Nachgedacht:
Messwerterfassung mit Funk - Spielerei oder Vorteil für den Unterricht?


PHYWE bietet, derzeit wohl als einziger Hersteller, ein Messwerterfassungssystem an, bei dem die Daten auch in einem Umkreis von etwa 20 m über eine Bluetooth-Funkverbindung an einen Computer übertragen werden können.
Vielleicht werden später andere Hersteller auch auf diesen Zug aufspringen.

  • Ist dies nur eine faszinierende technische Spielerei, oder welche Vorteile könnte dies für die Messwerterfassung in der Schule bringen?

Der Autor, Redakteur am Landesbildungsserver, hat sich dazu ausführliche Gedanken gemacht.
Er geht auch der Frage nach, ob immer mehr Technologie wirklich Vorteile bringt und wie sich die Schule im Spannungsfeld zwischen ihrer Vorbildfunktion und Marktinteressen verhalten soll.
Viele Gedanken entstammen auch der Ernüchterung, die Banken, Kunden und Technologieunternehmen am Ende einer Boom-Zeit gerade einholt (Anfang 2009).


1. Ist der Kunde noch König?

Haben Sie in letzter Zeit ein neues Auto gekauft?
Moderne Fahrzeuge sind vollgestopft mit Elektronik und Sie haben als Kunde oft schon gar nicht mehr die Wahl, ob Sie bestimmte Dinge haben wollen oder nicht.
Vielleicht mögen Sie gar keine elektrischen Fensterheber, könnten ihre Außenspiegel genau so gut auch von Hand verstellen und es nervt Sie, stets das aktuelle Datum und die Uhrzeit vor Augen zu haben, wenn Sie im Stau stehen?
Keine Chance: Sie müssen diese "Serienausstattung" einfach mitkaufen - und auch mit bezahlen.
Die Autos werden dadurch teurer und schwerer. Ein Teil der Motorenentwicklung dient nur dazu, die schweren Fahrzeuge beim gleichen Verbrauch und gleichen Emissionswerten zu halten.

So sind Sie als Kunde nicht König, sondern Zahlmeister der Autobauer.
Wollen Sie nicht zu Fuß gehen, oder ihre alte "Rostlaube" weiter fahren, so müssen Sie "mitspielen".

Nutzen Sie wirklich alle die Möglichkeiten, die Ihnen ihr neues Handy bietet, oder gehören Sie auch eher zu den Zeitgenossen, die damit vor allem telefonieren und ab und zu eine SMS verschicken?
Auf jeden Fall haben Sie die Kamera, die Spielekonsole, das Radio, den MP3-Player und den Internet-Künstler in Ihrem Handy direkt oder indirekt mitbezahlt, auch wenn sie diese nie nutzen.

In vielen Bereichen wird Technik zum umfassenden Kombi-Angebot.
Was technisch möglich ist, wird auch hergestellt und verkauft. Der Kunde kann oft gar nicht mehr entscheiden, ob er bestimmte Dinge auch wirklich braucht und wirklich haben will.
Vor allem die Jugend wird dabei - in ihrem Wunsch "in" zu sein - ein leichter Spielball der Marktinteressen.


2. Technische Entwicklungen im Unterricht - die Schule als Markt.

Schule ist kein abgekoppelter Raum. Für Wirtschaftsinteressen ist sie nicht nur ein Markt, sondern zugleich auch eine Möglichkeit sich der Jugend bekannt zu machen oder sie als Käuferpotential anzusprechen. Man denke z.B. an die Anstrengungen der Softwarebranche die Schulen mit Sonderkonditionen zu umgarnen, oder an die Bemühungen der Kernkraftlobby das Thema "Kernenergie" in den 80er Jahren in die Lehrpläne zu bringen.

So finden technische Entwicklungen manchmal auch ihren Weg in die Schulen.
Das beste Beispiel dafür aus jüngerer Zeit ist vielleicht der grafikfähige Taschenrechner - er hat in den letzten Jahren den Mathematikunterricht verändert.

Aber ist das auch gut so?

