Smartphones raus! Physik! E-Book

Daniel Gembris

• Herausgeber: AOL-Verlag in der AAP Lehrerfachverlage GmbH
• Kategorie: Für Kinder und Jugendliche
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 131

Veröffentlichungsjahr: 2016

Beschreibung

Smartphones lassen sich sinnvoll für den Unterricht nutzen - hier erfahren Sie, wie!

Das E-Book stellt Ihnen 67 in der Regel kostenlose Appsvor, die Sie in Ihrem Physikunterricht nutzbringend einsetzen können. Darunter sind allgemeine Apps für Taschenrechner, Formelsammlung und Videosoftware. Der Schwerpunkt liegt aber auf Apps für konkrete Unterrichtssituationen. Das Smartphone wird dabei als Messinstrument, zur Visualisierung oder zur Simulation verwendet. Die präzisen Steckbriefe liefern zu den durchweg Android®-basierten Apps eine kurze Beschreibung, sie nennen Einsatzmöglichkeiten, Besonderheiten sowie eine Alternative für iOS®. Zum Abschluss erhalten Sie zehn kurze Unterrichtseinheiten, die Ihnen beispielhaft zeigen, wie der Einsatz konkret erfolgen kann.

Zu diesem Titel stellen wir Ihnen eine Linkliste zum Download zur Verfügung, die vom Autor vierteljährlich aktualisiert wird.

Leseprobe

Daniel Gembris

Smartphones raus! Physik!

67 nützliche Apps –10 kurze Unterrichtseinheiten zum direkten Einsatz

Impressum

Smartphones raus! Physik!

Dr. Daniel Gembris ist seit August 2015 hauptamtlicher Dozent für Mathematik und naturwissenschaftliche Grundlagen an der Staatlichen Studienakademie Dresden der Berufsakademie Sachsen. Er studierte Physik an der TU Dortmund, seine Diplomarbeit und Dissertation entstanden im Forschungszentrum Jülich. Sein Spezialisierungsgebiet ist die Magnetresonanz, insbesondere ihre Anwendung für die Messung von Diffusion und physiologischen Prozessen. Nach einer Postdoc-Phase im Forschungszentrum Jülich und an der Universität Mannheim folgte eine Anstellung in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung einer Firma in Ettlingen bei Karlsruhe.

Durch eine zweieinhalbjährige Tätigkeit an einem westfälischen Gymnasium erfolgte eine vertiefte Auseinandersetzung mit didaktischen und pädagogischen Fragestellungen – die maßgeblichen Anteil am Entstehen dieses Buches hatte.

© 2016 AOL-Verlag, Hamburg

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Fon [phone]-060 • Fax [phone]

[email protected] • www.aol-verlag.de

Redaktion: Daniel Marquardt

Lektorat: omnibooks, Bielefeld

Layout/Satz: Satzpunkt Ursula Ewert GmbH, Bayreuth

Alle Screenshots wurden vom Autor erstellt.

Bildnachweis

Coverfoto: © vectorfusionart – Fotolia.com

S. 135: Asteroiden: Courtesy NASA/JPL-Caltech

S. 136: Barringer-Krater: Colin M. L. Burnett, Wikimedia Commons (Creative Commons-Lizenz CC BY-SA 3.0, http://creativecommons.org/licences/by-sa/3.0/deed.de)

ISBN: 978-3-403-70363-1

Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werkes ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gestattet, nicht jedoch für einen weiteren kommerziellen Gebrauch, für die Weiterleitung an Dritte oder für die Veröffentlichung im Internet oder in Intranets. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages.

