Theorie trifft Realexperiment - Stromkreise verstehen mit der AR-App "PUMA : Spannungslabor"

Abstract

Eine Technologie, die in der Lehre immer mehr Verbreitung findet, ist Augmented Reality (AR). Nützlich für die Physik ist dabei die Möglichkeit ein reales Experiment mit einer theoretischen Modellvorstellung oder Darstellungen zu überblenden. So lässt sich eine Verbindung zwischen Modell und Realität herstellen. Die App "PUMA : Spannungslabor" ermöglicht diese Verknüpfung bei einfachen Stromkreisen und steht Lehrkräften kostenfrei zur Verfügung. Sie wurde in Zusammenarbeit mit Physik-Lehrkräften entwickelt und im Rahmen einer Schülerlaborstudie auf ihre Wirksamkeit hin überprüft. Die empirischen Ergebnisse geben Hinweise für eine adressatengerechte Konzeption und Implementation von AR-Apps für den Schulunterricht. Durch eine Interventionsstudie in der Unterrichtspraxis wird der Aufwand und Nutzen des Einsatzes dieser Augmented Reality-Applikation untersucht.

Full text

Heinrich Söbke und Raphael Zender (Hrsg.): Wettbewerbsband AVRiL 2024 5
CC BY-NC 3.0 doi:10.18420/avril2024_01
Theorie trifft Realexperiment – Stromkreise verstehen mit
der AR-App „PUMA : Spannungslabor“
Christoph Stolzenberger
1
, Florian Frank, Thomas Trefzger
Abstract: Eine Technologie, die in der Lehre immer mehr Verbreitung findet, ist Augmented
Reality (AR). Nützlich für die Physik ist dabei die Möglichkeit ein reales Experiment mit einer
theoretischen Modellvorstellung oder Darstellungen zu überblenden. So lässt sich eine Verbindung
zwischen Modell und Realität herstellen. Die App „PUMA : Spannungslabor“ ermöglicht diese
Verknüpfung bei einfachen Stromkreisen und steht Lehrkräften kostenfrei zur Verfügung. Sie wurde
in Zusammenarbeit mit Physik-Lehrkräften entwickelt und im Rahmen einer Schülerlaborstudie auf
ihre Wirksamkeit hin überprüft. Die empirischen Ergebnisse geben Hinweise für eine
adressatengerechte Konzeption und Implementation von AR-Apps für den Schulunterricht. Durch
eine Interventionsstudie in der Unterrichtspraxis wird der Aufwand und Nutzen des Einsatzes dieser
Augmented Reality-Applikation untersucht.
Keywords: Elektrizitätslehre, Augmented Reality, Simulation, Messwerterfassung
1 Einleitung
Ungefähr zwei von drei Schüler*innen haben nach Beendigung des einführenden
Elektrizitätsunterrichts Schwierigkeiten, das Konzept der Stromstärke von dem der
Spannung zu unterscheiden [Iv21]. Mehr als jeder Zweite missversteht dabei die
Spannung als Eigenschaft des Stroms [Bu18]. Schwierigkeiten im Verständnis dieser
grundlegenden Größen sind dabei bis hin zu Studienanfänger*innen der Physik
nachweisbar [Fr18][Bu22]. Diese Befunde lassen vermuten, dass es der Schulunterricht
nicht vermag, den Lernenden ein korrektes Verständnis der Elektrizität zu vermitteln.
Ein klassischer Ansatz für die Veranschaulichung physikalischer Konzepte ist die
Verwendung sogenannter Modellvorstellungen. Häufig werden hier Analogien verwendet
und dabei Inhalte aus der Elektrizitätslehre auf bekannte Alltagsphänomene der
Schüler*innen bezogen. Präsentiert werden diese Modellvorstellungen meist in Form von
Informationsgrafiken, was die Schüler*innen vor die kognitiv anspruchsvolle Aufgabe
stellt, diese Darstellungen auf die im Unterricht kennengelernten Stromkreise zu
abstrahieren. Unser Forschungsprojekt hat sich daher das Ziel gesetzt, digitale Materialien
zu entwickeln, die die Schüler*innen hier entlasten und deren Lernprozess unterstützen.
In diesem Zuge wurde die Augmented Reality-Applikation und Simulation „PUMA :
Spannungslabor“ entwickelt.
1
Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik, Emil-Hilb-Weg 22, 97074
Würzburg, christoph.stolzenberger@uni-wuerzburg.de

