Potenziale von Mehrmesswerterfassungssystemen im Chemieunterricht

Abstract

In der Diskussion um Messwerterfassungssysteme spielen neben dem Einsatz auch die Anschaffungskosten eine Rolle. Außerdem kann die Frage aufgeworfen werden, ob die „Blackbox“ Messsystem hinsichtlich der naturwissenschaftlichen oder der (programmier-) technischen Ebene geöffnet und als Möglichkeit der Differenzierung genutzt werden kann. Der Beitrag diskutiert exemplarisch an den Dimensionen „Plug&Play“ oder „OpenSource“ die Vor- und Nachteile von Arduino-basierten Messsystemen gegen das LabQuest2-System von Vernier mit Bezug zum gewünschten Einsatz.

Full text

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Walkowiak,%Malte;%Schneeweiß,%Niklas;%Nehring,%Andreas;%Schanze,%Sascha%-%Leibniz%
Universität%Hannover,%Institut%für%Didaktik%der%Naturwissenschaften%(IDN)%
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Potenziale von Mehrmesswerterfassungssystemen im Chemieunterricht
Walkowiak, Malte; Schneeweiß, Niklas; Nehring, Andreas; Schanze, Sascha
Leibniz Universität Hannover, Institut für Didaktik der Naturwissenschaften (IDN)
Im Zuge der Diskussion um die gesellschaftlichen Veränderungen, angestoßen durch die Digi-
talisierung, werden auch die Konsequenzen für die Gestaltung von naturwissenschaftlichem
Unterricht im Allgemeinen und für das Fach Chemie im Speziellen diskutiert. Eine Idee zum
Umgang mit diesen Veränderungen besteht im Einsatz von digitalen Werkzeugen, zum Beispiel
für die Messwerterfassung (z.B. Schrader & Schanze, 2015). Während die Messwerterfassung
per se bereits lange von Bedeutung auch für den Chemieunterricht ist, stellt die digital gestützte
Messwerterfassung, insbesondere auf Basis von Mikrocontrollern, eine neuere Entwicklung im
deutschen und internationalen Kontext dar (Duvinage & Homeyer, 2015; Grinias, Whitfield,
Guetschow, & Kennedy, 2016; Kubínová & Šlégr, 2015; Rap & Blonder, 2016; Walkowiak &
Nehring, 2016a, 2016b). Insbesondere der Selbstbau von Messwerterfassungssystemen bietet
für den naturwissenschaftlichen Unterricht vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Der vor-
liegende Beitrag diskutiert Potenziale auf fachdidaktischer Ebene und zeigt anhand des Einsat-
zes zur isochoren Erwärmung von Luft exemplarisch auf, welche Vorteile und Herausforderun-
gen sich durch den Einsatz von zwei verschiedenen Mehrmesswerterfassungssystemen (Ardu-
ino- und LabQuest-basiert) ergeben. Dabei werden die Unterschiede zwischen den Systemen
aufgezeigt und die sich daraus ergebenen Konsequenzen für den Unterricht diskutiert.
Worin bestehen Potenziale digitaler Messwerterfassungssysteme?
Potenzial 1: Umgang mit Daten Grundsätzlich kommt durch den Einsatz von digitalen
Messwerterfassungssystemen dem Arbeiten mit Daten und der Datenaufbereitung eine beson-
dere Rolle zu, die eine fachspezifische Förderung der Kompetenzen in der digitalen Welt be-
deuten (Sekretariat der Kultusministerkonferenz (Hrsg.), 2016). So sind einerseits Diskussio-
nen über die Datenform (z.B.: Buchstabenketten, Zahlen mit und ohne Dezimalstelle), aber
auch die Datenanordnung (Wide- oder Longformat) denkbar. Schließlich sind Entscheidungen
über adäquate Repräsentationsformen der Daten zu treffen. Hierdurch erhält der Chemieunter-
richt einen fachübergreifenden Anwendungsbezug, weil das Kommunizieren der Ergebnisse im
Wesentlichen auch die Aufbereitung von Daten erfordert, um Muster zu erkennen und darüber
Fragestellungen zu beantworten. Letztlich wird so ein Diskutieren über Daten und deren Qua-
lität möglich. So können das Experiment, die Repräsentationsform oder die Sensoren als eine
Fehlerquelle ausgemacht werden.