Die Benutzung dieses Buches und die Umsetzung der darin enthaltenen Informationen erfolgen ausdrücklich auf eigenes Risiko. Das Werk inklusive aller Inhalte wurde unter größter Sorgfalt erarbeitet (Stand: Juni 2016). Der Verlag und die Autoren übernehmen jedoch keine Gewähr für die Aktualität, Korrektheit, Vollständigkeit und Qualität der bereitgestellten Informationen, ebenso nicht für Druckfehler. Auf künftige rechtliche Entwicklungen haben der Verlag und die Autoren keinen Einfluss. Die Informationen können weder eine Rechtsberatung ersetzen noch berücksichtigen sie die jeweiligen besonderen Gegebenheiten des Einzelfalles. Vor der Umsetzung oder Anwendung vorgeschlagener Unterrichtsmethoden, insbesondere bei der Zuhilfenahme elektronischer Hilfsmittel (Smartphones usw.), empfehlen wir Ihnen, sich ausführlich über die jeweils aktuell geltenden rechtlichen Bedingungen, insbesondere auch über die landesrechtlichen Vorgaben zum Datenschutz, zu informieren. Für eine konkrete Rechtsberatung wenden Sie sich bitte an einen Rechtsanwalt. Wir schließen jegliche Haftung für Schäden, die direkt oder indirekt aus der Benutzung dieses Buches entstehen, aus, soweit diese nicht auf Vorsatz oder grober Fahrlässigkeit beruhen.