  • Ist es wirklich sinnvoll, schon Schülern der 7. Klasse, die oft fragwürdige Rechenfähigkeiten haben, ein solches "Spielzeug" in die Hand zu geben?
  • Wer hat die Schüler und deren Eltern bei der Erforschung des neuen Gerätes unterstützt?
  • Und wird eine verantwortungsbewusste Lehrkraft, die diese Einführung macht, nicht von schlechtem Gewissen geplagt, weil die Zeit für die Geräteeinführung dem Unterricht der Fachinhalte und den dringend nötigen Übungsphasen verloren geht?

Für die Hersteller solcher Taschenrechner war es ganz sicher ein Vorteil- sie haben sich einen neuen, großen Massenmarkt erschlossen und viel Geld damit verdient. Nur seltsam, dass außerhalb der Schule, z.B. bei einem Wirtschaftsstudium, solche Rechner verpönt, ja teilweise sogar ganz verboten sind, dass sie ihre Verbreitung eigentlich nur in der Schule haben!
Weiterhin kann ein grafikfähiger Taschenrechner nichts, was ein Computer, der wahrscheinlich ohnehin schon vorhanden wäre, nicht genauso gut oder besser könnte.
Vielleicht könnte man gar auf den Gedanken kommen, der grafikfähige Taschenrechner sei nur deshalb in die Schule gelangt, weil ein Markt für ein neues Produkt gesucht und gefunden wurde?

Ob Sie diese Gedanken abwegig finden oder nicht, müssen Sie selbst entscheiden.

Konsens - aus Sicht der Schule - ist (oder sollte sein), dass eine technische Entwicklung nur dann positiv zu bewerten ist, wenn die Schule selbst einen Vorteil davon hat - wenn Lernprozesse damit verbessert werden können.
Sie soll dabei helfen, dass die Schüler bestehende Lerninhalte besser und sicherer erfassen können.
Es geht auch nicht darum, die Curricula so neu zu schreiben, dass die neuen technischen Entwicklungen Berücksichtigung finden können.


3. Plug and "pray" - einschalten und losarbeiten?

Was einmal als pädagogisches "Non Plus Ultra" gefeiert wurde, kann sich später dennoch als nicht praxisgerecht herausstellen.

In den 70er Jahren musste jede moderne Schule ein Sprachlabor haben. Mit viel Geldaufwand wurden sie eingerichtet. Es bot den Schülern zusätzliche Redeanlässe und hatte sicher auch seine Stärken. Vor allem war es aber "modern" und "in" so eine Einrichtung zu haben.
Was dabei "vergessen" wurde, war die Frage zu klären, wer langfristig eine solche Einrichtung wartet, wer jede Woche die Bänder flickt und die Technik wieder instand setzt.
War ein Sprachlabor nicht sofort auf allen Plätzen einsetzbar, wurde es auf Dauer von den Lehrern gemieden.
Genau dies passierte und die Labore wurden fast überall wieder abgewrackt.

Ähnlich verhält es sich heute mit den Computerräumen. Sie werden nur genutzt, wenn alle Rechner schnell, sicher und problemlos einsetzbar sind. Funktionieren von 15 Rechnern nur 5, wird eine Lehrkraft den Computerraum nicht einsetzen. Teure Investitionen liegen dann brach.

Nun haben Physiklehrer zwar meist keine Berührungsängste mit technischen Geräten, andererseits ist ihre Arbeitszeit aber auch begrenzt, Wartungsarbeiten von Geräten sollte nicht zu ihrem Kerngeschäft gehören.

Man sollte also bei technischen Geräten auf jeden Fall darauf achten, dass sie unkompliziert einsetzbar und praxisgerecht sind.


4. Messwerterfassung per Funk - auf der Suche nach dem Mehrwert für den Unterricht.

Beschäftigen wir uns nun - mit solchen Gedanken im Hinterkopf - mit der drahtlosen Messwerterfassung und ihrem Wert für Schule und Unterricht. Die Frage für uns Lehrkräfte muss also lauten:

Wo ist der pädagogisch, didaktische Mehrwert eines Funkmesssystems für die tägliche praktische Arbeit mit Schülern?

