Entwicklung der Nutzbarkeit externer Sensoren bei Smartphone-Experimenten und deren Einsatz in naturwissenschaftlichen Experimenten

  • Development of the usability of external sensors in smartphone experiments and their use in science experiments

Dorsel, Dominik; Heinke, Heidrun (Thesis advisor); Stampfer, Christoph (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Smartphones gehören zu unserem Alltag und werden inzwischen auch als digitale Messwerterfassungssysteme in der Lehre eingesetzt. Ermöglicht wird das durch im Smartphone verbaute Sensoren, welche eigentlich die Handhabung für Nutzer:innen vereinfachen sowie neue Features bereitstellen sollen. Dazu gehört beispielsweise die automatische Anpassung der Displayhelligkeit, welche über einen Beleuchtungsstärkesensor ermöglicht wird. Über die eigens für den Einsatz in der Lehre entwickelte App phyphox können nahezu alle im Smartphone verbauten Sensoren ausgelesen werden. Darüber hinaus können die erfassten Messwerte direkt auf dem Smartphone visualisiert und interpretiert werden. Weiterhin können die erhobenen Daten durch die im Smartphone vorhandene Rechenleistung weiter verarbeitet werden. Bedingt durch die im Smartphone verbauten Sensortypen sind die Experimentiermöglichkeiten je nach Themengebiet eingeschränkt. Während im Bereich der Mechanik zahlreiche Experimente durchgeführt werden können, fehlen zum Beispiel Sensoren zur Spannungs- oder Temperaturmessung, um Experimente in der Elektrizitäts- oder Wärmelehre durchführen zu können. phyphox löst dieses Problem mit der Einbindung externer Sensoren über die Bluetooth-Schnittstelle. Das Spektrum der verfügbaren externen Sensoren reicht von kommerziellen Sensorboxen bis hin zu Eigenentwicklungen auf Basis eines Mikrocontrollers. Für einen möglichst niederschwelligen Einstieg wurden im Rahmen dieser Arbeit einerseits Ready-To-Use Sensorboxen gezielt für den Einsatz in der Lehre entwickelt. Zum anderen wurde ein Bausatz für einen CO2-Monitor entworfen, welcher auch von Schüler:innen ohne Löt- und Programmiererfahrung aufgebaut und in Betrieb genommen werden kann. Eigenentwicklungen sind eine preislich attraktive Lösung und bieten die größte Freiheit bei der Wahl der Sensoren oder der Geometrie des Sensormoduls. Für die Entwicklung eigener Sensormodule müssen jedoch einige Hürden wie die Programmierung oder der Aufbau einer geeigneten elektrischen Schaltung gemeistert werden. Um Entwickler:innen den Aufbau eigener Module zu erleichtern, wurden unterschiedliche Unterstützungsmöglichkeiten entwickelt. Dazu zählt zum einen eine Arduino-Bibliothek, welche die Inbetriebnahme eines Bluetooth-Servers weitestgehend automatisiert. Zusätzlich wurde ein Workshop entwickelt, in dem Teilnehmer:innen lernen, mithilfe der genannten Bibliothek ein eigenes Sensormodul aufzubauen. Mithilfe der entwickelten Sensorboxen sind zusätzlich zahlreiche Experimentierbeispiele entstanden, welche die Vorteile externer Sensoren demonstrieren und in dieser Arbeit vorgestellt werden. Die entwickelten Experimente zeigen, dass externe Sensoren neue Experimentiermöglichkeiten innerhalb der Physiklehre ermöglichen und Smartphone-Experimente auch in anderen MINT-Fächern realisiert werden können.

Einrichtungen

  • Fachgruppe Physik [130000]
  • Lehrstuhl für Experimentalphysik I A und I. Physikalisches Institut [131110]

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