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort

I App-Vorstellung

I.i Universell verwendbare Apps

1 RealCalc Scientific Calculator® (Wissenschaftlicher Taschenrechner)

2 droidplot®

3 Wikipedia® (Offlinereader)

4 WPS Office® (Office-Software)

5 KineMaster® (Videobearbeitung)

I.ii Apps zum Wiederholen und Üben

6 Schlaukopf: Fit für die Schule® (Lernquiz)

7 Wörter Suche – Word Search®

8 Wortsuche Flexibel®

9 Pocket physics® (Formelsammlung)

I.iii Apps in der Erarbeitungsphase – Das Smartphone als Messinstrument

10 Messen: Smart Measure® (Höhenbestimmung von Objekten)

11 Clinometer + WasserwaageTM

12 Uhr®

13 Freifall Stoppuhr und Rechner®

14 VidAnalysis® free (Videoanalyse)

15 Physics Toolbox Accelerometer®

16 Acceleration Explorer®

17 Speed-Up® (Beschleunigungsmessung)

18 Vibrometer: Vibration Meter®

19 Physics Toolbox Barometer®

20 Stabilisierter Kompass®

21 GPS Status & Toolbox® (mit Kompass)

22 Meine Tracks® (GPS-Tracker)

23 Sensor Recording Lite®

24 WeatherSignal®

25 Schallmessung: Sound Meter®

26 Oscilloscope® (Speicheroszilloskop)

27 Spectral Audio Analyzer®

28 Sound Generator®

I.iv Apps in der Erarbeitungsphase – Visualisierung und Simulation

Astronomie

29 Satellite AR®

30 ISS Detector®

31 Pocket Planets Lite®

32 Google Sky Map®

Mechanik

33 Balancing Act®* (Gleichgewichtsberechnung)

34 Gesamtkraft mehrerer Kräfte* (Vektoraddition)

35 Flaschenzug*

36 Forces and Motion: Basics®*

37 Energy Skate Park: Basics®* (Energieumwandlung)

38 Bewegung mit konstanter Beschleunigung*

39 Projectile Motion Simulation® (Wurfsimulation)

40 Elastischer und unelastischer Stoß*

41 Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit*

42 Fadenpendel*

43 Gekoppelte Pendel*

44 WindTunnel® free

45 Wellenlabor®

Elektrizität und Magnetismus

46 Balloons and Static Electricity®* (Elektrostatische Aufladung)

47 Plasma Orb Free Live Wallpaper® (Simulation einer Plasmakugel)

48 Ohm’s Law®* (Ohm’sches Gesetz)

49 Ohm’s Law Plus® (Rechnen mit dem Ohm’schen Gesetz)

50 Resistance in a Wire®* (Drahtwiderstand)

51 Einfache Wechselstromkreise*

52 Faradays Elektromagnetisches Labor®* (Induktionsgesetz)

53 Gleichstrom-Elektromotor*

54 EveryCircuit® free (Schaltungssimulation)

55 Blitzortung Gewitter-Monitor®

56 Regenradar®

57 CO2 Modeller®

Optik

58 Taschenlampe Tiny Flashlight® (Smartphone als Taschenlampe)

59 Color Detector®

60 Spielzeug Kaleidoskop® (Kaleidoskopberechnung aus Kamerabildern)

61 Qioptiq Lens Calculator® (Simulation optischer Abbildungen)

62 Runtastic Heart Rate® Puls (Herzfrequenzmessung)

Serious Games

63 Bridge Constructor Playground® free (Brückenkonstruktion)

64 Powder Game Viewer® (Simulation von Partikelsystemen)

65 Apparatus Lite® (Schwerkraftapparate)

66 Glass® (Optische Aufbauten)

67 Rubble!® (Asteroidenabwehr)

II Unterrichtseinheiten

Vorbemerkungen

Mechanik

1 Berechnung von Momentan- und Durchschnittsgeschwindigkeit aus GPS-Daten

2 Experiment zum freien Fall (Tiefe des Kyffhäuser-Brunnens)

3 Experiment zur Beschleunigung beim Laufen und Springen

4 Reibungsarten: Experiment an der schiefen Ebene

5 Handyschaukel-Experiment zum Zusammenhang zwischen Periodendauer und Fadenlänge

Mechanik von Gasen

6 Experiment zum Luftdruck (Barometrische Höhenformel)

Elektrizitätslehre

7 Aufgabe zum Stromverbrauch von Smartphones

8 Schaltungen aus Widerständen

Optik

9 Additive und subtraktive Farbmischung

Astronomie

10 Asteroidenabwehr

III Anhang

III.i Linkliste

III.ii Literaturliste

* HTML5-Web-Apps, meist Simulationen

Vorwort

Warum Smartphones im Unterricht? Warum ein Buch dazu?

Für viele Lehrpersonen sind Handys und Smartphones im Klassenraum ein Fluch, weil Schüler* sie für private Zwecke verwenden, insbesondere für den Austausch von Nachrichten über soziale Netzwerke. Dass und wie sich die neue Technik im Unterricht aber auch konstruktiv nutzen lässt, erläutert dieses Buch. Als Motto käme in Betracht: Wenn sich die tägliche Nutzung von Smartphones nicht verhindern lässt, sollte zumindest ein möglichst sinnvoller Einsatz angestrebt werden.

Die Hauptzielgruppe für das Buch reicht von Referendaren, die sich gerade erst eine Materialsammlung aufbauen, über Junglehrer bis zu „alten Hasen“, die immer noch Neuheiten gegenüber aufgeschlossen sind. Aber auch interessierte Eltern, Bildungspolitiker, Mitarbeiter der Kultusministerien und natürlich App-Entwickler können sicherlich einen Nutzen aus dem Buch ziehen.

Ein Grundsatz der Lehrerausbildung besagt, dass Unterricht auf die Lebenswelt der Schüler Bezug nehmen soll. Dazu zählt im Leben der aktuellen Schülergeneration eindeutig das Smartphone – ein Telefon, bei dem das Telefonieren nur noch eine Funktion unter vielen ist. So besitzen nach Angaben des Branchenverbandes Bitkom bereits zwei Drittel der unter 30-Jährigen ein Smartphone. Im Jahr 2014 betrug der entsprechende Anteil bei Kindern im Alter von 6 bis 13 Jahren 25 % (Kids-Verbraucher-Analyse 2014). Eine persönliche Erfahrung dazu: In einer von mir im Jahr 2012 an einem Gymnasium unterrichteten 7. Klasse gaben nahezu alle Schüler an, über ein eigenes Smartphone zu verfügen.