  • Kann man damit wichtige, zentrale Experimente besser durchführen als mit den bereits bestehenden Möglichkeiten der Messwerterfassung, oder gar einem "traditionellen" Experiment?
  • Kann ein solches System dazu führen, dass die Schülerinnen und Schüler ein Experiment besser verstehen und tiefer durchdringen?
  • Entlastet es die Lehrkraft bei der Vorbereitung und bei der Durchführung des Experiments?
  • Ist es zuverlässig und sofort ohne großen Wartungsbedarf einsetzbar?

Nur wenn man mindestens eine dieser Fragen bejahen kann, ist ein Mehrwert gegeben.

Der Autor will und wird hier zu keinem abschließenden Ergebnis kommen, geschweige denn eine Empfehlung aussprechen - das muss jede Fachkonferenz, die über die Anschaffung solcher Systeme berät, selbst entscheiden - er will aber Denkanstöße geben. Nicht zuletzt ist es auch eine Frage des zur Verfügung stehenden Budgets.

4.1. Funksystem contra USB Anbindung.

Experimente kann man, ganz generell, in drei Typen einteilen:

  • Die Vorgänge beim Experiment laufen so schnell ab, dass wir sie mit unseren Sinnen nicht erfassen können.
  • Das Experiment läuft in Echtzeit ab, wir können bequem beobachten was geschieht.
  • Das Experiment läuft so langsam ab, dass es den Rahmen einer Schulstunde sprengt.

Kandidaten für den Einsatz von Messwerterfassungssystemen sind vor allem der erste und der letzte Typ.

Die höchsten Anforderungen an die Messwerterfassung stellen dabei die schnellen Experimente.
So dauert z.B. der Induktionsvorgang beim Fall eines Magneten durch eine Spule nur etwa 1/100 s - für unsere Sinne viel zu kurz!
Möchte man den Vorgang gut auflösen, dann sollte das Messsystem eine möglichst große "Samplerate" haben, d.h. viele Messwerte pro Sekunde erfassen können.
Dies spricht aber eher für eine Anbindung über die USB-Schnittstelle, die deutlich schneller arbeitet als die Funkübertragung.

Weiterhin braucht man sich in diesem Fall über die Stromversorgung des Sensors keine Gedanken zu machen - denn die stellt der Rechner.
Wenn Sie bei der Funkübertragung am Tag vorher vergessen haben die Akkus nachzuladen, sind diese wahrscheinlich genau in dem Augenblick leer, in dem Sie messen wollen (das kennen Sie ja von Ihrem Handy oder Ihrer Digitalkamera).
Vielleicht hat ja ein Kollege das Gerät - ohne dass Sie es wussten - in der Zwischenzeit auch benutzt und die Akkus "leergeorgelt".
Der Effekt bleibt der gleiche.

Datenrate und Einsatzsicherheit sprechen also eher für eine USB-Anbindung als für eine Funkanbindung.

4.2. Funksystem contra Datenlogger.

PHYWE bietet, wie eigentlich fast alle anderen Hersteller auch, alternativ zum Funksystem auch einen Datenlogger (Cobra 4 Mobile Link) an.
Datenlogger sind Interfaces, die unabhängig von einem Computer Messwerte erfassen und speichern können. Die Messdaten werden dann später an einen Computer übertragen und ausgewertet. Der große Vorteil von Datenloggern ist dabei die Unabhängigkeit von einem Computer und seiner Spannungsversorgung.

Beim Funksystem - genau wie beim Datenlogger - wird das Experiment aus Akkus versorgt (mögliche Probleme s.o.), beide bieten aber gleichermaßen den Vorteil, dass der Messaufbau keinerlei Kabelanbindung an einen Computer braucht. So kann man Experimente, die diese Unabhängigkeit erfordern, auch prinzipiell auf beide Arten durchführen.

Worin besteht dann der Unterschied bei der Durchführung eines Experiments?

