Messwerterfassung - Systeme und Anregungen

Dieser Artikel informiert über gängige Messwerterfassungssysteme im Schulbereich. Einige wichtige Systeme sowie Software zum Messen, Auswerten und Weiterverwerten naturwissenschaftlicher Messgrößen werden vorgestellt. Videoclips zur Software-Bedienung der vorgestellten Systeme erleichtern die Einarbeitung in die Technik. Zudem finden Sie hier eine Sammlung von Anregungen zum Einsatz computergestützter Experimente im Chemie- und Biologieunterricht.

Das "Messen" als Kulturtechnik

Die Bildungskommission der GDNÄ (Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte e.V.) betont in einer Denkschrift zum Thema "Allgemeinbildung durch Naturwissenschaften" (Aulis Verlag Deubner, 2002), dass zu den unverzichtbaren Kulturtechniken das Lesen, das Schreiben, das Rechnen und - oft völlig unterschätzt - das Messen gehöre. Die MNU (Deutscher Verein zur Förderung des mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts e.V.) sieht den richtigen Zeitpunkt für den Einstieg in das Experimentieren und damit das Messen sogar schon vor dem Beginn des Fachunterrichts in Physik und Chemie. Dabei werde die Persönlichkeitsentwicklung im Bereich der Eigeninitiative, Selbständigkeit, Phantasie und Kreativität gefördert (Physikunterricht und naturwissenschaftliche Bildung - aktuelle Anforderungen, MNU 2001).

Messtechnik und Messprogramme

Modulare Gerätekonfigurationen
Der Vorteil der modularen Geräte sind die Möglichkeiten zum stufenweisen Ausbau, der spezielle Zuschnitt auf den Bedarf und die Möglichkeiten an der Schule (zum Beispiel kann die Ausrüstung aus Kostengründen auf pH-Messungen reduziert werden). Alle Module passen hier an die gleiche Basiseinheit (Grundversion). Zu diesen Systemen gehören zum Beispiel die Produkte Cassy (LD Didactic), Cobra3 (Phywe) oder Pasport (Pasco, Abb. 1).

Abb. 1: Versuchsaufbau zur pH-Wert-Messung mit dem Pasport-System

Kompakte Gerätekonfigurationen
In den kompakten Gerätekonfigurationen, wie zum Beispiel All-Chem-Misst (AK Kappenberg), Chembox (Ingenieurbüro Hartl) und wiederum Cobra3 (Phywe), sind an die vorhandenen Eingänge nur noch entsprechende Sensoren anzuschließen. Die "Boxen" sind relativ groß, wegen der Ausstattung komplexer und in der Anschaffung in der Regel teurer als die modularen Systeme, die auch einfache und gute Lösungen für Schülerarbeits-Messplätze zu erschwinglichen Preisen bieten.

Ausgewählte Systeme

Für den Schulbereich werden zahlreiche Produkte aus dem Bereich der Messtechnik und Messsoftware angeboten. Hier finden Sie eine Übersicht der vom Autor getesteten und für gut befundenen Messwerterfassungssysteme:

Zusatzinformationen

• Computergestützte Messwerterfassung
  Informationen zur digitalen Messwerterfassung auf der Website der Didaktik der Chemie der Universität Bayreuth.
• Multimedia-Chemieunterricht
  Versuchsanleitungen sowie ein Mess- und Simulationsprogramm auf der Website der Didaktik der Chemie der Uni Erlangen-Nürnberg.

Aufnahme und Weiterverarbeitung von Messdaten

Es ist wichtig, dass Schülerinnen und Schüler lernen, kompetent mit der Messwerterfassung umgehen zu können. Das alleinige Wissen um die Abläufe oder das Betrachten von Demonstrationsversuchen reicht dabei nicht aus. In der aktiven Auseinandersetzung mit der Aufnahme und Weiterverarbeitung von Messdaten, insbesondere unter Nutzung des Computers, werden den Lernenden die Leistungsfähigkeit, aber auch die Grenzen der Technik bewusst. Die Schülerinnen und Schüler lernen den Computer als nützliches Werkzeug für das naturwissenschaftliche Arbeiten kennen. Beim Einsatz eines Messwerterfassungssystems sollen sie einfache Versuche durchführen und auswerten können, dazu gehört

• die Planung einer Messreihe.
• die richtige Wahl der Sensoren und deren Anschluss.
• die Steuerung des Versuchsablaufs mit der entsprechenden Software (Start, Messbereich, ... ).
• die Aufnahme der Versuchsergebnisse (mithilfe der Software), deren Weiterverarbeitung (zum Beispiel mithilfe einer Tabellenkalkulations- oder Textverarbeitungssoftware) und Bewertung.
• das Erkennen möglicher Fehlerquellen.

