Digitale Videoanalyse.

"Nun kann man Dinge messen, die bisher nicht meßbar waren."

 Beispiele: Digitale Videoanalyse im Unterricht

Die Physik im Physiksaal hat immer etwas künstliches. Die vorgeführten Bewegungsabläufe sind immer didaktisch reduziert und aufbereitet - und damit oft weit von der "realen" Welt außerhalb des Physiksaals und der Erfahrungswelt der Schüler entfernt.
Welche Bewegung macht z.B. eine Hand beim Fangen einer Fliege? Wie bewegt sich ein Skateboardfahrer beim Sprung über ein Hindernis?

(1) Messprinzip:

Ein Bewegungsablauf wird mit einer digitalen Videokamera aufgenommen und z.B. als .avi-Datei gespeichert. Am Computer kann man diese Bewegung später mit Hilfe eines geeigneten Programms (s.u.) auswerten.
Dazu wird zunächst eine "Kalibrierstrecke" (z.B. Länge eines Meterstabes) erfasst. Wenn man anschließend die Bewegung Bild für Bild bearbeitet, können so vom Auswertprogramm die realen Ortskoordinaten eines Objekts aus den Bildkoordinaten ermittelt werden. Da die Zahl der Bilder je Sekunde, welche die Kamera aufnimmt, ebenfalls bekannt ist, ist eine Zuordnung dieser Ortskoordinaten zu genau definierten Zeitpunkten möglich. Man kann damit die s(t), v(t) und a(t) Diagramme der Bewegung erhalten. Diese erstellen die Auswertprogramme teilweise selbst, man kann aber auch die Daten meist in eine Tabellenkalkulation (meist EXCEL) exportieren und dort weiter auswerten.

Die Grundidee erinnert damit an die aus Schulbüchern bekannten Stroboskopbilder von Bewegungen.

(2) Einsatz :

(3) Kosten :

Schon eine einfache Webcam ist für Videoaufnahmen prinzipiell geeignet. Je mehr Aufnahmen / s eine Kamera machen kann, desto besser ist sie geeignet.

Eine für den Physiksaal geeignete Camera ist z.B. die ToUcam von Philips, die etwa 70 Euro kostet.

Für Aufnahmen außerhalb des Physiksaals benötigt man aber zweckmäßigerweise eine tragbare digitale Videokamera. Diese bekommt man derzeit ab ca. 400 Euro.
Vielleicht besitzt die Schule, ein Kollege oder die Familie einer Schülerin oder eines Schülers so ein Gerät?

Analoge Videokameras sind ebenfalls bedingt geeignet, jedoch benötigt man dann zum Import auf den Computer eine spezielle Schnittstellenkarte und ein Programm.

(4) Vor- und Nachteile :

Vorteile:

• sehr nahe an der Erfahrungswelt der Schüler
• vermittet Spaß an Mechanik
• Bewegung kann an mehreren Rechnern in gleicher Front ausgewertet werden

Nachteile:

• hat ein recht hohes Anspruchsniveau
• die "Filmerei" kann vom eigentlichen Zweck ablenken
• benötigt viel Platz auf der Festplatte des Rechners
  (mit bis zu mehreren 100 Mbyte je Aufnahme muss man schon rechnen)

(5) Software :

Die Auswertung kann mit kostengünstigen oder Freeware Programmen erfolgen. Bei schwierigen Aufnahmen (z.B. der Bewegung eines Pfeils) muß man den Film oft noch nachbearbeiten und ggf. anders in Einzelbilder zerlegen, was weitere (oft im Internet kostenlose) Software erfordert. Auch ist hierbei etwas Erfahrung und viel Zeit nötig.

Programme zur Videoanalyse:

Die Funktionen der genannten Programme sind alle ähnlich.

VIANA:

Das Programm Viana steht auf der Homepage der Universität Essen unter der Adresse http://didaktik.physik.uni-essen.de/viana in der jeweils aktuellsten Version zum Download zur Verfügung.
Der Autor, Herr Thomas Kersting, erlaubt die kostenlose Nutzung für nicht kommerzielle Zwecke und insbesondere für den Unterrichtseinsatz. Das Programm darf auch zu Unterrichtszwecken auf Schulnetzwerken installiert sein und kann an Lehrerkollegen und Schüler weitergegeben werden.

Das Programm Viana eignet sich sehr gut für Videoauswertung. Die erfassten Daten können auch zur Weiterverarbeitung in EXCEL exportiert werden.

Die aktuelle Version (3.5.1.) ist incl. einer Hilfedatei in einem .zip-Paket nur 0,9 MB groß, passt also auch auf eine Diskette.

Auf der gleichen Seite findet man auch drei Beispielvideos mit denen man erste Erfahrungen im Auswerten sammeln kann, oder die auch für den Unterricht einsetzbar sind.

DAVID:

David ein weiteres Programm zur Auswertung digitaler Videoanaylse, das in einer Zusammenarbeit der Universitäten in Augsburg und München entseht. Es basiert auf dem Autorensystem Toolbook und kann bei der Uni München heruntergeladen werden.

Ein schneller Internet-Zugang ist dabei vorteilhaft, denn die Datei ist 11 MByte groß!
http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/Computer/david/david.htm
Auf dieser Seite findet man auch eine Installationshilfe.

David kann im Gegensatz zu den anderen beiden Programmen auch mehrere Bewegung gleichzeitig aufzeichnen, was z.B. für die Auswertung von Stoßvorgängen interessant ist. Dafür ist es nicht ganz so einfach und intuitiv zu bedienen wie VIANA.

Auch bei David wird eine Anzahl von Filmen mitgeliefert, die man ausprobieren kann. Man findet diese unter der Internet-Adresse http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/Computer/david/video.htm
Die Autoren haben hier eine sehr interessante und vielseitige Sammlung zusammengestellt, die von der Bewegung von Objekten und Fahrzeugen, über Aufnahmen aus dem Bereich des Sports bis zu Crashtests und Raketenstarts reicht. Teilweise sind auch Beschreibungen und Auswertungen zu den Videosequenzen vorhanden.

Gerade wenn man sich in für Auswertung von Videodateien erste Erfahrungen sammeln will, sind diese Dateien sehr hilfreich. Zudem sind Auswertprogramme und Filmsequenzen kostenlos, so dass sich sich erst einmal damit befassen kann, bevor man in Hardware investiert.

DIVA:

Diva ist eine Entwicklung an der Universität Augsburg. Das Programm soll weiterentwickelt werden, jedoch ist zur Zeit ist keine Version von Diva mehr erhältlich.

Bei der Uni Augsburg gibt es eine selbstgebrannte Kopie des Programms zum Unkostenpreis von 8 Euro. http://www.physik.uni-augsburg.de/did/did.html
Dort findet man auch Informationen über das Programm.

Weitere Online Informationen:

Bayerischer Schulserver

Lehrerfortbildung Baden-Württemberg

Literaturhinweise:

Sigmar Kühnle, Digitale Videoanalyse im Physikunterricht der Klasse 11
in Neue Medien im Physikunterricht, Ph 36
Landesinstitut für Erziehung und Unterricht, Stuttgart

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