Entwicklung der Nutzbarkeit externer Sensoren bei Smartphone-Experimenten und deren Einsatz in naturwissenschaftlichen Experimenten

Dorsel, Dominik; Stampfer, Christoph; Heinke, Heidrun

doi:HT030339793

Entwicklung der Nutzbarkeit externer Sensoren bei Smartphone-Experimenten und deren Einsatz in naturwissenschaftlichen Experimenten = Development of the usability of external sensors in smartphone experiments and their use in science experiments

Dorsel, Dominik^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dominik Dorsel, Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Heinke, Heidrun (Thesis advisor)^RWTH* ; Stampfer, Christoph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-03-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-08125
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/964136/files/964136.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Smartphones gehören zu unserem Alltag und werden inzwischen auch als digitale Messwerterfassungssysteme in der Lehre eingesetzt. Ermöglicht wird das durch im Smartphone verbaute Sensoren, welche eigentlich die Handhabung für Nutzer:innen vereinfachen sowie neue Features bereitstellen sollen. Dazu gehört beispielsweise die automatische Anpassung der Displayhelligkeit, welche über einen Beleuchtungsstärkesensor ermöglicht wird. Über die eigens für den Einsatz in der Lehre entwickelte App phyphox können nahezu alle im Smartphone verbauten Sensoren ausgelesen werden. Darüber hinaus können die erfassten Messwerte direkt auf dem Smartphone visualisiert und interpretiert werden. Weiterhin können die erhobenen Daten durch die im Smartphone vorhandene Rechenleistung weiter verarbeitet werden. Bedingt durch die im Smartphone verbauten Sensortypen sind die Experimentiermöglichkeiten je nach Themengebiet eingeschränkt. Während im Bereich der Mechanik zahlreiche Experimente durchgeführt werden können, fehlen zum Beispiel Sensoren zur Spannungs- oder Temperaturmessung, um Experimente in der Elektrizitäts- oder Wärmelehre durchführen zu können. phyphox löst dieses Problem mit der Einbindung externer Sensoren über die Bluetooth-Schnittstelle. Das Spektrum der verfügbaren externen Sensoren reicht von kommerziellen Sensorboxen bis hin zu Eigenentwicklungen auf Basis eines Mikrocontrollers. Für einen möglichst niederschwelligen Einstieg wurden im Rahmen dieser Arbeit einerseits Ready-To-Use Sensorboxen gezielt für den Einsatz in der Lehre entwickelt. Zum anderen wurde ein Bausatz für einen CO2-Monitor entworfen, welcher auch von Schüler:innen ohne Löt- und Programmiererfahrung aufgebaut und in Betrieb genommen werden kann. Eigenentwicklungen sind eine preislich attraktive Lösung und bieten die größte Freiheit bei der Wahl der Sensoren oder der Geometrie des Sensormoduls. Für die Entwicklung eigener Sensormodule müssen jedoch einige Hürden wie die Programmierung oder der Aufbau einer geeigneten elektrischen Schaltung gemeistert werden. Um Entwickler:innen den Aufbau eigener Module zu erleichtern, wurden unterschiedliche Unterstützungsmöglichkeiten entwickelt. Dazu zählt zum einen eine Arduino-Bibliothek, welche die Inbetriebnahme eines Bluetooth-Servers weitestgehend automatisiert. Zusätzlich wurde ein Workshop entwickelt, in dem Teilnehmer:innen lernen, mithilfe der genannten Bibliothek ein eigenes Sensormodul aufzubauen. Mithilfe der entwickelten Sensorboxen sind zusätzlich zahlreiche Experimentierbeispiele entstanden, welche die Vorteile externer Sensoren demonstrieren und in dieser Arbeit vorgestellt werden. Die entwickelten Experimente zeigen, dass externe Sensoren neue Experimentiermöglichkeiten innerhalb der Physiklehre ermöglichen und Smartphone-Experimente auch in anderen MINT-Fächern realisiert werden können.

Smartphones are part of our everyday life and are commonly used as digital data measuring units in teaching. This is possible due to internal smart phone sensors, which were originally intended to simplify handling and offer new features. For instance, a luminosity sensor enables the automatic adjustment of the display brightness. Almost all smartphone sensors can be read out via the app phyphox , which was developed specifically for usage in teaching. In addition, the app enables the visualization and interpretation of the measured data directly on the smartphone. Furthermore, the collected data can be further processed, using the computing power available in the smartphone However, due to the available sensor types in the smartphone, the experimentation possibilities for specific topics are limited. While numerous experiment scan be carried out in the field of mechanics, there are no sensors, for example for measuring voltage or temperature. These types of sensors are mandatory for experiments in electricity or thermodynamics. To overcome this limitation, phyphox allows the integration of external sensors via bluetooth. The range of available external sensors extends from commercial sensor boxes to custom boards based on a microcontroller .For an easy access start, ready-to-use sensor boxes, specifically intended for use in teaching, were developed in the context of this thesis. Additionally, a DIY-kit for a CO2-monitor was designed, which can be assembled and put into operation by students without soldering or programming experience. Custom developments are an inexpensive solution and offer a broader range of possibilities in regard to sensor specification or the geometry of the sensor module. However, developing your own sensor modules comes with several hurdles, such as programming or building the electrical circuit. To offer developers some assistance in building their own modules, various support options have been developed. One of these is an Arduino library, which nearly automates the initialization of an Bluetooth server. In addition, a workshop where participants learn to build their own sensor module was developed. With the developed sensor boxes, numerous new experiments were created, which demonstrate the advantages of external sensors and are presented in this thesis. The experiments show that external sensors enable new experimentation possibilities within physics teaching, and that smartphone experiments can be implemented in other STEM subjects as well.

OpenAccess:
PDF
(additional files)