Der Computer ersetzt nicht die "Hands-on"-Messung!

Es macht wenig Sinn, Versuche, die man bisher ohne Computer zur Zufriedenheit aller durchführte, nun mit Computer durchzuführen. Das Messen mit dem Rechner darf Messungen "mit der Hand" nicht ersetzen. Die digitale Messwerterfassung erweitert, ergänzt, vertieft und objektiviert die "von Hand" durchgeführte Messung.

Vorteile der digitalen Messwerterfassung

Gegenüber der herkömmlichen Erfassung von Messdaten bietet der Computereinsatz folgende Vorteile:

• Aufwändige Auswertungsverfahren sind einfach durchzuführen.
• Schnell ablaufende Vorgänge können problemlos erfasst werden.
• Viele Messungen sind in kurzer Zeit möglich.
• Zahlreiche Messwerte können gesammelt und gespeichert werden.
• Langzeitmessungen sind auch ohne ständige Aufsicht möglich.
• Schülerinnen und Schüler können aktiv an der Messwerterfassung beteiligt werden.
• Die Ergebnisse können oft zeitgleich mit dem Experiment grafisch dargestellt werden.
• Aufgrund der schnelleren Auswertung können mehrere Mess- und Auswertungsideen ausprobiert werden.

• Oft bedeutet der Einsatz von Messtechnik Zeitersparnis im Unterricht.

Zusätzlicher Aufwand

Trotz aller Vorteile muss man sich auch klarmachen, dass der Einsatz von Computern zur Messwerterfassung neue Probleme aufwirft, die es im Unterricht und in dessen Vorbereitung zu lösen gilt, wie zum Beispiel

• die Schaffung der technischen Voraussetzungen in den Unterrichtsräumen.
• die Pflege der Technik (Sensoren, regelmäßige Kalibrierungen).
• beim Messen die notwendige und oft umständliche Umwandlung von Messgrößen (zum Beispiel Wandlung der Zeitangaben in Volumenwerte bei Titrationen).

Anforderungen an die Messwertaufnahme

• Die Großanzeige von Werten soll möglich sein.
• Daten müssen halb- oder vollautomatisch erfasst werden können.
• Die Graphen müssen beschriftet sein.
• Für die Aufbereitung der Ergebnisse müssen mehrere Darstellungsformen zur Verfügung stehen.
• Zwei Graphen aus verschiedenen Messungen müssen nebeneinander auf dem Bildschirm dargestellt werden können (zwecks Vergleich der Ergebnisse).
• Eingestellte Messparameter müssen gespeichert werden können.
• Messwertetabellen oder fertige Graphen müssen gespeichert werden können.
• Die Ergebnisdaten müssen organisiert werden können (zum Beispiel in Unterverzeichnissen oder Arbeitsmappen).

Anforderungen für die Auswertung

• Fehlerhafte Werte oder Ausreißer müssen eliminiert werden können.
• Spezielle automatische Auswertungsverfahren müssen ausgewählt werden können (zum Beispiel Eingeraden-Methode, erste Ableitung, Integralberechnung, Regression, pKs-Bestimmung).
• Kurven müssen geglättet und die Achsen mathematisch beliebig gestaltet werden können (zum Beispiel ln, log).
• Die Umrechnung der Achsen nach einfachen mathematischen Funktionen (Addition von Konstanten, Umrechnen von Zeit in Volumen, Verrechnen von Eichkurven, Tausch der Achsen ... ) muss möglich sein.
• Die Messdaten müssen in andere Verarbeitungsprogramme übertragen werden können (zum Beispiel Tabellenkalkulation).

Wie ist der Service?

• Gibt es Hilfestellungen (Handbuch, Webseite, Internetforen)?
• Bietet das Programm eine Hilfefunktion?
• Erfolgt eine Anpassung der Software an die Geräte (Updates aus dem Internet)?
• Werden Workshops und Fortbildungen angeboten?
• Bestehen Kompatibilitäten mit vorhandenen Geräten und Sensoren?