Potenzial 2: Einsatz in der Erkenntnisgewinnung. Stehen Experimente im Mittelpunkt
eines Erkenntnisprozesses, so kann von den Lernenden gefordert werden, geeignete Sensoren
auszuwählen, um die relevanten chemischen oder physikalischen Größen zu erfassen. Oftmals
ist es hierbei von Nöten mehrere Parameter gleichzeitig aufzunehmen. Der Einsatz von digitaler
Messwerterfassung führt nicht automatisch zu einem adäquaten Verständnis über die Wissen-
schaft Chemie und die Tätigkeiten in der Wissenschaft Chemie (in Anlehnungn an Hodson,
2014). Vielmehr sind hierzu Fähigkeiten notwendig, wie Fragen zu identifizieren und zu stel-
len, aber auch die Planung und das Design von Experimenten zu bedenken, um schließlich
Daten zu sammeln. Letztlich werden dann die Fragen mit Hilfe von datenbasierten Erklärungen
beantwortet (Capps & Crawford, 2013) oder aber auch Muster in Daten identifiziert (Hodson,
2014).
Potenzial 3: Programmieren als Kulturtechnik. Mit Bezug zur Digitalisierung wird oft-
mals davon gesprochen, dass Programmieren, wie Lesen, Schreiben und Rechnen, eine neue
Kulturtechnik darstellt (Brühl, 2015). Weitergehend wird zumindest konzeptionelles Wissen zu
Programmroutinen, wie Algorithmen gefordert (Reichert, Nievergelt, & Hartmann, 2014).
Während vermutlich das Programmieren an sich kein relevantes Ziel für den Chemieunterricht
selbst darstellt, bildet die Fähigkeit des Programmierens den Anschlusspunkt für den Selbstbau
von Messwerterfassungssystemen. So liefern verschiedenste Sensoren oftmals Spannungsän-
derungen, die über eine Schaltung und in der Folge über den Programmcode mathematisch
interpretiert werden müssen. Damit stellt der Einsatz von (selbstgebauten) Messgeräten eine
authentische Schnittmenge zwischen der Chemie, der Mathematik und der Informatik her.
Potenzial 4: Möglichkeiten der Differenzierung. Bisher nur implizit angeklungen, be-
steht durch den Einsatz von digitaler Messwerttechnik im Chemieunterricht ein besonderes Po-
tenzial der Differenzierung und zum Umgang mit Diversität. So besteht die Möglichkeit Mess-
wertsystem als Blackbox zu betrachten, indem fertige Systeme verwendet werden. Es kann je-
doch auch ein (partieller) Einblick in die Blackbox vorgenommen werden. Bei selbstgebauten
Messwerterfassungssystemen kann auch der Schaltungsbau oder die Programmierung als Auf-
gabe gestellt werden. Und auch hier kann zwischen Stecksystemen oder gelöteten Systemen
variiert werden oder der Programmcode teilweise oder gar nicht vorgeben werden. Somit ist
eine Differenzierung über die Lernmaterialien ohne größeren Aufwand möglich. Über die Pro-
grammierung, egal ob frei oder in Codeblöcken, kann beispielsweise mit Hilfe die Arduino IDE
in die Technik von Algorithmen eingeführt werden.

