SIPROSYS – ein Projekt für die Physik an Gymnasien?
Vor einigen Jahren stellte Ulrich Karrenberg, Fachleiter am Studienseminar für Nachrichtentechnik und Technische Informatik in Düsseldorf sein "Düsseldorfer Modell für moderne Informationstechnologie im Unterricht" interessierten Kollegen und der Presse vor. Kernpunkt des Modells ist das multimediale und interaktive Lernsystem "Die Welt der Signale – Prozesse - Systeme", im folgenden SIPROSYS genannt. Interessierte Kollegen erhielten kostenfrei eine voluminöse Dokumentation von 400 Seiten mit zahlreichen Abbildungen, mehrere Programme und beiliegend eine Schullizenz der grafischen Programmierumgebung DASYLab. Inzwischen ist dieses Werk inkl. CD (ISBN:3-8311-0189-2) im Buchhandel erhältlich. Weiter hat ein Projektverbund von acht Kollegs und vier Gymnasien unter dem Thema "Entwicklungsprojekte Mikroelektronik / Computer-und Kommunikationstechnik" Karrenbergs Lernsystem in der Sekundarstufe II eingesetzt und die Arbeitsergebnisse im Internet und nach Projektabschluss auf CD veröffentlicht. Ziel des Infoschul-Projekts war es unter anderem, sich weitgehend selbständig im Sinne von "Lernen lernen" in die Grundlagen und aktuellen Anwendungen der modernen (digitalen) Signalverarbeitung einzuarbeiten und Kompetenz zu erlangen für die computergestützte Planung, den Entwurf, die Analyse und die Synthese signalverarbeitender Systeme. Im Vordergrund stand dabei der Anspruch, mit Hilfe des interaktiv und multimedial aufbereiteten "Lernsystems", Schülerinnen und Schüler verschiedener Schulformen, Jahrgangsstufen und Bildungsgänge Inhalte bzw. Wissen zu vermitteln, welche/s bislang nur in Hochschulen vermittelt wurde.
Wie kann dies verwirklicht werden?
Es versteht sich von selbst, dass die Mikroelektronik und ihre Anwendungen heute nicht mehr aus dem Unterricht ausgeklammert werden können.
Der "Universalschlüssel" zu ihrem Verständnis ist die Signalverarbeitung. Es kann daher nicht sinnvoll sein, rasch veraltende Hardware- oder Software-Kenntnisse zu vermitteln, sondern die quasi zeitlose, weil auf Naturgesetzen basierende Theorie der Signale, Prozesse und Systeme. Grundproblem ist hierbei regelmäßig deren Überfrachtung mit mathematischen Kenntnissen, in deren Dschungel der Lernende leicht die eigentlichen Inhalte verliert. Karrenberg möchte aber alle konkreten Fälle nicht auf mathematischem Wege erklären, sondern auf die gleichen Grundphänomene zurückführen – und die sind physikalischer Natur!
Er greift dabei stets auf folgende Grundstruktur zurück:
Auf der Grundlage der drei physikalischen Phänomene Fourier-Prinzip (FP), Unschärfe-Prinzip (UP) und Symmetrie-Prinzip (SP) sollen alle Signale, Prozesse und Systeme verstanden werden können. Dieses Konzept der Reduktion auf drei physikalische Prinzipien macht nicht nur die Nachrichtentechnik verstehbarer. Es löst sie auch aus ihrer starken Bindung an die Mathematik, um die Physik als Ausgangspunkt, Rahmen und Bedingung der Signalverarbeitung aufzuwerten. Schließlich liegen die primären Erklärungsmodelle nicht in der Mathematik, sondern in der Physik der Schwingungen und Wellen. Somit muß die Physik auch im Vordergrund der Vermittlung, Erklärung und Veranschaulichung stehen.
Hier lag für den Autor der eigentliche Grund für den Einsatz des Systems im Unterricht! Was liegt näher, als das System im Physikunterricht einzusetzen!
Grundsätzlich wurden dabei im Rahmen eines Infoschul-Projekts zwei Wege beschritten:
1. Einsatz des Lernsystems (DASYLab plus Kursdokumentation) im regulären Unterricht zur Vermittlung von Grundkenntnissen zu Themen(reihen) wie "Schwingungen und Wellen", Unschärfeprinzip etc. in der Sekundarstufe II. Geplant ist auch eine Reihe im Differenzierungsbereich.
Hier bewährte sich das System in mehrfacher Hinsicht: Die Schülergruppen können selbständig im Computerraum bestimmte Aufgaben wie z.B. die Realisierung einer Schaltung zur Überlagerung von Schwingungen mit parallelen/senkrechten Schwingungsvektoren, Fourieranalyse - und Transformation etc. bearbeiten. Andererseits kann der Lehrer ebenso seine Arbeitsblätter/Folien mit Hilfe des Programms oder aus dem Fundus des beigefügten Acrobat-Reader-Dokumentes erstellen und das Lernsystem begleitend per PC und Beamer einsetzen. Entscheidende Vorgabe des Programms (Schulversion) ist, dass die Software über die Soundkarte des PC Daten verarbeitet, sodass auch bzw. nur konkrete Messungen im typischen Frequenzbereich durchgeführt werden können. Erweiterungen des Systems zwecks Einbeziehung der parallelen Schnittstelle werden in Kürze vorgestellt.
2. Projektarbeit als ein zweiter Weg eröffnete sich mit den erstmals anzufertigenden Facharbeiten in Physik: Hier beschäftigten sich einzelne Schüler mit der Aufnahme und der Auswertung von Instrumentenklängen, Verkehrslärm, Psychoakustik und der Temperaturmessung .