Video-Player

Die Bedienung der hier vorgestellten Programme wird durch kurze Videosequenzen beispielhaft veranschaulicht, die mit so genannten Screen-capture-Programmen aufgenommen wurden. Zum Abspielen dieser Videos sind zum Beispiel die folgenden Programme geeignet:

• Zoomplayer
  Infos zur Freeware bei www.chip.de
• VLC_Media Player
  Infos zur Freeware bei www.chip.de

CASSY (Computer Assisted Science System)

 

Internetadressen

• Computer Assisted Science System
  Ausführliche Infos zum CASSY-System auf der Homepage der LD Didactic GmbH
• Peter Keusch: Experimente mit CASSY
  Infos und Beispiele für den Unterricht auf der Website der Uni Regensburg

Video zur Programmbedienung (CassyLAB)

Kurzinformation

Cobra3

 

Mess-System
An die Cobra3 Basic-Unit können verschiedene Messmodule und Sensoren angeschlossen werden. Mit der Chem-Unit können Sie zahlreiche Messgrößen gleichzeitig erfassen, ohne weitere Messgeräte zu benötigen.

• Cobra3
  Informationen zum Cobra3-Sortiment auf der Phywe-Homepage

Software
Phywe bietet die auf die Arbeit mit seinen Systemen abgestimmte Mess-Software Measure sowie unterschiedliche Messmodule und Sensoren an, die automatisch von Cobra3 erkannt werden.

• Phywe Software
  Die Mess-Software Measure kann kostenlos heruntergeladen und bis auf die Messwertaufnahme uneingeschränkt eingesetzt werden.

Videos zur Programmbedienung (Measure)

Einsatzmöglichkeiten im Unterricht
Phywe bietet eine Vielzahl von Produkten mit Anregungen für das Experimentieren mit Cobra3:

• Biologie-Experimente mit Cobra3
  Ökologie, Sinnesorgane, Nerven und Muskeln, Physiologie, Stoffwechsel, Pflanzenwachstum und Photosynthese, Atmung & Kreislauf
• Chemie-Experimente mit Cobra3
  Glasmantelsystem, Elektrochemie, Chromatographie, Elektrophorese, Physikalische Chemie, Stoffeigenschaften
• Physik-Experimente mit Cobra3
  Mechanik, Akustik, Wärmelehre/Thermodynamik, Elektrizitätslehre, Atom- und Kernphysik

Kurzinformation

Pasport

 

Internetadressen

• MODIS Moderne Didaktische Systeme
  Homepage der Vertriebsfirma für das Pasport-System in Deutschland

Videos zur Programmbedienung (DataStudio)

Kurzinformation

MultiMES-Software

 

Internetadresse

• MultiMES
  Multifunktionale Messwerterfassungssoftware für Messgeräte mit serieller Schnittstelle

Kurzinformation

AK Messen mit Excel (AKMmE)

 

• Arbeitskreis Kappenberg - Messen mit Excel (AKMmE)
  Kostenlose Möglichkeit zur Messwerterfassung. Die Software ist nun fester Bestandteil von AK WinChemie.NET.
• Arbeitskreis Kappenberg - Downloadseite
  Software und Tutorials des AK im Überblick

Hilfen zur Programmbedienung

Kurzinformation

UNI-MESS-Light

 

Internetadresse

• Arbeitskreis Kappenberg - UNI-MESS-Light
  Funktionen und unterstütze Messwandler
• Arbeitskreis Kappenberg - Downloadseite
  Software und Tutorials des AK im Überblick

Hilfen zur Programmbedienung

Kurzinformation

Experimentiervorschlaege

Die folgenden Experimente wurden vom Autor des Artikels erfolgreich eingesetzt und zeigen die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten digitaler Messwerterfassung auf.

Informationen zum Autor

Holger Schickor studierte an der Martin-Luther-Universität Halle/Saale Lehramt für Biologie und Chemie. Seit 1995 unterrichtet er am Staatlichen Eifel-Gymnasium in Neuerburg (Rheinland-Pfalz). Er beschäftigt sich mit Animationen von biologischen und chemischen Vorgängen. Auf seiner Homepage finden Sie weitere Unterrichtsmaterialien für die Fächer Chemie und Biologie.