Beim Datenlogger müssen Sie nach der Messung die Daten zuerst in den Rechner übertragen, um vielleicht feststellen zu müssen, dass die Messung nicht funktioniert hat. Bei der Funkübertragung merken Sie das sofort.
Das ist ein Vorteil der Funkübertragung.

Wollen Sie andererseits Messungen im Schulhof durchführen, dann nützt die Funkübertragung gar nichts, weil deren Reichweite nur 20 m beträgt.
Einen Datenlogger werden Sie, trotz Funkübertragung , für bestimmte Experimente dennoch brauchen, oder wollen Sie sich mit dem Laptop in die Achterbahn setzen?

4.3. Funksystem und Schülerexperimente.

PHYWEs Wireless-Manager kann bis zu 99 Wireless-Link-Interfaces verwalten, d.h. im Prinzip könnten 99 Experimentierplätze ihre Experimentdaten an einen Rechner übertragen, auf dem dann alle Daten liegen.

Stellen wir uns ein konkretes Beispiel aus einem Oberstufen-Praktikum vor:
- sechs Schülergruppen sollen in Experimenten den Lade- und Entladevorgang von Kondensatoren mit einem Messwerterfassungssystem untersuchen.

Welche Szenarien sind dann denkbar?

  • Sie verwenden dazu sechs Laptops mit USB-Interface und einer Spannungssensorbox.
    Jede Gruppe untersucht verschiedene Kombinationen von Kondensatoren und Widerständen.
  • Sie verwenden einen Laptop / Computer mit einem Wireless-Manager und sechs Wireless-Links.
    Jede Gruppe untersucht auch alle Kombinationen von Kondensatoren und Widerständen.
  • Sie verwenden einen Laptop / Computer mit einem Wireless-Manager und sechs Wireless-Links.
    Jede Gruppe untersucht nur eine Kombination, die Daten werden zusammengetragen und verglichen.

Welche Lösung ist die beste?

1) Das letzte Szenario scheint auf den ersten Blick sehr effektiv - ist es aber nicht wirklich.
Beim Experimentieren im Praktikum sollte man darauf achten, dass die reine Experimentierzeit größer als die Zeit für Auf- und Abbau ist, sonst lohnt es sich nicht.
In dieser Form muss der Auf- und Abbau dennoch von allen Gruppen vorgenommen werden.
Zeit würde allenfalls eingespart, wenn der Lehrer vorher alle Experimente schon selbst aufgebaut hat (falls die räumliche und zeitliche Situation dies überhaupt zulässt).
Dann geht die eingesparte Unterrichtszeit allerdings zu Lasten der zusätzlichen Arbeitszeit der Lehrkraft.

Weiterhin wird ein vertieftes Verständnis der Unterschiede bei den Schülern besser erreicht, wenn sie alle Experimente selbst gemessen und analysiert haben. Wahrscheinlich ist hier ein Vergleich verschiedener Messungen im Unterrichtsgespräch nur die zweitbeste Lösung.

2) Beim zweiten Szenario ergeben sich diese Nachteile nicht.
Dafür stellt sich dann hier die Frage nach der Auswertung, denn alle Daten von allen Gruppen liegen nun auf einem (Lehrer-)Rechner. Im Idealfall sind sie alle mehr oder weniger identisch.

Wer soll sie nun auswerten, wann und womit?

Der Lehrer wird sicher nicht alle Daten auswerten.
Wenn aber exemplarisch nur ein Datensatz gemeinsam ausgewertet wird, dann haben die anderen fünf Gruppen nicht die Bestätigung, dass ihre Arbeit auch wichtig war.
Messwerterfassung verkommt zum Zeitvertreib. Sie sollte aber nur der erste Schritt, das Mittel zum Zweck sein - der ist auf jedem Fall die Auswertung und die Interpretation des Gemessenen.
Der einzige Vorteil besteht vielleicht darin, dass die Schüler nicht am Computer herumspielen, während sie eigentlich messen sollen!

