Poster zu AR-Experimenten mit GeoGebra von der DPG-Frühjahrstagung 2021 unten als PDF heruntergeladen.

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

Fragen und Antworten

1. Was sind AR-Experimente?

Als AR-Experimente werden leicht umsetzbare Erweiterungen realer Experimente mit idealen Darstellungen 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.

2. 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]. 

3. Was erwartet man von AR-Experimenten?

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

4. Welche Konzepte werden visualisiert?

In der Mechanik können Massenpunkte, 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 für verschiedene Themen

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

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 unterstützten Gerät installieren.
  • Smartphone-Button (📱) unter einem der Modelle verwenden, um es mit der App zu öffnen.* 
  • Laptop-Button (💻) öffnet das Modell stattdessen im Browser. Dort befinden sich ggf. Zusatzmaterialien.
  • Mit den Schiebereglern in der App gewünschte 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 GeoGebra 3D Rechner öffnen" wählen.

Ältere Modelle und Videos können im Archiv gefunden werden.

AR-Experimente zur Optik [in Arbeit]

Lichtausbreitung

Streuung

Kern- und Halbschatten

Lochkamera

Reflexionsgesetz

Spiegelbild

Brechungsgesetz

Optische Verschiebung

Brechung an gekrümmten Flächen

Optische Abbildung

AR-Experimente im Optik-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.

Publikationen zu Augmented Reality

Physics Education

How augmented reality enhances typical classroom experiments: Examples from mechanics, electricity and optics

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In this paper, we will show how physical structures in typical experiments can be simply augmented by virtual objects in physics classes. This is achieved by modelling objects with the GeoGebra software and overlaying visualisations of non-tangible, physical properties such as force arrows, colour-coded potential and light rays.

Teichrew, A., & Erb, R. (2020). How augmented reality enhances typical classroom experiments: Examples from mechanics, electricity and optics. Physics Education, 55(6), 065029.

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. (2020). 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. (2020). 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.

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]

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.

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. (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.