6 Christoph Stolzenberger et al.
2 Funktionsumfang der Applikation „PUMA : Spannungslabor“
Die Applikation [St22] wurde explizit für den Elektrizitätslehre-Unterricht der
Sekundarstufe 1 konzipiert. Sie dient dort dazu, für einen Stromkreis passende
Visualisierungen physikalischer Modellvorstellungen darzustellen. Die Darstellungen
umfassen Repräsentationen der Leitungselektronen, Visualisierungen des elektrischen
Potentials (als Druck- und Farbdarstellung [Bu18] oder Höhendarstellung [Wi21]) und
Innenansichten zum elektrischen Widerstand. In diesen gewährt die App einen Blick auf
die Teilchenebene: sich im Fluss befindliche Leitungselektronen werden durch Stöße mit
den Atomen der Bauteile verlangsamt. Die App beinhaltet einen Augmented Reality-
Modus, der im Live-Kamera-Bild eines digitalen Endgeräts einen realen Stromkreis mit
digitalen Modellvorstellungen überlagert, und einen Simulationsmodus, in welchem ein
virtueller Stromkreis aufgebaut und mit den Modellvorstellungen angereichert werden
kann.
Nutzt man den kompletten Funktionsumfang, so kann die App den gesamten
Erkenntnisgewinnungsprozess in der Elektrizitätslehre begleiten – vom ersten einfachen
Stromkreis bis hin zu Reihen- und Parallelschaltungen und Kombinationen dieser.
Einsetzbar ist die App an unterschiedlichen Stellen im Unterrichtsgeschehen: Zur
visuellen Unterstützung eines von der Lehrkraft durchgeführten Demonstrations-
Experiments oder als Werkzeug kooperativen und forschenden Arbeitens im
Schüler*innen-Experiment.
2.1 AR-Modus
Für den Einsatz im Unterricht bietet sich die Nutzung der App im AR-Modus an. Für
diesen muss zunächst ein realer Stromkreis aufgebaut werden, dessen Einzelbauteile mit
QR-Code-ähnlichen Targets versehen sind. Mit deren Hilfe erkennt die App den
Versuchsaufbau und überblendet das angezeigte Live-Kamerabild mit virtuellen
Repräsentationen der Modellvorstellungen (vgl. Abb. 1). Die Nutzung der App auf diese
Weise erfordert neben einem digitalen Endgerät einen entsprechend präparierten
Experimentiersatz. Aktuell unterstützt die App die Benutzung des Experimentierkastens
Elektrik 1 der Firma MEKRUPHY
2
und der Experimentiermaterialien zur
Elektrizitätslehre der Firma LD Didactic
3
.
Zusätzlich zu diesen qualitativen Betrachtungen ermöglicht die Nutzung der kabellosen
Sensorbox phyphox:e von phyphox [Ki22] die Anzeige von am realen Stromkreis
erhobenen Messdaten. Im Zusammenspiel mit den bekannten Kennwerten für jedes
Bauteil werden aus den punktuell gemessenen Werten zusätzlich für jedes Bauteil die dort
2
https://mekruphy.com/de/produkte/physik/elektrik-elektronik/experimentiersatz-elektrik-1/
3
https://www.leybold-shop.de/physik/schuelerversuche-sek-i/elektrik/204404.html