Soll jede Gruppe ihre Daten anschließend auswerten (was sinnvoll ist), dann müssen die Daten wieder auf irgendwelche anderen Rechner verteilt werden. Dazu brauchen Sie aber eine Anbindung an das Schulnetz, eine Anzahl an Memory-Sticks und - Zeit zum Übertragen. Auch der anschließende Raumwechsel und das Hochfahren der Auswertrechner kostet Zeit.
Beides geht zu Lasten einer effektiven Arbeit und belastet die Lehrkraft zusätzlich.

Bei Testen ist mir auch schon passiert (bei nur einem Messplatz), dass das PHYWE-Auswertprogramm Cobra 4 "abstürzte", wenn die Funkübertragung gestört wurde (Ausschalten des Wireless-Link oder Abziehen einer Sensor-Unit). Wie schnell hat hier mal ein Schüler aus den sechs Gruppen am Wireless-Link oder der Box herumgespielt und damit die Messergebnisse aller sechs Gruppen zunichte gemacht!

3) Ich persönlich würde mich für das erste Szenario entscheiden.
Jede Gruppe führt alle Experimente durch und wertet sie anschließend auf dem gleichen Rechner auch aus. Hier haben sie neben dem Auswertprogramm auch noch die passenden Office-Programme sofort zur Verfügung. Ein Raumwechsel und ein Hochfahren der "Auswertrechner" entfällt.
Es gibt auch weniger Probleme, wenn die Gruppen ihre Aufgaben unterschiedlich schnell bearbeiten.
Weiterhin brauchen Sie bei der Vorbereitung des Praktikums nicht daran denken, bei sechs Wireless-Link-Stationen die Akkus nachzuladen (hätten Sie überhaupt die Ladegeräte für 12 Akkus?).

Für die letzte Variante brauchen Sie keine Funkübertragung. Vom Preisvorteil einer USB-Schnittstelle gegenüber einem Mobile-Link können Sie heute fast schon einen "halben" Laptop kaufen, mit dem Sie aber sonst auch noch so allerlei anfangen können!

4.4. Ist die Messwerterfassung per Funk also eine unnütze Spielerei?

Nicht unbedingt.
Es gibt durchaus Anwendungssituationen, wo diese Technologie sogar sehr sinnvoll sein kann.
Stellen Sie sich das oben beschriebene Praktikum einmal in einer leicht veränderten Aufgabenstellung vor:

- sechs Schülergruppen sollen im Chemielabor eine Messreihe zum pH-Wert machen.

Würden Sie hier Laptops neben den Laboraufbauten einsetzen? - Sicherlich nicht.

Hier spielt die Funkanbindung ihren großen Vorteil aus:
Die empfindlichen Computer befinden sich weit weg von Säuren, Laugen und Salzlösungen.
An den Messplätzen findet man nur die Interfacebox und die Sensor-Unit.

Hier wäre es nun ideal, wenn jede Gruppe ihre Messdaten per Funk auf ihren Laptop übertragen könnte, so dass sie nach Ende der Messung diese auswerten können. Ob das PHYWE-System dies kann (6 Funkstecken ohne Störung zeitgleich parallel), weiß ich nicht.

Aber auch in Physik kann eine Funkübertragung sinnvoll sein, z.B. wenn die Messdaten auf einen Rechner irgendwo im Raum (Medienschrank) übertragen werden, der die Ergebnisse dann gleich über einen Beamer darstellt.
Das wird man aber eher ein einem Experimental-(Frontal)-Unterricht nutzen als in einem Praktikum.


5. Fazit:

Überlegen Sie sich vor dem Kauf eines Messwerterfassungssystems und seiner Komponenten möglichst genau, wo und wofür Sie ihr Messerfassungssystem primär einsetzen wollen. Dieser Einsatzzweck bestimmt ganz wesentlich, mit welchem System sie am besten bedient sind. Vor allem, es muss für Ihren Alltagseinsatz taugen und es sollte Ihnen möglichst wenig neue zusätzliche Arbeitsgänge bescheren.

Das schlechteste Messwertsystem ist immer das, das im Schrank bleibt, weil es zusätzliche Arbeit macht oder die Anwender damit nicht klarkommen.
Diese Lektion sollten wir aus Sprachlabor, Computerraum & Co. gelernt haben.


Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver