AR-Experiment zum Potential

Augmented Reality

Mit dem GeoGebra 3D Grafikrechner lassen sich Visualisierungen abstrakter Strukturen modellieren und mithilfe der App auf einem Smartphone oder Tablet als virtuelle Objekte in den realen Raum platzieren.

AR-Experiment mit Smartphone

Augmented Reality-Experimente

Als Augmented Reality-Experimente wird die Erweiterung klassischer Experimente (realer Objekte im realen Raum) mit idealisierten Modelldarstellungen (virtuellen Inhalten) bezeichnet, die sich an die realen Gegebenheiten anpassen lassen. [1]

Verwendete App: 

Voraussetzungen: 


Anleitung:

  • GeoGebra 3D App auf einem unterstützten Gerät installieren.
  • Den Button - in der App öffnen - verwenden.
  • Mit den Schiebereglern gewünschte Einstellungen vornehmen.
  • AR-Modus starten und den Anweisungen folgen, um das Modell auf eine passende Oberfläche einzublenden.
  • Mit einem Finger einzelne Punkte im Modell bewegen.
  • Mit zwei Fingern das Modell verschieben bzw. größer oder kleiner machen (Pinch-to-Zoom).

AR-Experimente zur Optik 

AR-Experiment zu Lichtquellen und Blenden

Lichtquellen und Blenden

Entstehung des Spiegelbildes mit AR

Entstehung des Spiegelbildes

Lage der Spiegelpunktes mit AR

Lage des Spiegelpunktes [2]

AR-Experiment zum Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe

Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe [1]

Schattenbild eines Zylinders mit AR

Schattenfläche eines Zylinders

Schattenraum einer Kugel mit AR

Schattenraum einer Kugel

Brechung an der Mittelebene mit AR

Brechung an der Mittelebene

AR-Experimente zur E-Lehre

Elektrostatisches Potential zweier Ladungen mit AR

Elektrostatisches Potential zweier Ladungen [3]

Vektorfeld der elektrischen Feldstärke zweier Ladungen mit AR

Vektorfeld der elektrischen Feldstärke zweier Ladungen [3]

Spannungsabfall entlang eines stromdurchflossenen Leiters mit AR

Spannungsabfall entlang eines stromdurchflossenen Leiters

Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters mit AR

Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

Durchführung von AR-Experimenten im Video

Nach dem Wechsel vom 3D- in den AR-Modus, wird das Mobilgerät langsam bewegt, um die Tischfläche zu erkennen. Mit zwei Fingern wird eine konstruierte Spiegelebene am realen Spiegel ausgerichtet. Mit einem Finger wird der Punkt O auf die Münze vor dem Spiegel verschoben. Das Spiegelbild der Münze befindet sich an der Stelle, an der sich auch der modellierte Spiegelpunkt befindet.

Eine konstruierte Halbkreisscheibe wird über die reale geschoben und an ihr ausgerichtet. Mit Schiebereglern werden Einfallswinkel und Eintrittsstelle im Modell an die realen Gegebenheiten angepasst. Der virtuelle Lichtweg stimmt mit dem realen überein, wenn ein Brechungsindex von 1,49 eingestellt wird. Das entspricht ungefähr dem Literaturwert des verwendeten optischen Mediums.

Im Modell werden Lichtwege zu einem Empfänger für vier Lichtquellen gezeichnet. Zwischen den Lichtquellen und dem Empfänger befindet sich eine Blende. Hinter der Blende sind im Realexperiment, Schatten verschiedener Helligkeit zu beobachten. Das Verschieben des Empfängers von einem Schattenbereich in den anderen demonstriert, dass die Helligkeitsunterschiede mit der Anzahl der Lichtquellen zusammenhängt, deren Licht geradlinig zum Empfänger gelangen kann.

In einem Stromkreis wird das elektrische Potential entlang eines stromdurchflossenen Leiters mit einem Farbverlauf dargestellt. Das Potential an einem Ende des Leiters ist negativ (blau), an dem anderen positiv (rot) und in der Mitte null (weiß). Die abgegriffene Spannung wird als Potentialunterschied zwischen zwei Punkten des Leiters angezeigt und im Experiment überprüft. Die Ausgangsspannung muss allerdings höher eingestellt werden, da die Zuleitungen bereits einen merklichen Widerstand haben.

Publikationen zu Augmented Reality

DPG-Frühjahrstagung 2020 in Bonn

Augmented Reality-Experimente mit GeoGebra

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AR-Experiment zur schiefen Ebene

Erweiterungen realer Experimente mit idealen Darstellungen werden als Augmented Reality-Experimente bezeichnet. Dabei erweitern virtuelle Bestandteile reale Strukturen dort, wo nicht beobachtbare Elemente zum Verständnis des Experiments beitragen und den Vergleich von Modell und Realität erleichtern. Der Einsatz von Augmented Reality-Experimenten zum Lehren und Lernen der Physik wird anhand von Beispielen aus Mechanik, Elektrizitätslehre und Optik erläutert.

Teichrew, A., & Erb, R. (in Druck). Augmented Reality-Experimente mit GeoGebra. PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung.

DPG-Frühjahrstagung 2020 in Bonn

Digitale Kompetenz beim Modellieren und Experimentieren im Physikunterricht

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Hände und Tablett

Da Lehrkräfte ihre eigenen digitalen Kompetenzen häufig als unzureichend einschätzen, wird im Rahmen des Projektes „diMEx“ ein Aus- bzw. Fortbildungskonzept für (angehende) Lehrkräfte entwickelt, in welchem die Nutzung von AR im experimentierbasierten Physikunterricht vermittelt werden soll.