Theorie trifft Realexperiment 7
abfallende Spannung und die Stromstärke berechnet und angezeigt. Die App kann so zur
schnellen quantitativen Untersuchung von komplexeren Schaltungen genutzt werden.
Abb. 1 & 2: AR-Modus mit Anzeige von Modellvorstellungen und Messwerten (links) und
Simulations-Modus mit virtuellen Messgeräten für Stromstärke- und Spannungsmessung (rechts)
2.2 Simulations-Modus
Der Einsatz des Simulations-Modus bietet sich für eine Vor- und Nachbereitung der im
Unterricht durchgeführten Experimente an. Da für diesen keine zusätzliche Hardware
außer dem digitalen Endgerät erforderlich ist, kann so jede*r Schüler*in zuhause im
eigenen Tempo die Erkenntnisgewinnung nachvollziehen. Um diesen Prozess der
Rückbeziehung des virtuellen Experiments auf das im Unterricht durchgeführte zu
erleichtern, wurde explizit darauf geachtet, dass die virtuellen Bauteile optisch den realen
Bauteilen entsprechen.
In der Simulation können die Lernenden einen eigenen, digitalen Stromkreis erstellen.
Dafür werden per Drag & Drop Bauteile auf das virtuelle Steckbrett aufgebracht und
miteinander verbunden. Alle für das Experimentieren im AR-Modus zur Verfügung
stehenden Bauteile und Visualisierungen der Modellvorstellungen sind auch in der
Simulation implementiert. Um die Nutzung realer Messgeräte zu üben, wurden für den
Simulations-Modus zusätzlich virtuelle Messgeräte implementiert (vgl. Abb. 2).
3 Evaluation der Lernförderlichkeit der Applikation
3.1 Ergebnisse einer Schülerlaborstudie zum Einsatz der Applikation
Im Forschungsprojekt wurde neben der Entwicklung von Unterstützungsmaterialien für
den Praxiseinsatz auch die Evaluation derselben auf ihre Lernförderlichkeit hin vollzogen.
Hierfür wurde das Schülerlabor „Elektrische Stromkreise“ entwickelt. Innerhalb von vier

8 Christoph Stolzenberger et al.
ungefähr 45-minütigen Stationen erarbeiten teilnehmende Schüler*innen in Kleingruppen
zentrale Inhalte der Elektrizitätslehre. Zielgruppe des Labors waren für die Evaluation
Schüler*innen der 8. Klassen bayerischer Gymnasien. Einer erfolgreichen Pilotierung des
Labors im Sommer 2022 folgten 20 weitere Durchführungen zwischen Dezember 2022
und Februar 2024. Insgesamt wurde das Schülerlabor in diesem Zeitraum von 441
Schüler*innen durchgeführt.
Im Schülerlabor wurden die teilnehmenden Schulklassen in Gruppen eingeteilt. Alle
Gruppen bearbeiteten dieselben Aufgabenstellungen mit denselben Experimentier-
materialien und Anleitungen, wurden dabei aber auf unterschiedliche Weise im
Lernprozess unterstützt (die Modellvorstellungen wurden entweder als Infografiken, in
der Simulation oder in der AR-App dargeboten) und haben auf unterschiedliche Weise
Messwerte aufgenommen (entweder mittels herkömmlicher Multimeter oder mittels der
AR-App). Das Forschungsinteresse bestand darin, herauszufinden, wie sich der Einsatz
digitaler Medien für die Vermittlung der Elektrizität auf das Lernen und das Verstehen
auswirkt. Die untersuchten Konstrukte umfassten die Entwicklung des Konzeptwissens
zur Elektrizität (gemessen mittels eines zweistufigen Fragebogens vor und nach dem
Schülerlabor), der kognitiven Belastung beim Bearbeiten der Aufgaben (gemessen mittels
einer Kurzskala nach jeder Station) und der Bearbeitungszeit der Stationen (erfasst durch
die Betreuer*innen des Schülerlabors). Zusätzlich wurden als mögliche Einflussfaktoren
auch der schulische Leistungsstand, die Technikaffinität und die Fähigkeit zur
Veranschaulichung der Schüler*innen erhoben.
Auswertungen einer Teilstichprobe (N = 196) ergaben keinen signifikanten Einfluss der
Nutzung digitaler Medien in der Modelldarstellung oder Messwerterfassung auf die
Entwicklung des Konzeptwissens, aber eine signifikante Zeitersparnis für die Bearbeitung
durch den Einsatz der AR-Messwerterfassung im Gegensatz zu herkömmlichen
Multimetern [FrD1]. Die vorläufige Auswertung zur kognitiven Belastung während des
Lernprozesses ergab eine Reduktion der extrinsischen (durch nicht dem Lernvorgang
zuträgliche Prozesse verursachten) kognitiven Last durch den Einsatz der AR-App zur
Darstellung der Modelle [FrD2].
3.2 Ausblick auf eine Interventionsstudie
Aufbauend aus den Erfahrungen und Ergebnissen der Schülerlaborstudie soll in einer
Anschlussstudie nun die Integration der App in den Schulunterricht empirisch untersucht
werden. Ausgangspunkt der Interventionsstudie ist der bayerische Lehrplan für die 8.
Klassen in Physik. Dieser sieht im Rahmen von 14 Unterrichtsstunden die Vermittlung
der grundlegenden elektrischen Grundgrößen und Grundschaltungen vor. Auf dieser Basis
entstanden Unterrichtsentwürfe, welche sich inhaltlich gleichen, sich aber in der Nutzung
von visualisierenden Elementen unterscheiden. Während Lehrkräfte der Kontrollgruppe
den E-Lehre-Unterricht ohne diese Entwürfe unterrichten, werden die Lehrkräfte der
Interventionsgruppen angewiesen, die Unterrichtsreihe zu nutzen. In der
Interventionsgruppe KLASSISCH sollen an bestimmten Stellen verschiedene frei