Im Laufe der Zeit stieß ich auf immer mehr interessante Smartphone-Programme, sogenannte Apps, die sich für einen Einsatz im Unterricht bzw. das Lernen und Lehren schulischer Inhalte eignen. Irgendwann war eine so große Zahl von Apps erreicht, dass die Idee aufkam, über diese und ihre Anwendungsmöglichkeiten ein Buch zu schreiben. Ein erster unterrichtlicher Anknüpfungspunkt wäre, von den Schülern die durch die Smartphone-Nutzung entstehenden Kosten abschätzen und Angaben zur Akkukapazität (in Ah) in alltäglichere Größen wie „Wh“ oder „Betriebsdauer“ umrechnen zu lassen. Hierauf wird später noch genauer eingegangen.

Der Einsatz von Computern im Unterricht war bislang oft mit dem Aufsuchen eines Computerraums verbunden, was aber einen Verlust an Lernzeit bedeutet. Besser ausgestattete Schulen stellen ihren Schülern Tablets zur Verfügung. Was liegt näher, als die Computer zu nutzen, die sie ohnehin bei sich haben? Durch die Vertrautheit mit dem Gerät sinkt die Schwelle, dieses auch zu Hause für Lernzwecke zu verwenden. Gegenüber dem Frontalunterricht haben Computerlernprogramme den Vorteil, dass für einen Lernzuwachs nicht alle Schüler gleichzeitig aufmerksam sein müssen und das individuelle Lerntempo berücksichtigt wird. Beide Aspekte gewinnen an Bedeutung, weil es Schüler durch die neuen Medien gewohnt sind, Informationen „on demand“ zu erhalten (z.B. Erklärvideos auf YouTube®). Dem kann man zwar auch mit anderen Lernmethoden gerecht werden, Lernprogramme haben aber den Vorteil, eine unmittelbare Rückmeldung zum Lernerfolg geben zu können.

Allerdings sollte sich die Schule dieser Entwicklung nicht unreflektiert unterwerfen: Schüler müssen lernen, eigene Bedürfnisse zurückzustellen. Schließlich sollen im Unterricht nicht nur fachliche Inhalte, sondern auch Soft Skills vermittelt werden. Eine Konsequenz der erleichterten Wissensaufnahme durch spielerisches Lernen und neue Lernhilfsmittel wäre, das inhaltliche Niveau anzuheben. Tatsächlich geht die Entwicklung aber meist in eine andere Richtung, so meine Einschätzung.

Apps sowie generell das Spielen oder Lernen am Computer ersetzen nicht das Aufbauen realer Versuche, mit denen Schüler u.a. sensorische Primärerfahrungen machen können. Eine Zeitersparnis durch den Verzicht auf Versuchsaufbauten, die im Unterrichtsalltag essenziell sein kann, lässt sich nicht nur durch die Verwendung von Apps erreichen, sondern auch mit Freihandexperimenten (siehe Kapitel III.ii Literaturliste). Solange nicht zu einseitig auf Apps gesetzt wird, liegt ihr Nutzen auch darin, den Unterricht abwechslungsreicher zu gestalten. Ein motivierender Effekt von Apps besteht zumindest momentan noch im Reiz des Neuen. Aufgrund praktischer Vorteile der neuartigen Möglichkeiten gegenüber anderen Unterrichtsmedien und -materialien könnten bestimmte Apps einen dauerhaften Platz im Unterricht finden. Dieses Buch soll einen Beitrag zu diesem Etablierungsprozess leisten.

Auf den Softwareportalen Google Play® und iTunes® werden über eine Million Apps angeboten sowie weitere 300.000 im Amazon® App-Store. Seit Anfang 2015 gibt es übrigens mehr Apps für Android® als für iOS®. In Anbetracht dieses Angebots ist es für den Nutzer nicht leicht, die für ihn nützlichsten Apps zu finden. Für eine Erleichterung der Suche gibt es in der Regel eine eigene App-Kategorie für Lernprogramme, aber selbst in diesen ist das Angebot unüberschaubar groß. Hilfreich wäre es, wenn die Apps mit einer als Suchkriterium verwendbaren Altersempfehlung versehen würden. Bislang existieren Alterseinstufungen nur zum Zwecke des Jugendschutzes wie die der USK (Unterhaltungssoftware Selbstkontrolle). Die meisten Lernprogramme haben die USK-Altersfreigabe „0 Jahre“, mit der sich aber z.B. nicht zwischen Programmen für den Kindergarten oder die gymnasiale Oberstufe unterscheiden lässt.

