Videoauswertungsprogramm GALILEO

Klett Verlag, Stuttgart, 39 Euro

1. Didaktische Zielsetzung

Die Videoanalyse von Bewegungsvorgängen mit Hilfe des Computers ermöglicht eine praktische Realisierung der didaktischen Forderung nach Alltagsorientierung des Physikunterrichts.
Realvorgänge aus dem Bereich des Sports, des Verkehrs, vom Jahrmarkt oder aus der Natur können so auf neue Weise insbesondere den Mechanikunterricht ab Klasse 10 lebensnah gestalten helfen. Andererseits erschließt sich damit die Möglichkeit, Bewegungen zu analysieren, die sich bisher der Auswertung im Physikunterricht entzogen (z. B. anfahrender Zug, Elfmeterschuß, Bungee-Springer, usw.).

Verglichen mit den herkömmlichen zur Analyse von Bewegungsvorgängen angewandten Experimentiertechniken bietet der Einsatz folgende didaktische Vorteile:

2. Kurzbeschreibung und Vorschläge für den didaktischen Einsatz im Physikunterricht

Das Videoauswertungsprogramm GALILEO besteht aus den Modulen Meßwerterfassung, Tabellenkalkulation und Modellbildung. Zur Auswertung eines Bewegungsvorganges, der entweder mit einer Videokamera selbst aufgenommen oder aus dem Fernsehen mitgeschnitten wurde, muß der Videoclip als digitales Softwarevideo im Format "Video for Windows" (*. AVI - Datei) vorliegen. Technisch wird das mit einer Video-Digitalisierungskarte und entsprechender Software gelöst

Im Modul Meßwerterfassung werden die zur Bewegung gehörenden Orts- und Zeitkoordinaten aus den Einzelbildern (Frames) des Videoclips ermittelt. Dazu wird über das Videofenster ein Koordinatensystem gelegt und per Mausklick in jedem Einzelbild die Position des Bewegten Körpers markiert. Diese Daten werden automatisch in eine Datentabelle eingetragen. Die Computermaus dient dabei als Meßinstrument , das vorher geeicht werden muß.

Mit Hilfe des Moduls Tabellenkalkulation werden danach die Daten (Meßreihen) ausgewertet. Das können z. B. Bahnkurven oder der zeitliche Verlauf von Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung sein (x-y -, x-t -, y-t -, v-t - bzw. a-t - Diagramme).

Das Modul Modellbildung schließlich ermöglicht es, die Diagramme mit verschiedenen Modellansätzen zu vergleichen. Im Programm können zwei Modellarten gewählt werden, die analytische und die iterative Modellbildung.

Bei der analytischen Modellbildung werden die theoretischen Bahnkurven mit Hilfe von klassischen Bewegungsgleichungen (in geschlossener Form) ermittelt. Dabei sind im wesentlichen drei(??) Modelle bereitgestellt, die für viele Vorgänge hinreichend sind. Es sind dies ein zeitfreies x - y - Modell (z. B: für Wurfparabeln) und x - t - bzw. y - t - Modelle mit verschiedenen Abhängigkeiten von der Zeit :

• lineare Abhängigkeit (für kräftefreie gleichförmige Bewegungen)
• quadratische Abhängigkeit (z.B. für Fall, Beschleunigung, Wurf und viele weitere Themen der Schulphysik)
• exponentielle Abhängigkeit (z.B. Bierschaumzerfall, aperiodische Schwingung)
• sinusförmiger Abhängigkeit (z. B. für Schwingungen, Drehbewegungen usw.).

Die Bedeutung der Parameter in den Gleichungen kann durch Schieberegler verdeutlicht werden. Die Schüler drehen an den "Parameterschrauben", die im Programm durch Schieberegler realisiert werden, und finden so die optimalen Parameter, z. B. den Wert für die Fallbeschleunigung (fitten).

Bei der iterativen Modellbildung werden die theoretischen Bahnkurven (in implizierter Form) mit Hilfe von Anfangswerten und iterativer Anwendung des Kraftgesetzes ermittelt. Das Programm benutzt dazu das Runge - Kutta - Verfahren. Die Trennung von Anfangswerten und Kraftgesetzparametern sowie deren leichte Erfahrbarkeit durch Schieberegler sind ein Gewinn, der über eine bloße grafische Auswertung weit hinausgeht.

Der iterative Ansatz kann ohne Rechner leider noch nicht im Abitur geprüft werden, ist aber der physikalischere Ansatz im Vergleich zur klassisch deskriptiven Methode.

