🆕 Spiegelbild mit AR als Versuch bei LEIFIphysik erschienen! 🤩

Augmented Reality

Augmented Reality (AR) bedeutet, die Sicht auf eine reale Umgebung mit virtuellen Objekten zu erweitern. In AR-Experimenten werden reale Experimente durch virtuelle Objekte erweitert, die zum Verständnis des Experiments beitragen.

AR-Experiment zum Potential

Fortbildung

Am Institut für Didaktik der Physik der Goethe-Universität Frankfurt wird von September 2021 bis März 2022 eine Fortbildungsreihe zu AR-Experimenten im Physikunterricht mit Vorträgen, Beispielen und praktischen Übungen angeboten.

AR-Experimente

Was sind AR-Experimente?

Als AR-Experimente werden leicht umsetzbare Erweiterungen realer Experimente mit dynamischen Modellen bezeichnet, wobei virtuelle Bestandteile reale Strukturen dort erweitern, wo nicht beobachtbare Elemente zum Verständnis des Experiments beitragen und den Vergleich von Modell und Realität erleichtern.

Wie lassen sich AR-Experimente umsetzen?

Mit der AR Funktion der App GeoGebra 3D Rechner werden dynamische Modelle auf beliebige Strukturen eingeblendet. Bei Veränderung der Position des Mobilgeräts bleiben die virtuellen Objekte fest an der zugewiesenen Stelle des von der Kamera eingefangenen Bildes. Der Modellinhalt lässt sich allerdings dynamisch an reale Gegebenheiten anpassen [1]. 

Was erwartet man von AR-Experimenten?

Während der DurchfĂĽhrung eines AR-Experiments, werden bei den Lernenden mentale Modelle (Bilder im Kopf) etabliert in denen reale Situationen bzw. reale Experimente mit Visualisierungen physikalischer Konzepte verknĂĽpft sind. Der direkte Vergleich von Modell und Realität soll zudem den Aufbau eines besseren Modellverständnisses ermöglichen. 

Welche Konzepte werden visualisiert?

In der Mechanik können Massepunkte, Geschwindigkeitspfeile und Kräfte visualisiert werden. In den Themen Elektrizität und Magnetismus sind es Potentiale und Felder. In der Optik können Lichtwege und Wellen modelliert werden [2]. Diese Aufzählung ist unvollständig und soll mit weiteren Visualisierungen ergänzt werden.

AR-Experiment an der schiefen Ebene

Beispiele fĂĽr verschiedene Themen

Wir haben ein GeoGebra-Buch mit einer Anleitung und drei Beispielen fĂĽr AR-Experimente aus der Mechanik, E-Lehre und Optik zusammengestellt (Englisch) [2].

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EinfĂĽhrung in AR mit GeoGebra

Lehrende und Lernende können das digitale Werkzeug AR zunächst anhand eines alltagsnahen Beispiels Visualisierung von Abständen kennenlernen. Passend dazu wurde ein Video-Tutorial zum Einsatz der AR Funktion in der GeoGebra 3D Rechner App mit Untertiteln erstellt.

FAQ zur AR Funktion

Ich finde das Modell nicht mehr.

Created with Sketch.
  • Wechseln Sie einmal in die 3D Ansicht und wieder zurĂĽck in den AR Modus, um die Flächenerkennung neuzustarten.

Das Modell zittert, springt zur Seite oder ist eingefroren.

Created with Sketch.
  • Betrachten Sie wieder den Bereich, der am Anfang fĂĽr die Flächenerkennung im Bild war. 
  • Wechseln Sie ansonsten einmal in die 3D Ansicht und wieder zurĂĽck in den AR Modus, um die Flächenerkennung neuzustarten. 
  • Sorgen Sie fĂĽr bessere Lichtverhältnisse und platzieren mehr markante Objekte in den Bereich, wo das Modell erscheinen soll.

Die Linien sind zu dĂĽnn oder zu dick.

Created with Sketch.
  • Ă–ffnen Sie im AR Modus ĂĽber das Zahnradsymbol oben rechts die Einstellungen. Tippen Sie dort auf Stärke.
  • Je näher Sie mit dem Gerät an das Modell heran gehen, desto dĂĽnner werden die Linien dadurch gemacht. Gehen Sie weiter weg, werden die Linien nach dem Betätigen von Stärke dicker.

Das Modell bleibt nicht an der richtigen Stelle, wenn ich mich bewege.

Created with Sketch.
  • Vergewissern Sie sich zunächst, dass das Modell nicht in der Luft schwebt (siehe unten).
  • Vergewissern Sie sich dich danach, ob es sich tatsächlich an der richtigen Stelle befindet und nicht zu nah oder zu weit weg ist. Betrachten Sie das Modell dafĂĽr von verschiedenen Seiten und verschieben Sie es schrittweise nur nach links oder rechts.