Potenziale am Beispiel: Betrachtung der isochoren Erwärmung von Luft mit verschiede-
nen Systemen
Am Beispiel der isochoren Erwärmung von Luft wird gezeigt, welche Konsequenzen sich durch
den Einsatz von (selbstgebauten) Messwerterfassungssystemen für den Unterrichtseinsatz er-
geben. Namentlich werden das LabQuest2-System (Appendix A) mit einem Arduino-basierten
Selbstbau (Appendix B) verglichen (Tab. 1). Aus den Vergleichskategorien ergeben sich gerä-
tespezifische Potenziale, die im konkreten Verwendungsfall abgewägt werden müssen.
Tabelle 1: Vergleich der Messwerterfassungssysteme Chemduino und LabQuest2
Vergleichskategorie
Messwerterfassungssystem
Arduino-basiert
LabQuest2
Preis pro Aufbau
ca. 40 €
ca. 780 €
Programmieren
Ja1
Nein
Plug & Play
Nein
Ja
Live Ansicht der Daten
Nein2
Ja
Rohdaten Export
Ja
Ja
Datenzugriff
1 Gerät
7-303 Geräte
Userzugriff
OpenSource
ClosedSource
Sensoren für Temperatur
und Druck
2 in 1
2 einzelne
Anmerkungen:
1Freie Programmierung oder in Codeblöcken
2Mit PLXDAQ auf Windows möglich
3Bis zu 7 Geräte bei direktem Zugriff; bis zu 30 Geräte bei Ein-
bindung in ein bestehendes Netzwerk.

Die isochore Erwärmung setzt voraus, dass ein definiertes Volumen in einem geschlossenen
System erwärmt und hierzu in Abhängigkeit der Druck im Gefäß gemessen wird (siehe Abb.
1).
Abbildung 1: Aufbau
Das Gleichzeitige Messen von Druck und Temperatur ist mit beiden Messwerterfassungssyste-
men möglich. Das Arduino-basierte Messwertsystem zeigt sich dabei als agiler. Der verwen-
dete Temperatursensor von LabQuest2-System hat eine Latenz von ca. 50 Sekunden während
der Sensor des Arduinos alle fünf Millisekunden eine Messung durchführen kann.
Ein weiterer Unterschied besteht in der Visualisierung der Daten. So kann über das Display des
LabQuest2 ein Livefeed der Daten im zeitlichen Verlauf gezeigt werden. Jedoch ist es in der
derzeitigen Software-Unterstützung nicht möglich den Druck und die Temperatur gegeneinan-
der zu plotten. Hierzu ist ein Datenexport zu einer Tabellenkalkulationssoftware über das csv-
Format notwendig. Ein Livefeed ist beim Arduino auch möglich, allerdings nur unter Windows
und mit einer aktuellen Excel-Version (Walkowiak & Nehring, 2016b). In Excel kann auch
direkt Druck gegen Temperatur geplottet werden. Wenn ein Livefeed nicht möglich oder ge-
wollt ist, kann über die Freeware CoolTerm (2018) die serielle Kommunikation zwischen dem
Arduino und dem Laptop (Linux, macOS, Windows) aufgezeichnet und ebenfalls als csv-Datei
exportiert werden. Hier sind drahtlose Übertragungen nicht ohne weiteres möglich.

Die Datenaufarbeitung muss in beiden Fällen entweder die Abkühlung oder die Erwär-
mung fokussieren. Andernfalls ähnelt der Graph bei Auftragung von Druck gegen Temperatur
einer Ellipse und erschwert eine Regression. Für beide Systeme gilt außerdem, dass sie, wenn
sie einmal eingerichtet sind, nicht neu konfiguriert werden müssen. Jedoch ist die Arbeit an der
Schaltung und am Programmiercode über die IDE nur mit dem Arduino-basierten Messwerter-
fassungssystem möglich.
Beide Systeme liefern äquivalente Ergebnisse (Abb. 2). Allerdings zeigt sich auch, dass
keine Gerade vorliegt, obwohl dies theoretisch zu erwarten wäre. Für die Diskussion der Er-
gebnisse sind dann zwei Aspekte relevant. Zum einem nimmt der theoretische Hintergrund der
isochoren Erwärmung an, dass ein ideales Gas vorliegt. Luft als Stoffgemisch erfüllt nicht die
theoretischen Annahmen des idealen Gasgesetzes. Zum anderem weisen die eingesetzten Sen-
soren Idealmessbereiche auf (Tab. 2). Werden diese verlassen, tritt eine erhöhte, nicht unbe-
dingt systematische Ungenauigkeit der Messung ein. So stiegt des Bestimmtheitsmaß R2 deut-
lich, wenn nur der Idealmessbereich des Druck- und Temperatursensors des Arduino-basierten
Messwerterfassungssystems abgebildet wird (gekürzte Aufnahme: R2 = 0.938; vollständige
Aufnahme R2 = 0.875). Informationen u.a. zu den Mess- und Fehlerbereichen finden sich je-
weils in den Datenblättern der Sensoren.
Abbildung 2 Isochore Erwärmung aufgenommen mit dem Arduino-basierten Messwerterfas-
sungssystem: Vergleich einer vollständigen und gekürzten Aufnahme.
R² = 0,87458
R² = 0,93835
900
1000
1100
1200
1300
20 30 40 50 60 70
Druck in hPa
Temperatur in ° C
Isochore Erwärmung
Vollständige Aufnahme Gekürzte Aufnahme
Linear (Vollständige Aufnahme) Linear (Gekürzte Aufnahme)

Tabelle 2 Sensorbeschreibungen laut Datenblatt
Messwerterfassungssystem
Arduino-basiert
LabQuest2
Temperatur
[in °C]
Druck
[in hPa]
Temperatur
[in °C]
Druck
[in hPa]
Min
0
300
-25
0
Max
65
1100
120
2100
Messfehler
±1.0
±1.0
±0.5
± 40
Auflösung
0.1
0.01
0.08-0.25
Ohne Angabe

Diskussion und Schlussfolgerung
Dieser Beitrag fokussiert auf Potenziale von digitalen Messwerterfassungssystemen und zeigt
bei einer vergleichenden Vorstellung zweier Messwerterfassungssysteme fachliche und techni-
sche Herausforderungen für einen fachspezifischen Einsatz auf. Insbesondere, wenn Chemie-
lehrkräfte geringere physikalische, mathematische oder informatische Grundkenntnisse (z.B.
aus ihrem zweiten Unterrichtsfach) haben ist es fraglich, ob trotz der hervorstechenden Vor-
teile, ein Selbstbau digitaler Messwertsystem im Unterricht zu erwarten ist. Hier muss der Auf-
wand gegenüber dem fachdidaktischen Nutzen betrachtet werden. Weiter ist bei der Beschrei-
bung digitaler Kompetenzen die Diskussion darüber noch offen, welche Aspekte der digitalen
Messwerterfassung überhaupt konzeptionell dem Chemieunterricht zugeordnet werden können
und sollen. Auf keinen Fall ist es ausreichend digitale, Messwerterfassung einfach um ihrer
Selbstwillen einzuführen. In diesem Sinne war es das Ziel dieses Beitrags Möglichkeiten auf-
zuzeigen und Diskussionslinien anzustoßen.
Mit Blick auf Möglichkeiten, die sich durch die Einführung digitaler Messwerterfassung
ergeben, bieten sich eine ganze Reihe von Betrachtungsweisen, um den Chemieunterricht in
sinnvoller Weise auf die Anforderungen durch die Digitalisierung zu erweitern bzw. konzepti-
onell zu ändern. Hierdurch ergibt im Besonderen die Möglichkeit den Chemieunterricht näher
an die Wissenschaft Chemie zu rücken und damit vielen bereits vorhandenen theoretischen und
konzeptionellen Vorgaben nachzukommen. Letztlich hängt von Einsatzzweck der digitalen
Messwerterfassungssysteme ab, welche Art von Potenzialen erschlossen werden. In diesem
Sinne wurde versucht ein simples Gegeneinanderausspielen von low-cost gegen high-cost Dis-
kussion zu vermeiden.
Indem Schülerinnen und Schüler Daten über das Verhalten von isochoren Systemen
„live“ aufnehmen und visualisieren können, zeigen beide Systeme das Potential, Unterricht im
Themenfeld Energetik bzw. Thermodynamik zu bereichern. Neben der Verknüpfung von Che-
mie- und Informatikunterricht bietet sich darüber die Möglichkeit, vergleichsweise schnell und
leicht zugänglich auf das Verhalten von Systemen z. B. Druckänderung zu fokussieren. Erwei-
terungen auf isobare Systeme und Aspekte der Volumenarbeit im Kontext der Änderung der
inneren Energie sind ohne weiteres möglich, so dass das System, einmal im Unterricht einge-
führt, auf verschiedene Fachinhalte angewendet werden kann.

Literaturverzeichnis
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for Real-Time Measurement Representation in Class. Journal of Chemical Education,
93(4). http://doi.org/10.1021/acs.jchemed.5b00923

Appendix A: Materialien für das Arduino-basierte Messwerterfassungssystem
A.1. Material Liste
Anzahl
Hersteller
Preis
Mikrocontrollerplatform
1
Arduino Nano
ca. 25 €
BMP 180
1
Sparkfun oder Adafruit
ca. 10 €
Jumperkabel
---
Beliebig
ca. 2 € für 30 Stück
Steckbrett
1
Beliebig
ca. 4 €
Anschlussklemme RM 1.54
2
Beliebig
ca. 0.20 € pro Stück
A.2. Schaltskizze
Abbildung 3 Schaltplan zwischen den Arduino und dem BMP 180
BarometricPressureSensorBreakout-BMP180
-(GND)zuGND
+(VDD)zu3.3V,nicht5.0V!
AnverschiendenenArduino:SDASCL
------------------------------------------------------
Nano,Uno,Redboard,Pro:A4A5
Mega2560,Due:2021
Leonardo:23

A.3. Programmcode:
Hinweise: Die Bibliotheken müssen einmalig in der Arduino IDE installiert werden.
/* Bibliotheken*/
#include <Adafruit_BMP085.h>
#include <Wire.h>
/***************************************************
This is an example for the BMP085 Barometric Pressure & Temp Sensor
Designed specifically to work with the Adafruit BMP085 Breakout
----> https://www.adafruit.com/products/391
These displays use I2C to communicate, 2 pins are required to
interface
Adafruit invests time and resources providing this open source code,
please support Adafruit and open-source hardware by purchasing
products from Adafruit!
Written by Limor Fried/Ladyada for Adafruit Industries.
BSD license, all text above must be included in any redistribution
****************************************************/
// Connect VCC of the BMP180 sensor to 3.3V (NOT 5.0V!)
// Connect GND to Ground
// Connect SCL to i2c clock - on '168/'328 Arduino Uno/Duemilanove/etc thats Analog 5
// Connect SDA to i2c data - on '168/'328 Arduino Uno/Duemilanove/etc thats Analog 4
// EOC is not used, it signifies an end of conversion
// XCLR is a reset pin, also not used here
Adafruit_BMP085 bmp;
void setup() {
Serial.begin(9600);
if (!bmp.begin()) {
Serial.println("Could not find a valid BMP180 sensor, check wiring!");
while (1) {}
}
}
void loop() {
Serial.print(bmp.readTemperature());
Serial.print(",");
Serial.print(bmp.readPressure()/100);
Serial.println();
delay(1000); /* Hier kann der Messintervall in Millisekunden eingestellt werden*/
}

A.4. Aufbau der isochoren Erwärmung mit dem Arduino-basierten Messwerterfassungssys-
tem
Arduino Nano
Sensor (BMP 180)
Steckbrett

Appedix B: Materialliste und Aufbau für das LabQuest-basierte Messwerterfassungssystem
B.1. Materialliste
Anzahl
Hersteller
Preis
LabQuest 2
1
Vernier
ca. 590 €
Surface Temperature Sensor
1
Vernier
ca. 40 €
Gas Pressure Sensor
1
Vernier
ca. 150 €
B.2. Aufbau der isochoren Erwärmung mit dem LabQuest-basierten Messwerterfassungssys-
tem
LabQuest 2
Temperatursensor
Gasdrucksensor