Arbeiten mit GALILEO im Physikunterricht

1. Lehrer und Schüler suchen gemeinsam ein geeignetes Bewegungsphänomen aus. Gesichtspunkte bei der Auswahl sollten vor allem der physikalische Gehalt und eine taugliche Kameraperspektive sein (wenig perspektivische Verzerrungen).
2. Herstellen eines Videoclips dieses Phänomens. Gut geeignet sind Mitschnitte aus dem Fernsehen (Sportsendungen) und Videoaufnahmen, die die Schüler selbst angefertigt haben (Projektarbeit). Im Programmpaket GALILEO werden auch einige von den Autoren hergestellte Clips angeboten.
3. Umwandlung des analogen Videoclips in ein digitales Softwarevideo im Format Video for Windows (*.AVI-Datei). Diese Aufgabe sollte der Lehrer in der Unterrichtsvorbereitung tätigen.
4. Im Unterricht wird zuerst die Zeit- und Längeneichung (Kalibrierung) vorgenommen. Das ist nötig, um später quantitative Auswertungen durchführen zu können. Außerdem muß der Koordinatenursprung festgelegt werden.
5. Mit der Computermaus als Meßinstrument wird dann die Position des bewegten Objekts auf den einzelnen Bildern ausgemessen. In dieser Phase sind die Schüler tätig. Der Lehrer gibt das Abtastsystem (x-y, x-t oder y-t) vor und die Schüler erarbeiten eine Meßwerttabelle. Auf die Koordinaten x und y und die Zeit als dritte Koordinate ist im allgemeinen besonders zu achten. Bei Wurfparabeln z. B. ergeben sowohl die x-y-Ortskurve als auch das y-t-Diagramm jeweils eine Parabel.
6. Die Meßwerttabelle wird grafisch dargestellt und mit den im Programm vorgegebenen Modellansätzen verglichen. Dabei wird durch Verändern der Parameter die Modellkurve an die Meßkurve angepaßt (gefittet). Die entsprechenden Parameter ergeben dann z. B. den Weg, die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des bewegten Objekts.
7. In bestimmten Fällen erweist es sich als günstig, zusätzlich zur Videoanalyse auch noch ein Real-(Labor-)Experiment durchzuführen. Zum Vergleich der Ergebnisse zwischen "Videoexperiment" und Laborexperiment und zu weiteren speziellen Auswertungen können die Daten dann in ein Tabellenkalkulationsprogramm (z. B. EXCEL) exportiert werden
8. Hausaufgaben und Tabellenmitschrift ins Heft sind aus methodischer Sicht nach wie vor dringend anzuraten. Die Schüler betrachten sonst Film- und Videovorführungen sowie manche Computerstunde als Unterhaltungsprogramm. Da läuft etwas, das der Lehrer später nicht abprüft.

3. Unterrichtsbeispiel

Fall eines Computers

An Hand des Videoclips "Fall", der in Form einer AVI - Datei im Programmpaket enthalten ist und den Wurf eines Computers aus dem zweiten Stock eines Hauses darstellt, soll das Vorgehen detailliert beschrieben werden:

• Das Programm wird durch Doppelklick auf die Datei "GALILEO.EXE" im Windows-Explorer (WIN 95) bzw. im Dataeimanager (WIN 3.11.) gestartet. Es erscheint der Eröffnungsbildschirm mit dem schiefen Turm von Pisa, von dem der Programmname abgeleitet wurde (Bild 1). Hinter dem Button in der linken unteren Ecke verbirgt sich eine Kurzinfo über Versionsnummer und Autor.
• Durch Anklicken des "Weiter" - Buttons gelangt man in den Arbeitsbildschirm. Der linke Teil beinhaltet das Videofenster, der rechte Teil das Auswertungsfenster.
• Mit dem Menüpunkt "Video laden" aus dem Menü "Datei" oder durch drücken des Lade - Buttons gelangt man in das "Öffnen" - Fenster, in dem die auf die Festplatte kopierten AVI - Dateien aufgelistet sind. Nach Auswahl von "Fall.AVI" läuft die Videosequenz im Videofenster einmal ab (Bild 2). Mit den vom Videorecorder her bekannten Steuerungstasten im unteren Teil des Videofensters kann man die Videosequenz mit den Funktionen Play, Standbild, Vor - und Rücklauf sowie Einzelbildschaltung anschauen. Es ist günstig, die kleine Sequenz ein paarmal ablaufen zu lassen, damit die Schüler Vertrauen in die Anordnung gewinnen.
• Zunächst wird mit den beiden Schiebereglern, die sich unter dem Bildfenster befinden, der Meßanfang (Startbild, erstes auszuwertendes Frame des Clips) und Meßende (Endbild, letztes auszuwertendes Frame) festgelegt. In diesem Fall wäre der Meßanfang das Bild mit der Nummer 74, da hier der Computer gerade die Hand des aus dem Fenster schauenden Menschen verläßt, das Meßende ist das Bild Nr. 103 (Computer berührt die Erde). Durch Mausklick auf den Button "Auswahl fixieren" wird die Sequenz zwischen diesen Frames festgelegt.
• Zur Eichung des Meßinstruments Computermaus wird ein Eichmaßstab benötigt. Hier ist es die Höhe eines Fensters, die in den Clip eingeblendet ist (1,46m). Der Eichmaßstab wird in das kleine Fenster unterhalb der Schieberegler zur Auswahlfixierung eingetragen. Das Eichen selbst erfolgt durch je einen Mausklick am Anfang (Fensterunterkante) und am Ende (Fensteroberkante) des Maßstabs. Zum Schluß wird noch der Nullpunkt des Koordinatensystems durch Mausklick festgelegt. Es empfiehlt sich, hier einen Punkt auf der Erdoberfläche (Grasnarbe) senkrecht unter dem Abwurfpunkt des Computers zu nehmen. Damit ist der Eichvorgang beendet.
• Vor Beginn der eigentlichen Messung müssen noch einige weitere Einstellungen gemacht werden, da parallel zur Messung die Meßwerte gleich in einem Diagramm im Auswertungsfenster erscheinen. Zuerst werden die Grafikgrenzen in dem nach der Eichung erscheinenden Fenster festgelegt. Für x_max und x_min empfiehlt sich im Beispiel Computerfall +1m bzw. -1m. y_max sollte 8m (Höhe der Dachrinne des Hauses) und y_min -1m betragen. Für die Zeit t_max sind 1,5s zu wählen. Danach wird mit dem Button "Timing" eingestellt, ob alle Bilder der Sequenz ausgewertet werden sollen.

Alternative Auswertung mit EXCEL
(Projektarbeit, Standardsoftware ITG)

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