Basierend auf eigenen Unterrichtserfahrungen wurden für den vorliegenden Ratgeber Apps ausgewählt, die das Unterrichten des Fachs Physik unterstützen können. Sie richten sich überwiegend an Schüler in den Klassen 7–10 an Gymnasien oder Realschulen. Auf eine genauere Altersempfehlung wird verzichtet, weil je nach Bundesland und Curriculum die Behandlung der Themengebiete Mechanik, Optik und Elektrizitätslehre in unterschiedlichen Jahrgangsstufen vorgesehen ist.

Die Apps werden im Kapitel I in Form von Steckbriefen vorgestellt, die aus einer kurzen Beschreibung mit mindestens einer Abbildung und ergänzenden Hinweisen bestehen, z.B. zu einem möglichen Unterrichtseinsatz. Im Kapitel II folgen Unterrichtsbeispiele, die z.T. auf einer kombinierten Anwendung mehrerer Apps basieren.

Alle Apps sind kostenlos, bei einigen handelt es sich jedoch um Demoversionen mit eingeschränkter Funktionalität. Die dynamische Entwicklung des App-Marktes bedeutet einerseits eine stetige Ausweitung des Angebots, andererseits aber auch eine Kurzlebigkeit von Produkten. Man kann sich daher fragen, ob ein Buch das richtige Medium für einen App-Ratgeber ist. Ich selbst und der AOL-Verlag glauben ja, weil die vorgestellten Apps in der Regel stellvertretend für eine bestimmte Nutzungsmöglichkeit stehen: Wenn eine App vom Markt verschwindet, weiß der Leser, wonach er suchen kann. Sobald Angaben überholt sind, soll auf der Website www.aol-verlag.de/10363 zu diesem Heft über aktuelle Entwicklungen im Bereich Physik-Apps informiert werden. Aufgrund der Vielzahl von angebotenen Apps erhebt dieses Buch natürlich keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Es wäre sinnvoll, wenn die Lehrpersonen den Schülern geeignete Lern-Apps empfehlen, damit auch sie nicht zu viel Zeit durch das Suchen verlieren.

Technische und praktische Aspekte des Einsatzes von Smartphones

Zunächst sei die grundsätzliche Frage geklärt, welchen Nutzen Apps gegenüber einem Webbrowser haben, mit dem sich auch interaktive Inhalte online wie offline nutzen lassen.

Viele Apps sind so programmiert, dass sie auch offline funktionieren. Eine Offlinenutzung von Webseiten hingegen ist in der Regel problematischer. Daher helfen Apps, Geld zu sparen: Wurde eine App einmal heruntergeladen, kann sie im Prinzip ohne weitere Kosten für Datenübertragung genutzt werden, was besonders außerhalb von WLAN-Zugangspunkten ins Gewicht fällt. Neben den Kosten spielt auch die Netzverfügbarkeit eine Rolle. Beispielsweise könnte ein WLAN-Netz aufgrund von Überlastung nicht zur Verfügung stehen, was bei der Planung von Unterricht und insbesondere von Unterrichtsbesuchen berücksichtigt werden sollte. Andererseits können Kosten durch den Download kostenpflichtiger Apps und, abhängig vom Netzzugang, das automatische Update von Apps entstehen. Eine effektive Möglichkeit zur Begrenzung der Ausgaben für Apps stellen Guthabenkarten dar. Das automatische App-Update sollte am besten deaktiviert oder auf Phasen beschränkt werden, in denen eine WLAN-Verbindung besteht. Eine Aktualisierung des Smartphone-Betriebssystems oder der Play-Store-App führt evtl. zu einer erneuten Aktivierung der Option „automatisches Update von Apps“.