Das Modell scheint in der Luft zu schweben. 

Created with Sketch.
  • Vergewissern Sie sich zunächst, ob das Modell tatsächlich in der Luft schwebt, indem Sie die Fläche flach von der Seite betrachten.
  • Sorgen Sie dafĂĽr, dass keine Objekte unterhalb der xy-Ebene liegen (ggf. mit Schiebereglern nach oben bewegen).
  • Wechseln Sie einmal in die 3D Ansicht und wieder zurĂĽck in den AR Modus, um die Flächenerkennung neuzustarten.
  • Richten Sie die Kamera dabei zuerst auf die Fläche, auf der das Modell stehen soll (z.B der Boden), und nicht auf andere Flächen in der Nähe (z.B. StĂĽhle oder Tische).

Augmented Reality im Video

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Eine Reihe von AR-Experimenten zur Optik können in Form von kurzen Demonstrationsvideos kennengelernt werden. Die in den Videos verwendeten Modelle wurden in einem GeoGebra-Buch zusammengefasst.

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In diesem Video werden AR-Experimente zur Wellenphysik vorgestellt. Die Modelle und Experimente orientieren sich an den Entwicklungen im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit von Marlon Grasse.

Augmented Reality mit dem Smartphone

AR-Experiment mit Smartphone

Voraussetzungen: 

Anleitung:

  • GeoGebra 3D Rechner App auf einem unterstĂĽtzten Gerät installieren.
  • Smartphone-Button (📱) unter einem der Modelle verwenden, um es mit der App zu öffnen.* 
  • Laptop-Button (đź’») öffnet das Modell stattdessen im Browser. Dort befinden sich ggf. Arbeitsblätter als PDF.
  • Mit den Schiebereglern in der App gewĂĽnschte Einstellungen vornehmen.
  • AR-Modus starten und den Anweisungen folgen, um das Modell auf eine passende Oberfläche einzublenden.
  • Mit zwei Fingern das Modell verschieben bzw. größer oder kleiner machen (Pinch-to-Zoom Geste).
  • Mit einem Finger einzelne Punkte im Modell bewegen.


*Auf Apple-Geräten den Button gedrückt halten und im Dialogfenster Im "3D Rechner" öffnen wählen. Auf Android-Geräten wird der Chrome-Browser empfohlen.

Ă„ltere Modelle und Videos können im ARCHIV gefunden werden.

AR-Experimente zur Optik [in Arbeit]

Lichtausbreitung

Kern- und Halbschatten

Abbildung mit einer Lochblende

Reflexionsgesetz

Brechungsgesetz

Optische Verschiebung

Brechung an gekrümmten Flächen

Abbildung mit einer Linse

Modell zur Entstehung des Regenbogens in AR

Spiegelbild mit AR fĂĽr LEIFIphysik

Das AR-Experiment zur Sichtbarkeit des Spiegelbildes kann als Versuch zum Thema Lichtreflexion bei LEIFIphysik gefunden werden.

AR-Experimente auf dem Spielplatz

Im Rahmen der wissenschaftlichen Hausarbeit von Jelka Weber wurden an unterschiedlichen Spielplatzgeräten Phänomene identifiziert, die sich für den Einsatz eines AR-Experiments eignen, und entsprechende Lerneinheiten zur Durchführung auf dem Spielplatz entwickelt.

AR-Experimente im Unterricht

Im November 2020 hat die Klasse 7a des Adorno-Gymnasiums in Frankfurt die physikalischen Vorgänge beim Spiegelbild und bei der Lichtbrechung mithilfe von AR-Experimenten untersucht.

Poster zu Augmented Reality

Akzeptanzbefragung zu Augmented Reality-Experimenten auf dem Spielplatz

Augmented Reality-Experimente zur Wellenphysik

Phasen und Aktivitäten während eines AR-Experiments [1]

AR-Experimente sind im Kreislauf der Erkenntnisgewinnung nach dem Modell (vollständig virtuell) und Experiment (vollständig real) als Lernaktivitäten zur Verknüpfung beider Ebenen (real und virtuell) verortet.

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. DurchfĂĽhrung 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.

Ăśberlagerung des Experiments zum Lichtweg durch eine Halbkreisscheibe

4. Ăśberlagerung 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 der verwendeten Halbkreisscheibe.

6. Reflexion des Modells

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

Literatur

  1. 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. Universität Regensburg: Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Wien 2019.
  2. Teichrew, A., & Erb, R. (2020). How augmented reality enhances typical classroom experiments: Examples from mechanics, electricity and optics. Physics Education, 55(6), 065029.