Strontium strahlt im digitalen Klassenzimmer

17. Juli 2015

Mit Virtual-Reality-Experimenten beschreiten William Lindlahr und sein Team vom Institut für Physik an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) neue Wege für den Schulunterricht. Versuche, die in der Realität zu gefährlich, aufwendig oder teuer wären, bereiten sie als 3-D-Simulation auf. Das innovative Konzept wurde bereits mehrfach ausgezeichnet, doch es könnte noch einige Sponsoren vertragen.
 

Christian Schenn wählt ein Radium-Präparat aus einem reich bestückten Behälter. Dann überlegt er kurz, packt es zurück und zieht ein anderes Präparat heraus. "Nein, ich nehme doch lieber Strontium." Er spannt es in eine Halterung, die sich auf einer Schiene vor- und zurückschieben lässt. Am anderen Ende misst ein Geiger-Müller-Zählrohr die Strahlung, die vom Strontium ausgeht. Es knattert ordentlich.

Der Informatikstudent zeigt auf ein Kästchen, das eine Auswahl an Platten und Blättern enthält, die er zwischen das Präparat und den Geigerzähler spannen kann. "Ich habe hier verschieden dickes Papier, Aluminium und Holz." Welches Material wird die Radioaktivität am besten abschirmen? Schenn wählt zuerst das dünnste Blatt Papier …

Gefährliche Experimente

Dieses Experiment findet nicht tatsächlich statt. Zwar steht die Versuchsanordnung auf einem Tisch und im Hintergrund sind Schränke zu erkennen. Eine Tafel zeigt Kreideskizzen und ein Foto an der Wand gegenüber versammelt berühmte Physiker. Doch dies ist kein echter Raum, es ist eine im Computer erzeugte Realität, die Schenn auf einer interaktiven Tafel, einem elektronischen Whiteboard, präsentiert.

Mit ihren Virtual-Reality-Experimenten will die Arbeitsgruppe um William Lindlahr und Prof. Dr. Klaus Wendt vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz eine neue Möglichkeit für den Einsatz moderner Medien im Klassenraum schaffen. "Experimente ermöglichen ein Verständnis von Unterrichtsinhalten", sagt Lindlahr. "Davon abgesehen machen sie den Schülerinnen und Schülern Spaß." Alles spreche also für Experimente in der Schule.

"Aber es gibt Versuche, die zu gefährlich sind für den Unterricht, die zu teuer sind oder zu aufwendig." Hier springen die Virtual-Reality-Experimente ein. Sie sollen die Versuche in der analogen Welt, auf den echten Tischen und in den realen Klassenräumen nicht verdrängen. Sie sollen vielmehr neue, zusätzliche Möglichkeiten eröffnen.

Ausgezeichneter Ort

Die Virtual-Reality-Experimente für den Physikunterricht erregten bereits international Aufsehen. Sie schafften es nicht nur, in die Gruppe der ersten drei Nominierten des Deutschen E-Learning Innovations- und Nachwuchs-Awards "d-elina" zu kommen. Sie wurden jüngst auch als Finalist beim europäischen "TELL US"-Award für innovatives, technologiegestütztes Lernen ausgewählt.

Eben erst ist Lindlahr aus Paris zurückgekommen, wo er beim Festival "Futur en Seine" für den Award die Virtual-Reality-Experimente präsentierte und nun steht schon die nächste Ehrung an: Im Institut für Molekulare Biologie (IMB) auf dem Gutenberg-Campus wird das Projekt als einer der 100 Preisträger des Bundeswettbewerbs "Ausgezeichnete Orte im Land der Ideen" ausgezeichnet, das in diesem Jahr unter dem Motto "Stadt, Land, Netz! Innovationen für eine digitale Welt" steht.

Lindlahr hat mit Unterstützung vieler Helfer in kürzester Zeit ein Symposium um die Preisverleihung gestrickt, bei dem zwei Gastredner den Einsatz moderner Medien in der Schule beleuchten. Vor allem aber hat er zwei Whiteboards und einige Tablets mitgebracht, an denen die Besucher die Experimente in der virtuellen Realität erklärt bekommen und buchstäblich selbst Hand anlegen können.

Fehler erlaubt

Die Bedienung über den Touchscreen der Tafel ist denkbar einfach. Mit der Linken führt Schenn das Strontium-Präparat in die Halterung. Dann folgt das Papier. Ein Knopfdruck – und die in der Realität unsichtbare radioaktive Strahlung ist als eine Wolke aus kleinen bunten Kugeln zu sehen. Viele solcher Details sind in das Virtual-Reality-Programm eingebaut. Selbst die Textur der Bodenfliesen im digitalen Klassenraum ist auszumachen. Im Mittelpunkt aber steht selbstverständlich der möglichst realistische Versuchsaufbau.

Beim Millikan-Versuch zur Bestimmung von Elementarladungen etwa zeigen zwei Geräte leicht abweichende Werte an. "Genauso passiert es einem im echten Labor", erklärt Lindlahr. Auch Fehler können die Schülerinnen und Schüler machen. Sollte jemand auf die Idee kommen, das Messgerät dieses Versuchs von Volt auf Ampere umzustellen, fliegt prompt eine virtuelle Sicherung raus.

"Dieses Projekt liegt ganz in William Lindlahrs Hand", erklärt Wendt bei der Preisverleihung im IMB. "Ich habe nur die Voraussetzungen und den Boden dafür geschaffen." Auch das war nicht einfach, denn die Virtual-Reality-Experimente ernten zwar viel Lob, doch es ist schwer, Geld dafür aufzutun. Die JGU unterstützt das Projekt nach Kräften zum Beispiel über das Gutenberg Lehrkolleg (GLK). Sonst allerdings müssen Lindlahr und Wendt sich quasi um jeden Cent mühen, denn sie fallen durch die Raster vieler potenzieller Sponsoren.

Viel Lob, knappes Budget

"Unsere 3-D-Simulationen sind etwas Eigenes, das ganz auf die Bedürfnisse des Physikunterrichts abgestimmt ist", sagt Lindlahr. Wollte er einem Trend folgen, würde er zum Beispiel MOOCs zu diesem Bereich anbieten, "Massive Open Online Courses", die das Lernen ebenfalls durch digital aufbereitete Inhalte unterstützen – nur eben etwas anders.

Lindlahr hat seine eigenen Ideen. Als erster Doktorand am Mainzer Institut für Physik, der ein Thema mit didaktischer Ausrichtung behandelt, und als erster Carl-Zeiss-Stipendiat in diesem Bereich setzt er seine Pläne mit viel Energie um. Stundenweise holt er sich Hilfe von Informatikern wie Schenn und anderen Studierenden hinzu, aber im Kern sind die Virtual-Reality-Experimente das zentrale Ergebnis der Arbeit an seiner Dissertation.

Der Millikan-Versuch ist so weit bereits fertig. Er könnte demnächst über interaktive Tafeln, über Tablets oder andere digitale Medien Eingang in den Schulunterricht finden. Eine ganze Reihe von weiteren Versuchen ist in Planung.

Lindlahr freut sich sehr über das Lob und das rege Interesse, das er auch an diesem Symposium von allen Seiten für seine Arbeit erntet. Aber ein paar Sponsoren, etwas Geld, um das Projekt voranzubringen, das könnte er durchaus noch gebrauchen für die ausgezeichneten Virtual-Reality-Experimente.