Theorie trifft Realexperiment 9
verfügbare Modelle (z.B. Murmelbahnen) oder Simulationen (z.B. das Gleichstromlabor
phet
4
) eingesetzt werden. Die Lehrkräfte der Interventionsklassen PUMA verwenden an
diesen Stellen die verschiedenen Funktionalitäten der App „PUMA : Spannungslabor“.
Die Studie wird wichtige Erkenntnisse darüber generieren, wie sich der durchgehende
Einsatz der Applikation auf die Unterrichtsgestaltung und die Schüler*innen auswirkt.
4 Zusammenfassung und Nutzung der Applikation in der Lehre
Im Forschungsprojekt zum Einsatz digitaler Medien zur Vermittlung der Elektrizität
wurde erfolgreich die Augmented Reality-Applikation und Simulation „PUMA :
Spannungslabor“ entwickelt. Zielsetzung des Projekts war es von Anfang an, sowohl zur
wissenschaftlichen Erkenntnislage im Bereich des Einsatzes neuer digitaler Medien in der
Lehre beizutragen als auch eine praxistaugliche Applikation zu entwickeln, die Lehrkräfte
einfach und gerne im Unterricht einsetzen möchten. Speziell zur Gewährleistung der
Praxistauglichkeit wurde begleitend zum Entwicklungsprozess enge Rücksprache mit
Lehrkräften der Physik gehalten. Dies geschah in Form von Interviews und
Unterrichtseinsätzen der Applikation. Die Rückmeldungen aus den Unterrichtseinsätzen
und die Befunde der Schülerlaborforschung ermutigen dazu, die Applikation
„PUMA : Spannungslabor“ als grundlegenden Baustein der Vermittlung der
Elektrizitätslehre einzusetzen.
Auch bei Nutzung der App liegt der Fokus der Vermittlung im Unterricht weiterhin auf
realen Experimenten. Diese werden durch die Nutzung von Augmented Reality jedoch
zielgenau um virtuelle Inhalte erweitert. Für die Vor- und Nachbereitung der Experimente
außerhalb des Unterrichts kann zusätzlich ein Simulationsmodus genutzt werden, der
außer dem digitalen Endgerät keine weiteren Materialien zur Nutzung benötigt. Eine
Version der Simulation ist zudem auch ohne Installation webbasiert unter
www.physik.app/spannngslabor verfügbar.
Um die Nutzung der Applikation in der Unterrichtspraxis so einfach wie möglich zu
gestalten, wurden zusätzlich Begleit- und Unterstützungsmaterialien für den Einsatz
erstellt. Dazu zählen unter anderem Tutorials in der Applikation, Erklärvideos,
Arbeitsblätter und andere Handreichungen für Lehrkräfte. Die Applikation ist im Apple
AppStore und Google PlayStore kostenfrei verfügbar, die Begleitmaterialien können auf
der Website des Projekts unter go.uniwue.de/puma-s heruntergeladen werden.
Durch das Zusammen-SEHEN von Theorie und Realexperiment mit der App „PUMA :
Spannungslabor“ kann so ein Zusammen-DENKEN von Theorie und Realexperiment
gefördert werden, was schlussendlich zu einem besseren Verständnis von Stromkreisen
beitragen kann.
4
https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab/latest/circuit-construction-kit-dc-
virtual-lab_de.html (besucht am 22. Mai 2024)