Freese, M., Winkelmann, J., Teichrew, A., & Ullrich, M. (in Druck). Digitale Kompetenz beim Modellieren und Experimentieren im Physikunterricht. PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung.

Naturwissenschaften im Unterricht Physik

Geometrische Optik mit GeoGebra

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AR-Experiment zum Spiegelbild

Mit der Geometriesoftware GeoGebra lassen sich die wesentlichen Inhalte der geometrischen Optik abdecken: Reflexions- und Brechungsgesetz, Brechung beim Ein- und Austritt sowie die Konstruktion von optischen Abbildungen. Außerdem wird ein Weg aufgezeigt, wie die Eigenschaften von Modellen in mit Augmented Reality angereicherten Experimenten diskutiert werden können.

Erb, R., & Teichrew, A. (2020). Geometrische Optik mit GeoGebra. NiU Physik, 31(175), 24–28.

GDCP-Jahrestagung 2019 in Wien

Einsatz und Evaluation eines Augmented Reality-Experiments zur Optik

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AR-Experiment zum Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe

In AR-Experimenten erweitern virtuelle Inhalte realen Strukturen dort, wo nicht beobachtbare Elemente zum Verständnis des Experiments beitragen und den Vergleich von Modell und Realität erleichtern. Im Rahmen einer explorativen Studie wurde mithilfe von Bildschirmvideos untersucht, wie das Lernen mit AR-Experimenten verläuft.

Teichrew, A., & Erb, R. (2020). Einsatz und Evaluation eines Augmented Reality-Experiments zur Optik. In S. Habig (Hrsg.), Naturwissenschaftliche Kompetenzen in der Gesellschaft von morgen. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Wien 2019.

Physik in unserer Zeit

Elektrostatische Potentiale und Felder im GeoGebra 3D Grafikrechner

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AR-Experiment zum elektrischen Feld

Die mathematische Darstellung einer räumlichen Verteilung physikalischer Größen ist für viele Anwendungen unerlässlich. Mithilfe der App GeoGebra 3D Grafikrechner lassen sich Visualisierungen dieser abstrakten Strukturen modellieren und in Augmented Reality betrachten.

Teichrew, A., Erb, R., Wilhelm, T., & Kuhn, J. (2019). Elektrostatische Potentiale und Felder im GeoGebra 3D Grafikrechner. Physik in unserer Zeit, 50(5), 254–255.

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Video-Tutorial 2

Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Öffnen einer erstellten GeoGebra Aktivität mit dem 3D Grafikrechner und zur Durchführung von AR-Experimenten im AR-Modus

Phasen und Aktivitäten während eines AR-Experiments mit GeoGebra am Beispiel zum Lichtweg durch einen Halbkreiskörper [1]

Modell zum Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe

1. Arbeit mit dem Modell

Hypothesen formulieren: Der virtuelle Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe hängt von dem Einfallswinkel, der Eintrittsstelle und der Brechungsindizes der verwendeten optischen Medien ab.

Experiment zum Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe

2. Durchführung des Experiments

Am Modell orientieren: Eine reale Halbkreisscheibe mit Brechungsindex größer 1 wird von einem Baulaser durchleuchtet. Eintrittsstelle und Eintrittswinkel werden systematisch variiert. 

Erweiterung des Experiments zum Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe

3. Erweiterung des Experiments

Modell einblenden: Die Oberfläche, auf der sich die Halbkreisscheibe und die Leuchtspur des Baulasers befinden, wird im AR Modus des GeoGebra 3D Grafikrechners erkannt.

Überlagerung des Experiments zum Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe

4. Überlagerung des Experiments

Modell ausrichten: Die virtuelle Halbkreisscheibe wird auf die reale geschoben und an ihr ausgerichtet. Mit Schiebereglern werden Einfallswinkel und Eintrittsstelle im Modell an die realen Gegebenheiten angepasst.

Vergleich des Modells und des Experiments zum Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe

5. Vergleich der Ergebnisse

Modell überprüfen: Der virtuelle Lichtweg stimmt für verschiedene Einfallswinkel und Eintrittsstellen mit dem realen überein, wenn ein Brechungsindex von 1,5 eingestellt wird. Das entspricht ungefähr dem Literaturwert des verwendeten optischen.

Reflexion des Modells zum Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe

6. Reflexion des Modells

Grenzen erkennen: Das Modell enthält nur den gebrochenen Lichtweg. Zu den in der Realität beobachtbaren Phänomenen Reflexion und Totalreflexion können keine Aussagen gemacht werden.

Literatur

  1. Teichrew, A., & Erb, R. (in Druck). Einsatz und Evaluation eines Augmented Reality-Experiments zur Optik. In S. Habig (Hrsg.), Naturwissenschaftliche Kompetenzen in der Gesellschaft von morgen. Universität Regensburg: Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Wien 2019.
  2. Erb, R., & Teichrew, A. (2020). Geometrische Optik mit GeoGebra. NiU Physik, 31(175), 24–28.
  3. Teichrew, A., Erb, R., Wilhelm, T., & Kuhn, J. (2019). Elektrostatische Potentiale und Felder im GeoGebra 3D Grafikrechner. Physik in unserer Zeit, 50(5), 254–255.