Eine andere mögliche Frage ist, ob der Smartphone-Speicher für eine Installation aller im Folgenden beschriebenen Apps ausreicht. Der Speicherbedarf dieser Apps liegt jeweils etwa zwischen 0,5 und 85 MB (AndrOpen Office®). Bei einer angenommenen Speichergröße von 9 GB ließen sich rund 100 opulente Apps mit einer Größe von 90 MB installieren – es bleibt also genug Speicher übrig. Für das Löschen nicht mehr benötigter Apps sprechen aber die größere Übersichtlichkeit, wenn das Anlegen thematischer App-Verzeichnisse nicht mehr weiterhilft, und die Vermeidung unerwünschter Updates (siehe unten).

Ein weiterer Vorteil von Apps, besonders für den Physikunterricht, ist, dass sich mit ihnen die verschiedenen Sensoren von Smartphones abfragen lassen. Im Prinzip ermöglicht dies auch ein Internetbrowser, allerdings sind mir bislang keine entsprechenden Webseiten bekannt.

Interaktive Webseiten, die auf Java-Applets beruhen, sind oft nicht für eine Nutzung auf Smartphones entwickelt worden und funktionieren auf diesen teils gar nicht. Manche interaktive Anwendungen basieren auf der Adobe-Flash®-Plattform. Da diese sehr hohe Anforderungen an die Ressourcen des Internetendgerätes stellen, sind sie für Smartphones und Tablets wenig geeignet. Zudem ist eine App häufig schneller aufgerufen als eine Webseite. In diesem Ratgeber werden aber auch Webseiten mit Animationen oder Simulationen vorgestellt, die für den Einsatz auf Smartphones optimiert wurden (Web-Apps). Sie basieren auf dem erweiterten HTML5-Standard, durch den der Browser interaktive Elemente lokal, d.h. ohne Zugriff auf einen Internetserver, zur Verfügung stellt. Zwei Sites mit interessanten HTML5-Simulationen sind www.walter-fendt.de und https://phet.colorado.edu. Von beiden Sites werden in diesem Buch diverse Simulationen vorgestellt, siehe Kapitel I.iv. Weiterführende Links finden Sie zudem im Kapitel III.i Linkliste.

Die Site www.leifiphysik.de mit umfangreichem Lehrmaterial zur Schulphysik bietet noch keine derartigen Simulationen an. In vielen Fällen gibt es auch keine Wahl: Eine bestimmte Simulation, Animation usw. wird nur als App angeboten und nicht als interaktive Webseite.

Im Folgenden werden ausschließlich Apps für das Android®-Betriebssystem von Google® vorgestellt, dessen Marktanteil aktuell dreimal so groß ist wie der des Apple®-Betriebssystems iOS®. In den Steckbriefen finden Sie aber zumindest die Namen von Alternativ-Apps für iOS®. Auf Unterschiede zwischen beiden Betriebssystemen aus Entwicklersicht wird weiter unten eingegangen. Alle Angaben zu den in diesem Buch besprochenen Apps gelten für den Zeitraum bis zur Drucklegung im Juni 2016.

Die beschriebenen Smartphone-Apps funktionieren auch auf Tablets. Grundsätzlich können Apps evtl. nur für eine bestimmte Hardwareklasse verfügbar sein.

Apps, die nicht aus einem der offiziellen App-Stores stammen, sollte man besser nicht installieren oder nur, wenn man die Quelle kennt und für vertrauenswürdig hält. Sonst besteht ein erhöhtes Risiko, Schadsoftware zu installieren. Bei Installationen aus den App-Stores sollten Sie darauf achten, welche Berechtigungen erforderlich sind. Apps, die z.