bekommen danach experimentelle Anregungen, die sie vom formalen Unterricht abgekoppelt frei nach eigenen Interessen bearbeiten können. Zum Abschluss der Studie können diese Schülerinnen und Schüler in Interviews über Ihre Erfahrungen mit den experimentellen Anregungen Auskunft geben (Zeitpunkt t3).

Ergebnisse
Erste Ergebnisse einer im letzten Schuljahr durchgeführten Pilotstudie zeigen ein differenziertes Bild bei der Einstellung der Schülerinnen und Schüler gegenüber dem Experimentieren mit mobilen Endgeräten. Neben sehr positiven Rückmeldungen und  erfreulichen Ausprägungen der geweckten Neugier findet man auch eine strikt ablehnende Einstellung zum Experimentiermedium Smartphone. Im Hinblick  auf das informelle Weiterlernen, geben die Schülerinnen und Schüler an, dass Sie ein solches Angebot begrüßen. Eine wirkliche tiefe Beschäftigung ist aber nicht zu beobachten, was verschiedene Ursachen hat.

 

Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Hirth, M., Hochberg, K., Klein, P., Kuhn, J. & Müller, A. (2014). Smartphone-Experimente mit Mikrofon, Beschleunigungs- und Lichtstärkesensor im Physikunterricht der Sekundarstufen 1 und 2. Der Mathematisch-Naturwissenschaftliche Unterricht (MNU) 66.
  • Klein, P., Hirth, M., Gröber, S., Kuhn, J. & Müller, A. (2014). Classical Experiments revisited: Smartphone and Tablet PC as Experimental Tools in Acoustics and Optics. Physics Education 49.
  • Hirth, M., Klein, P. & Kuhn, J. (2013). Experimente mit Smartphone & Co. im Physikunterricht. MINTZirkel, 2 (5/6), 10-11.

 

Zuständigkeit

Doktorand Michael Hirth (mhirth(at)physik.uni-kl.de)

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