Entsprechend weisen die Einzelprojekte des Infoschul-Verbundes eine noch größere Streubreite aus: Von der Spracherkennung und Sprachsteuerung über die Drehzahlmessung per Mikrofon, Lärmmessung - und Bewertung bis hin zum Transistortester und zur Solaranlagenauswertung ist vieles mit dem Lernsystem und DASYLab möglich, sofern es sich nur über die Soundkarte des PC verarbeiten lässt.
Grundsätzlich lassen sich also sehr viel Impulse auch für den Physikunterricht gewinnen.
Da die Einsatzmöglichkeiten mannigfaltig sind, beschränke ich mich auf wenige Aspekte der Software, auf die im folgenden eingegangen werden soll:
Die Grafik zeigt eine im Rahmen einer Facharbeit angefertigte Schaltung zur Untersuchung von Lärmpegeln. Hier geht es um die Frage, ob Signale im Zeit- und im Frequenzbereich annähernd gleiche Rms - oder Effektivwerte aufweisen. Mit DASYLab funktioniert dies. Damit stellt das System seine Professionalität unter Beweis.
Ferner zeigt das Bild eine Besonderheit des Programms: die Wasserfall-Darstellung, mit der sich hier die Klavierklänge von Chopin in ein landschaftsartiges, dreidimensionales Bild, eine Zeit-Frequenz-Landschaft umsetzen lassen. Diese Darstellung der Signale im Frequenzbereich (jedes beliebige Signal wird durch Fourieranalyse in Sinusschwingungen verschiedener Frequenzen zerlegt) kann damit über einen gewissen Zeitraum dargestellt werden! Bei unseren Messungen des Verkehrslärms auf einer der lautesten Strassen Düsseldorfs ließ sich so sehr anschaulich der Effekt einer vorbeifahrenden Straßenbahn darstellen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Lernsystems ist die Spracherkennung. Das folgende Bild zeigt im Wasserfallmodus das Wort "AUA" .
Obwohl es ein sehr kurzes Wort ist, besitzt "aua" eine bereits recht komplizierte Struktur. Hier gilt es, die verschachtelten Frequenzmuster der verschiedenen Phasen (Einschwingphase, Anfangs-"a", Übergangsphase, "u"-Phase, Übergangsphase ...... Ausklingphase) abschnittsweise zu analysieren. Die Wasserfall-Darstellung kann dies, indem sie das Signal mittels eines "gleitenden Fensters" (Windowing) zerlegt und frequenzmäßig untersucht. Da sich die Fenster überlappen, enthält die Zeit-Frequenz-Landschaft auch alle Informationen des Gesamtsignals. Die Auswertung zeigt, dass ein Vokal ein fastperiodischer Abschnitt eines "Wortsignals" ist und ein linienähnliches Spektrum aufweist: Je länger er gesprochen wird, desto klarer ist er wahrnehmbar. Je kürzer er ausfällt, desto unverständlicher muss er ausfallen (Unschärfeprinzip).
Die (lange oder kurze) Betonung von Vokalen entscheidet entsprechend über die Verstehbarkeit des Wortes. Diese und weitere Überlegungen führen bereits in den Bereich der Spracherkennung und Mustererkennung hinein, die unser Gehirn täglich vollzieht, indem es über das Ohr als FOURIER-Analysator das Gehörte mit "Fingerabdrücken", für die jeweiligen Vokale charakteristischen Frequenzen, vergleicht.
Die FFT-Darstellung lässt sich weiter zur Darstellung des Amplituden-, Leistungs- oder Phasenspektrums nutzen. Hierbei kann es nützlich sein, das Amplitudenspektrum direkt einer db-Bewertung (Bezugswert wählbar) zu unterziehen. In unseren Versuchsreihen war dies sehr hilfreich.
Die Messwerte konnten mühelos direkt per Notebook oder vom Mini-Disc-Recorder eingelesen und verarbeitet werden. Einziges Problem bleibt die Eichung der Messwerte. Hier kommt man nicht umhin, mittels eines Referenzsignals z.b. über einen Kallibrator (Brüel& Kjaer) den entsprechenden Schallpegel einzustellen.
Kritisch anzumerken bleibt, dass die Arbeit mit DASYLab und dem Lernsystem nicht ohne gründliche Vorbereitung erfolgen kann:
- Es ist unsinnig, direkt mit DASYLab zu arbeiten – Schüler wie Lehrer werden sehr schnell frustriert durch die mannigfaltigen Möglichkeiten und die Komplexität des Programms. Hier bietet sich Karrenbergs Dokumentation als Leitlinie an. Forschender Unterricht kommt nicht ohne Schulung z.b. in Form des Erarbeitens von Teilen dieses Lehrgangs aus. Ansonsten macht das System in der Schule keinen Sinn.
- Auch Einzelprojekte bedürfen einer gründlichen Einführung im Unterricht und Begleitung bis hin zur Optimierung und Abstimmung der Schaltungen.
- Qualität ist gefragt: Die Investition in eine gute Soundkarte, Mikrofone mit akzeptablen Frequenzgang und einen Mikrofonvorverstärker lohnt allemal.
- Besonders der Unterrichtende sollte sich tunlichst mit dem System vertraut gemacht haben, bevor er es einsetzt: Manche Messung scheitert an falschen Einstellungen der Abtastrate, Blockgröße etc. oder an ungeeigneten Steckverbindern etc. Manche Schaltung funktioniert unbefriedigend, weil sie nicht ausreichend eingestellt ist. Oftmals bietet DASYLab Module an, die ganze Schaltungen ersetzen können: Hier wird man nur mit Übung weiterkommen. Je mehr hier investiert wird, desto mehr Erfolg wird das Unterrichten mit Siprosys bringen!
Anlage:
Zwei Facharbeiten von Schülern zu den Themen Psychoakustik&Schall und Lärm