10 Christoph Stolzenberger et al.
Danksagung
Die Julius-Maximilians-Universität Würzburg und das Projekt „Connected Teacher
Education“ wurde im Rahmen der gemeinsamen „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“ von
Bund und Ländern aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
Literaturverzeichnis
[Bu18] Burde, J.-P.: Konzeption und Evaluation eines Unterrichtskonzepts zu einfachen
Stromkreisen auf Basis des Elektronengasmodells. Logos-Verlag, Berlin, 2018.
[Bu22] Burde, J.-P.; Ivanjek, L.; Wilhelm, T.; Schubatzky, T.; Haagen-Schützenhöfer, C.;
Dopatka, L.; Spatz, V.; Hopf, M.: Schülervorstellungen in Schule und Studium – ein
Vergleich. In (Habig, S. & van Vorst, H., Hrsg.): Unsicherheit als Element von
naturwissenschaftsbezogenen Bildungsprozessen – Beiträge zur Jahrestagung der
GDCP, S. 372-375, 2022.
[FrD1] Frank, F.; Stolzenberger, C.; Trefzger, T.: Über Elektrizität lernen mit AR-Applikation
und Simulation. In (Füting-Lippert, A., Eisenmann, M., Grafe, S., Siller, H.-S., &
Trefzger, T., Hrsg.): Digitale Medien in Lehr-Lern-Konzepten der Lehrpersonenbildung
in interdisziplinärer Perspektive. Springer VS, im Druck.
[FrD2] Frank, F.; Stolzenberger, C.; Elsholz, M.; Trefzger, T.: Using Augmented Reality And
Simulations To Support Learning Of Fundamental Electrical Concepts. In: Connecting
Science Education with Cultural Heritage (Proceedings of ESERA 2023), im Druck.
[Fr18] Fromme, B.: Fehlvorstellungen von Studienanfängern – Was bleibt vom
Physikunterricht der Sekundarstufe I. In (Nordmeier, V. & Grötzebauch, H., Hrsg.):
PhyDidB – Didaktik der Physik – Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung Würzburg, S. 205-
215, 2018.
[Iv21] Ivanjek, L.; Morris, L.; Schubatzky, T.; Hopf, M.; Burde, J.-P.; Haagen-Schützenhofer,
C.; Dopatka, L.; Spatz, V.; Wilhelm, T.: Development of a two-tier instrument on simple
electric circuits. Physical Review Physics Education Research 17, 020123, 2021.
[Ki22] Kirwald, D.; Dorsel, D.; Staacks, S.; Noritzsch, J.; Stampfer, C.; Heinke, H.: phyphox:
Neue und verbesserte Experimente mit Hilfe externer Sensoren. Poster, GDCP-
Jahrestagung, Aachen, 2022.
[SFT22] Stolzenberger, C.; Frank, F.; Trefzger, T.: Experiments for students with built-in theory:
'PUMA: Spannungslabor' – an augmented reality app for studying electricity. Phys.
Educ. 57, 045024, 2022.
[WSH21] Wilhelm, T.; Schecker, H.; Hopf, M. (Hrsg.): Unterrichtskonzeptionen für den
Physikunterricht. S. 261 – 268, Springer-Verlag, Berlin, 2021.